摘要：随着发光二极管技术材料的突破，大功率LED正在逐渐取代传统的大功率照明灯具，但是随着不断增加的LED芯片功率，导致热量集中在LED芯片处，造成LED芯片效率的降低，大功率LED日益提高的散热要求已经很难以用传统的散热手段来满足了。本文主要研究了热电制冷效应在大功率LED上可行性，使用四种不同型号的热电制冷片对LED芯片进行了散热性能的测试，计算热阻，并且利用Pro/E建立其结构模型，并利用FloEFD进行热学模拟。主要采用改变散热器大小、改变热电制冷片功率的方法，对设计模型进行优化设计，得到散热效果好的大功率LED结构模型。以及提出了一种100W大功率LED结合热电制冷片的设计，并对其进行模拟分析。结果表明：热电制冷对于灯具的散热有很高的可行性，使用热电制冷片可以使LED的结温有效降低约8%的温度，降低量约为25℃，是未来LED散热技术的主要研究方向。

关键词： 大功率LED；热电制冷；热管理

The Study and Design of High Power LED with Thermoelectric Refrigeration

Abstract: With the breakthrough of LED technology materials, high-power LED is gradually replacing the traditional high-power lighting fixtures. But with the increse of the power of LED chips, The increase of the temperature in the chip may cause the rise of temperature in the chip, and the heat is concentrated at the LED chip, resulting in the reduce of the efficiency. This paper mainly studies the feasibility of thermoelectric cooling effect on high-power LED. Four types of thermoelectric cooling chips are used to test the heat dissipation performance of LED chips, calculate the thermal resistance, and use Pro/E to establish the structural model and use it. FloEFD performs thermal simulations. The method of changing the size of the heat sink and changing the power of the thermoelectric cooling plate is mainly used to optimize the design model, and a high-power LED structure model with good heat dissipation effect is obtained. A design of a 100W high power LED combined with a thermoelectric refrigeration chip was proposed and simulated. The results show that thermoelectric refrigeration has high feasibility for the heat dissipation of lamps. The use of thermoelectric cooling sheets can effectively reduce the junction temperature of LEDs by about 8%, and may become the main research direction of LED heat dissipation technology in the future.

Keywords: High power LED； Thermoelectric refrigeration；Thermal management

目录

摘要 ii

Abstract iii

目录 iv

1 绪论 1

1.1 项目研究的目的及意义 1

1.2 大功率LED散热的现状 1

1.2.1 风冷散热 2

1.2.2 液冷散热 2

1.2.3 化学制冷 3

1.2.4 热电制冷 3

1.3 应用热电制冷的大功率LED研究进展 3

1.4 本文主要研究内容 6

2 热电制冷原理概述 7

2.1 塞贝克效应 7

2.2 珀尔帖效应 8

2.3 汤姆逊效应 8

2.4 小结 10

3 大功率LED的设计及性能测试分析 11

3.1 总体构思 11

3.2 实验平台 11

3.3 结果分析 14

4 大功率LED的建模与数据分析 17

4.1 实验构思 17

4.2 对实验对象进行建模计算 17

4.3 模拟不同规格尺寸散热器测试散热性能 25

4.4 小结 30

5 分析热电制冷在LED中的应用 32

6 结论 35

致谢 36

参考文献 37

1 绪论

1.1 项目研究的目的及意义

LED自从其1962年问世以来，便成为科学家们致力于研究的对象，到1993年蓝光LED的问世，使得LED发白光的梦想变得不再遥不可及，LED因此被称为第四代光源，变得炙手可热。LED最为人津津乐道的就是它节能性以及长久的寿命了。但是，因为现在LED的功率越做越大，也不免产生了许许多多的问题。

大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。LED在工作期间，电流在二极管中流动，会产生热量。大功率LED需要消耗更大的电功率以驱动LED，导致电流的高密度，造成节点温度升高，从而给LED带来量子效率降低、峰值波长偏移、使用寿命缩短等问题。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等，制约了LED的普及及应用。