基于Flotherm的LED TEC散热研究

关键词：Flotherm ；TEC；散热分析；LED

LED工作温度对其寿命和光效具有显著影响。高效的热管理对 LED 的性能稳定非常重要。为了有效降低 LED 温度、满足散热需求及特定场所的应用需求，结合热电冷却器 （TEC），利用Flotherm软件对其进行散热分析。

1. 物理模型：

本文采用Flotherm仿真软件对LED，TEC，散热器系统进行建模。LED、铜基板如图1所示，采用4*4阵列的LED布局，LED尺寸为1mm*1mm*1mm，功率为1W。

图1 LED、铜基板的结构

TEC采用Liard UltraTEC™ UTX Series UTX8-12-F2-2525-TA-W6，其模型如图2所示。

图2 TEC模型

模型的整体结构如图 3 所示，采用 TIM 贴合TEC和散热器以降低接触热阻。 模型计算域如图4所示，其中重力方向沿Y轴负向。将环境温度设置为30C。

图3 模型整体结构

图 4 模型的计算域边界

TEC参数如图5所示。

图 5 TEC参数设置

1. 网格划分：

Flotherm网格划分包括全局网格设置、局部网格细化。建立几何模型后，对全局网格进行设置，设置最大网格尺寸。对于LED，TIM等温度梯度大，尺寸较小的部件网格进行加密，从而增加计算的精度和准确性。

图6 模型网格划分

1. 求解设置：

如图7所示，对求解器进行设置，选择流动与传热求解器，打开辐射模型，并设计流体属性与环境温度等，进行求解。

图7 求解设置

1. 分析与讨论

该模型为自然散热，TEC冷端接触LED，热端接触散热器，TEC工作时从冷端吸热，降低LED的温度，从热端放热，将热量传递到散热器中，并通过热对流和热辐射最终将热量传递到环境中。其温度分布如下图8所示。

图8 温度分布

由图 9 可知，当TEC电流从1A增加到4.5A时，LED最高温度先下降后上升，散热器温度却不断上升，这是因为 TEC 将热量从冷端转移到热端时，需要额外的输入功，这些功也会转化为热量，全部热量通过散热器传递到空气中。但是，散热器的散热能力有限，随着总热量的增加，散热器的温度不断升高，从而导致TEC 热面温度的升高，TEC 的工作效率q下降，更多的热量无法从冷面传递到热面，最终导致 LED 温度逐渐上升。可以看出当电流为3A时，LED的温度最低。

图9 TEC电流对 LED 温度的影响