Моделирование теплового управления системами освещения Led с использованием Ansys Fluent

Критическая роль термоуправления в светодиодном освещении

Светоизлучающие диоды (LED) преобразовали светотехническую промышленность, предлагая превосходную энергоэффективность и эксплуатационные сроки службы, которые могут превышать 50 000 часов. Однако эти преимущества зависят от поддержания полупроводникового перехода ниже его максимальной номинальной температуры. Тепло является внутренним побочным продуктом электролюминесценции в светодиодах; около 70-85% входной мощности преобразуется в тепло, а не свет. Без хорошо спроектированной системы управления теплом температура соединения повышается, что приводит к ускоренному обесцениванию люмена, спектральным сдвигам, снижению эффективности и, в конечном итоге, катастрофическому отказу. Эффективный тепловой контроль является поэтому единственным наиболее важным фактором в предоставлении надежных светодиодных светильников с длительным сроком службы.

Вычислительная динамика потока жидкости (CFD) стала незаменимым инструментом для прогнозирования и оптимизации теплопередачи в светодиодных системах. Среди коммерческих кодов CFD, Ansys Fluent выделяется своей надежной технологией решателя, широким спектром физических моделей и сильной связью с рабочими процессами оптимизации проектирования. Путем моделирования распределения температуры, конвекции и излучения инженеры могут оценить распределение температуры, модели воздушного потока и тепловое напряжение на ранних этапах цикла разработки - задолго до создания физических прототипов. Эта статья предоставляет всестороннее руководство по моделированию теплового поведения светодиодных систем освещения с использованием ANSYS Fluent, охватывающих настройку модели, стратегии моделирования, интерпретацию результатов и практические преимущества.

Основы светодиодного термического управления

Почему тепло снижает светодиодную производительность

Температура соединения (T_j) светодиода напрямую влияет на его светоотдачу, качество цвета и надежность. По мере увеличения T_j, внутренняя квантовая эффективность падает, уменьшая световой поток. Соотношение Аррениуса регулирует срок службы: повышение температуры на 10 °C выше номинальной температуры может вдвое сократить ожидаемый срок эксплуатации. Кроме того, фосфор-конвертированные белые светодиоды испытывают сдвиги длины волны и цветовой температурный дрейф при перегреве. В крайних случаях несоответствия теплового расширения вызывают разрывы припоя или расслоение инкапсулятана.

Механизмы теплопередачи в светодиодных системах

Теплоуправление в светодиодных светильниках опирается на три основных режима теплопередачи:

• Проводимость — Тепло течет от светодиодного перехода через подложку, материал теплового интерфейса (TIM) и в основание теплоотвода.Термическое сопротивление каждого слоя должно быть сведено к минимуму.
• Конвекция — Природный или вынужденный воздушный поток уносит тепло от решетки плавников радиатора. Геометрия плавников, ориентация светильника и скорость окружающего воздуха влияют на коэффициент конвективного теплопередачи.
• Радиация — При повышенных температурах поверхности радиационный теплообмен с окружающей средой становится значительным (обычно 5-15% от общего рассеивания).

Эффективная тепловая конструкция уравновешивает эти механизмы, чтобы держать T_j в безопасном рабочем диапазоне (обычно от −40 °C до +85 °C для коммерческих светодиодов, хотя для вариантов с высокой мощностью может потребоваться T_j ниже 105 °C).

ANSYS Fluent Capabilities для светодиодного теплового моделирования

ANSYS Fluent обеспечивает зрелую, богатую особенностями среду для моделирования сопряженной физики, присутствующей в светодиодных системах. Ключевые возможности, относящиеся к управлению температурой, включают:

• Спряжение теплопередачи (CHT) — Решает одновременно для твердопроводности и текучей конвекции, устраняя необходимость назначения искусственных коэффициентов теплопередачи на границах.
• Ламинарные и турбулентные модели потока — для естественной конвекции в закрытых светильниках (часто ламинарных) или принудительной конвекции с вентиляторами (турбулентная, с использованием k-ε, k-ω SST или переходных моделей).
• Радиационные модели — Дискретные ординаты (DO) или модели «поверхность-поверхность» (S2S) захватывают радиационный обмен между поверхностями теплоотвода и окружающей средой.
• Joule Heating and Volumetric Heat Sources — Генерация тепла внутри светодиодного кристалла может быть указана как объемный источник или как тепловой поток в основании чипа.
• Параметрическая и оптимизация интеграции - Через ANSYS Workbench, дизайн-точечные исследования и оптимизация поверхности реакции может автоматически изменять толщину плавника, расстояние или скорость вентилятора, чтобы минимизировать температуру или массу.

Для подробного обзора возможностей решателя обратитесь к официальной странице продукта ANSYS Fluent .

Настройка тепловой модели в ANSYS Fluent

Подготовка геометрии и сетка

Первым шагом является создание вычислительной области, которая включает в себя светодиодный пакет, TIM, теплоотвод и объем окружающей жидкости. Для естественно-конвекционных исследований жидкостная область должна расширять по крайней мере в 10 раз размеры теплоотвода в каждом направлении, чтобы обеспечить развитие шлейфа без искусственных границ. В ANSYS SpaceClaim или DesignModeler упрощают мелкие детали (круги, чамферы, проводные связи), которые не влияют на объемную теплопередачу.

Сетка имеет решающее значение: высококачественная сетка обеспечивает точные градиенты температуры без чрезмерных вычислительных затрат.

• Используйте гибридную сетку с гексаэдральными / прайс-слоями в твердых областях и тетраэдрическими клетками в жидкости, по меньшей мере, с пятью призменными слоями на твердотекучем интерфейсе для разрешения пограничного слоя.
• Установите значения y + около 1 для моделей с ламинарной или малочисленной турбулентностью; для форсированного потока с высоким числом Рейнольдса функции стенок могут использоваться с y + в диапазоне 30-300.
• Применяйте локальную утонченность вокруг светодиодной матрицы и кончиков плавников, где градиенты температуры самые крутые.
• Проведите исследование сетки-независимости, сравнив результаты по меньшей мере трех сеток с увеличением плотности. Изменение температуры соединения менее 1 °C между двумя лучшими сетками указывает на достаточное разрешение сетки.

Свойства материалов и граничные условия

Для наиболее распространенных материалов необходимы точные данные о материалах:

• LED die (GaN или InGaN): анизотропная теплопроводность (обычно 130 Вт/м·К в плоскости, 50 Вт/м·К в плоскости). Для упрощенных моделей часто используется изотропное значение 80 Вт/м·К.
• Подстраивайте [Al₂O₃ или AlN]: 20-170 Вт/м·К в зависимости от чистоты.
• Тепловой интерфейс (на основе кремниевой прокладки или пасты): 0,8-5 Вт/м·К. Включите контактное сопротивление, назначив тонкостенное термическое сопротивление (например, 0,5 К·см2/Вт).
• Теплоотвод (Al 6061 или Cu): 167 Вт/м·К для алюминия, 385 Вт/м·К для меди.
• Воздух: для случаев естественной конвекции используют температурно-зависимые свойства (плотность, вязкость, теплопроводность, удельное тепло); для принудительной конвекции часто достаточны постоянные свойства при температуре входа.

Пограничные условия:

• Тепловой вход : применять рассеиваемую мощность (например, 1 Вт на светодиод) в качестве объемного источника тепла в объеме кристалла или в качестве теплового потока на поверхности кристалла. Для многочиповых модулей определяют отдельные зоны источника.
• Окружающая среда : установите выходное отверстие или границу дальнего поля при атмосферном давлении и фиксированной температуре (например, 25 °C или 50 °C в худшем случае).
• Симметрия: для массивов идентичных светодиодов смоделируйте единый блок с плоскостями симметрии для уменьшения размера сетки.
• Гравитация: активировать гравитацию (−9,81 м/с2 в вертикальном направлении) для естественно-конвекционных исследований и установить рабочую плотность.

Процесс моделирования и настройки Solver

1. Выберите растворитель на основе давления (рекомендуется для несжимаемых потоков) с формулой устойчивого состояния для оценки точки проектирования. Для переходных исследований (например, время разогрева, цикличность питания) используйте неустойчивый растворитель с шагом времени 0,1-1 с в зависимости от тепловой постоянной времени.
2. Для типичных светодиодных корпусов с естественной конвекцией ламинарный поток часто действителен до тех пор, пока число Рэлея не превысит 10⁹; выше этого, используйте модель k-ω SST для захвата перехода.
3. Установить излучение, если температура поверхности превышает 80 °C. Модель DO с серым поглощением является надежным выбором. Для корпусов S2S быстрее, но предполагает нулевое участие среды.
4. Используйте дискретизацию под ветром второго порядка для уменьшения импульса и энергии, чтобы уменьшить численную диффузию. Используйте алгоритм SIMPLE для связи скоростей давления.
5. Конвергенция достигается, когда остатки опускаются ниже 10^-4 для непрерывности и скорости, 10^-6 для энергии, а контролируемая температура стабилизируется в пределах 0,1 °C более 100 дополнительных итераций.

Для пошагового руководства по аналогичным настройкам блог Ansys Fluent LED Thermal Analysis предоставляет практическое руководство.

Расширенные соображения моделирования

Сети температурного и теплового сопротивления

В то время как CFD непосредственно предсказывает температуры поверхности, истинная температура перехода лежит немного выше из-за внутреннего теплового сопротивления чипа. Общий подход заключается в извлечении теплового потока на интерфейсе диэ-субстрата, а затем применять одномерную коррекцию сопротивления: T_j = T_{die surface} + R_{th JC}dissipated _{× P}, где R_{th JC} (обычно 2-8 K/W) предоставляется производителем светодиодов. Альтернативно, подробная субмодель слоев кристалла (GaN, сапфир, фосфор, силикон) может быть включена в CFD-сетку для более высокой точности.

Фан-моделирование для принудительной конвекции

Когда требуется активное охлаждение, вентиляторы могут быть смоделированы с использованием:

• Граничное условие фэна — скачок давления, приложенный через пористую область, с кривой вентилятора, определяемой как полиномиальная функция объёмного расхода.
• Движущаяся опорная рама (MRF) — для осевых или центробежных вентиляторов подход MRF моделирует вращающийся импеллер как приближение к устойчивому состоянию, захватывая эффекты закручивания.
• Скользящая сетка — полностью переходная, но вычислительно дорогая; используется только тогда, когда интерес представляют акустические или лезвийно-пропускные эффекты.

Во всех случаях убедитесь, что рабочая точка вентилятора (скорость потока против повышения давления) соответствует кривой импеданса системы, предсказанной моделью CFD.

Транзиторные тепловые симуляции

Светодиодные системы, подверженные затемнению, циклам выключения или различным температурам окружающей среды, требуют временного анализа. Нестабильный решатель ANSYS Fluent с адаптивным шагом времени может захватывать тепловую инерцию. Шаг времени должен быть достаточно мал, чтобы разрешить самый быстрый термический переход (часто кристалл, с постоянной времени миллисекунд), но достаточно велик, чтобы обеспечить практическое время моделирования. Общая стратегия состоит в том, чтобы начать с решения с постоянным состоянием при полной мощности, затем наложить изменение шага мощности и запустить переходный период для нескольких констант теплового времени (обычно 10-30 минут для светильника).

Интерпретация результатов и определение горячих точек

Температура и визуализация потока

После конвергентного решения используйте инструменты постобработки ANSYS Fluent для изучения:

• Температурные контуры на теплоотводе, подложке и кристалле. Максимальная температура перехода является основной метрической. Ищите локализованные горячие точки вблизи краев чипа или между рядами плавников.
• Векторы скорости и обтекатели в области жидкости. Зоны рециркуляции или застойные воздушные карманы лишают теплоотвод охлаждающего потока. Для естественной конвекции проверьте, что шлейф, управляемый плавучестью, выходит беспрепятственно.
• Векторы теплового потока на гранях теплоотвода — это указывает на области с высокой конвективной эффективностью. Фины с низким тепловым потоком могут быть негабаритными или плохо расположенными.
• Радиационный тепловой поток — может составлять 15—30 Вт/м2 для чёрно-анодированных радиаторов. Если излучение выключено, модель будет сверхпрогнозировать температуру отмирания на 3—8 °C.

Оптимизация дизайна по результатам CFD

Общие стратегии оптимизации, основанные на CFD, включают:

• Увеличение толщины плавника или уменьшение шага плавника до тех пор, пока улучшение термостойкости не уменьшится (обычно шаг 2-4 мм для естественной конвекции).
• Добавление слотов или вентиляционных отверстий в корпус для продвижения дымовых эффектов.
• Выбор TIM с более низким термическим сопротивлением или применение однородной толщины линии связи.
• Ориентация светильника, чтобы избежать накопления тепла в верхней части теплоотвода (для подвесок теплоотвод должен быть над светодиодной доской).

Преимущества и реальные приложения

Конструкция, основанная на CFD, значительно сокращает цикл разработки продукта. Устраняя необходимость в обширном физическом прототипировании, компания может оценить десятки конфигураций радиатора тепла за время, необходимое для машины и тестирования. Финансовая экономия значительна: одна тепловая проблема, возникающая на этапе моделирования, может избежать дорогостоящего отзыва или полевого сбоя. Кроме того, моделирование позволяет инженерам продвигать оболочку миниатюризации и более высокой плотности мощности - критически важной для автомобильных фар, освещения стадиона и садоводческих светильников.

Например, производитель светодиодных ламп высокого уровня использовал ANSYS Fluent для перепроектирования пассивной теплоотводной трубы, понизив температуру перехода с 92 °C до 78 °C при одновременном снижении массы теплоотвода на 18 %. Результатом стал продукт, который соответствовал требованиям к светодиодному освещению DOE на протяжении всего срока службы (L70 > 50 000 ч) и поддерживал полную светоотдачу в течение гарантийного периода. В другом случае участвовал производитель уличного освещения, который имитировал влияние экранов насекомых и решеток на воздушный поток; модель CFD показала, что обычная сетка уменьшила конвективное охлаждение на 40 %, что привело к перепроектированной структуре с открытыми ячейками, которая поддерживала тепловые характеристики.

Для дальнейшего чтения о передовой практике, обзорная статья по светодиодному термоменеджменту от Luo et al. (2018) предлагает полный обзор экспериментальных и численных подходов.