关键词：半导体制冷片；大功率LED灯；稳定结温温度；
目前多数使用的大功率LED灯都采用空气自然对流方式进行散热，该方式体积大、散热差、散热慢以及半导体制冷片越来越在微小场合得以较好应用。只要能使半导体制冷技术应用到大功率LED散热上，且其成本被广泛地接受，那么对全世界都有着巨大的环保意义和经济意义。
一、国内外现状和发展趋势
制冷电堆是半导体制冷的主要部分，它一直被半导体工业和材料工业领域里的研究者当为最主要地研究对象。为了尽量提升它的性能、增强其机械强度和稳定性，研究人员们都分别对材料最优化物理原理、制造工艺和性能测试这三个方面进行了很多研究，也获得了很多不错的成果。在研究制冷器结构和外部换热的优化方向时，通过分析和研究半导体制冷器的接触热阻，指出了温差对半导体制冷的热阻有着显著影响，它们之间成反比。研究人员在半导体制冷过程的非稳态方面进行研究，建立了半导体制冷非稳态工况下的温度场模型。研究人员对热电效应温度场变化和非稳态传热方程进行数值解。研究人员在对半导体多级制冷性能的研究中，通过研究人员的研究，他们认为对电流进行分离可以得到巨大的制冷量，且可以获得更高的COP系数。在以最大工作效率为前提下，对半导体多级制冷的基板公式进行了理论推导。研究人员对半导体制冷的物理机理方面进行研究，他们将金属视为费米气体界面而将半导体视为简单的费米固体界面，分析了帕尔贴效应和西伯克效应间存在的关系。研究人员也探讨了在大温差情况下，材料优质系数的变化问题。对半导体制冷技术使用于LED灯中进行了研究，他提出了一种具有散热结构的改良LED灯。其提出的主要思路是在LED灯的基板和散热片之间加入一个铝热熔器和一片半导体制冷片，实现对LED灯片高温的降低；提出一种半导体制冷大功率LED灯，其主要在基板上加一个温度传感器，基板与散热片间加入半导体制冷片，散热的同时可以进行对基板温度的测量；提出一种利用冷热中和散热的LED照明灯，其主要有一个密封腔，腔里有铝基板、半导体制冷片、导冷器，铝基板把产生地热量转移至密封腔，导冷器把半导体制冷片冷端所产生的冷气转移至密封腔，实现冷热中和散热。作为第四代光源地大功率LED灯现今存在在的散热难题，一直被认为是阻碍LED灯广泛推广运用的主要因素。而作为新一代“绿色冷源”的半导体制冷，尽管把它运用到LED灯中会增加耗能和成本，但就目前半导体已经逐步由军用向民用过渡的得以使用，越来越多的场合都能见到其生影，再者其对环境不污染，备受呼吁保护环境的人们所推崇，半导体制冷运用到LED灯中实现“绿色照明”将会越来越受到关注。
二、影响大功率LED灯具寿命主要因素
1.空气自然对流。空气自然对流原理是使用自然对流来散失热量达到制冷效果。
该方式热系数低，功率小，在小型半导体制冷器中常被应运，如图图1所示。此方法具有使用方便，噪音小的优点。它的缺点是体积大，散热差。
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图1空气自然对流散热系统
2.空气强迫对流散热。空气强迫对流散热原理是在散热片底部安装散热风扇，风扇接对应功率的电源，当风扇通电后，整个系统被强迫通风，这样使得对流的换热系数大幅度地提升。其优点是传热效果较好，且与开启自然对流散热系统在一样的工作条件工作环境时，所需的散热片显著地减少。它的缺点是外加了风扇及风扇电源，散热器结构相对比较复杂。
3.水冷散热。水冷散热系统原理是利用水的特性来对热电堆端的热量进行散热，其结构如图3所示，在热电堆端放置密封好的冷却水。它的优点是换热效率高，换热系数显著地上升，散热较好，整个结构尺寸更加的紧密。
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图3水冷散热系统
4.相变换热。相变换热是通过运用熔化潜热方式和汽化潜热方式来使热量传递到外界的。它的原理是当介质从外界获得足够多的热能时，当它的温度超过它的熔点或沸点时，其就会发生相变，会出现熔化潜热或汽化潜热的效应，这样就可以不断的进行散热。
三、半导体制冷技术应用到大功率LED灯的可行性分析
1.半导体制冷装置与大功率LED灯的耦合构想。设计构想主要是搭建实验电路，把半导体制冷技术运用到大功率LED灯，对实验电路进行数据测量，探索分析半导体制冷技术运用到大功率LED灯的特性和优缺点。论文设计的实验电路主要包括半导体制冷技术组件、大功率LED组件、数据测试组件。
2.冷负荷计算。物体温度有高有低，热传递就是基于温度差而产生的热量传递过程。带有金属散热器的大功率LED灯具热传递有三种方式，即热对流、热传导和热辐射。
（1）热传导。热传导是LED结温区所产生的热能经过各个传热层转移到外部散热器的主要形式。根据传热理论，热量会不断从温度高的地方流向温度低的地方，而在这个过程中其满足热能量平衡，满足有内热源的三维稳态导热方程。（2）热对流。当流体与它流经固体表面或流体内部存存在在温差时候，所产生热量转移过程成为热对流。流体内部的密度梯度会随着温度梯度的变化而变化，它在重力的作用下会产生自然对流现象。如图4所示为金属散热器大功率LED灯具散热的示意图，它主要通过热对流、热传导和热辐射三种方式进行传热。本论文本假设热对流、热传导能够完全地把LED芯片里产生的热全部导出到LED散热器中，忽略热辐射的影响的情况下对进行冷负荷计算。50w的LED灯，如果其电能转化为光能为30%，有70%的热全部导出到散热器中，则需散热器至少持续有35W的散热能力，才能保证LED灯结温不升高而处于正常工作的状态。本实验采用半导体制冷片作为制冷的基本原件，半导体制冷片一般是由几个到数百个的P-N结通过串联的方式焊接在两个陶瓷板之间制成的。论文设计所采用的制冷片最大制冷量可达到60W，选用的大功率LED灯功率是10W和50W，其产热量只有7W和35W，故而半导体制冷片的制冷能力完全能有效的把大功率LED灯产生的热量传递出去，通过理论分析，半导体制冷技术运用到大功率LED灯上是存在可能性的。
总之，分析得到半导体制冷技术运用到大功率LED灯的基本规律,即在不同的温度下，半导体制冷片输入相同的功率，对LED灯结温的优化量不一定一样；在同温度下，半导体制冷片输入不同的功率，LED灯结温的优化量不一样；要想得到最优的结温优化量，需分别对每个温度点输入不同的最大优化结温对应的功率才可以达到。
参考文献：
[1]刘军.优化设计提高LED灯具寿命.2017.
[2]张德森.半导体制冷技术在大功率LED灯中的应用.2019.
论文作者:杨宏伟
论文发表刊物:《中国电业》2019年第21期
论文发表时间:2020/4/15
标签：半导体论文; 热量论文; 功率论文; 温度论文; 散热片论文; 热传导论文; 研究人员论文; 《中国电业》2019年第21期论文;