高壓LED詳解

最近很多網(wǎng)站都大肆報(bào)道一種“高壓LED”，認(rèn)為它是一種全新的LED品種，而且具有很多優(yōu)點(diǎn)，甚至認(rèn)為它將使“今天的低壓LED將淡出未來的LED通用照明市場”而高壓LED將“主導(dǎo)未來的LED通用照明”，真的是這樣嗎?

我們知道，LED的中文是“發(fā)光二極管”，它從根本上來講只是一種“二極管”。而且是工作在正向的二極管。過去只有高反壓二極管，那是指高的反向擊穿電壓。如果工作在正向的話，那么一定是電壓越高，電流越大。可是這種高壓LED的最大特點(diǎn)卻是高電壓、小電流。那又是怎么一回事呢?

一. 什么是高壓LED

再仔細(xì)了解一下，原來它只是很多20mA的小功率LED串聯(lián)起來，變成了所謂的高壓LED。把很多小功率LED串聯(lián)起來并不是什么新鮮事，其實(shí)在很多燈具里早就這樣用了。唯一不同的是過去燈具廠商都是把已經(jīng)封裝好了的小功率LED串聯(lián)起來。例如圖1就是上海龍興公司將80顆表面貼裝的0.1W小功率 LED全部串聯(lián)起來以得到高電壓小電流的特性，用于LED球泡燈中

現(xiàn)在則是由LED生產(chǎn)廠家提供一種串聯(lián)好了的小功率LED，并把它稱之為“高壓LED”而已。它只是集成LED中的一種。其實(shí)過去早就有各種集成的 LED，以不同數(shù)量的LED串并聯(lián)起來，得到各種不同功率和電壓的LED?？梢哉f最早是美國的普瑞(Bridgelux)公司就已經(jīng)推出了這種集成LED 了。也就是把很多小功率LED在基板上就串并聯(lián)起來，以得到一顆大功率LED。他們稱之為LED陣列，例如他們在2009年推出的一顆30W的LED陣列 BXRA-C2000實(shí)際上是把25個(gè)1W的LED在芯片上5并5串而得來，其尺寸為25.3x22.3mm發(fā)光面的直徑為17.5mm(圖2)，正向電壓16.6V，正向電流1.75A，熱阻0.5°C/W

高壓LED和這種集成LED的主要差別在于高壓LED是全部串聯(lián)，而集成LED則是串并聯(lián)。集成LED的特點(diǎn)是在一個(gè)大晶片上采用開槽的方法，將其切割成為很多小的LED，溝槽的深度約在4-8μm，溝槽不能太寬以免減小發(fā)光面積。在開出溝槽以后，為了敷設(shè)連接各個(gè)LED的導(dǎo)線，還要用絕緣層把這些溝槽填平，再按照串聯(lián)或并聯(lián)的要求而敷上相應(yīng)的鋁線。

二.高壓LED的性能指標(biāo)

只查到幾種電壓并不太高的HV LED。其指標(biāo)如下表所示：其中并沒有他們宣傳的耐壓50V的高壓LED。看來真正的高壓LED也還沒有成熟。所以也無從進(jìn)行定量的比較。

三. 高壓LED的優(yōu)缺點(diǎn)

那么我們來看一下到底這種高壓LED有何優(yōu)缺點(diǎn)。

1. 功率耗散和散熱器大小：有的報(bào)道宣稱1W的高壓LED的電壓為50V，電流為20mA;而普通低壓的1W LED電壓為3V，電流為350mA，所以“同樣輸出功率的高壓LED在工作時(shí)耗散的功率要遠(yuǎn)低于低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。” ，這個(gè)說法顯然是不成立的。耗散功率的大小主要由LED的發(fā)光效率決定，而不是由其標(biāo)稱功率決定。標(biāo)稱功率不等于輸入功率。如果要決定散熱器的大小，應(yīng)當(dāng)是在同樣的發(fā)光效率來計(jì)算。通常認(rèn)為對(duì)于目前100lm/W的發(fā)光效率來說，其真正的電光效率(就是由電能變成光能的效率)只有30%左右，就是只有30%的電能轉(zhuǎn)換為光能，其余的70%的電能都轉(zhuǎn)換為熱能而需要經(jīng)過散熱器散去。所以對(duì)于具有同樣發(fā)光效率的1W高壓LED和普通低壓LED來說，其變成熱能的部分都是 0.7W，需要通過散熱器散去。所以這種高壓LED所需要的散熱器大小在同樣的輸入功率和同樣的驅(qū)動(dòng)電源效率的情況下是不會(huì)有什么差別的。

2. AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率：在同文中認(rèn)為“輸入和輸出壓差越低，AC到DC的轉(zhuǎn)換效率就越高”。該文還認(rèn)為因?yàn)?20V輸入時(shí)，高壓LED只要4個(gè)串聯(lián)就是 200V，和220V只差20V。而用低壓LED，即使是10個(gè)串聯(lián)正向壓降也只有30V，和220V相差很大。所以“如采用高壓LED，變壓器的效率就可以得到大大提高，從而可大幅降低AC-DC轉(zhuǎn)換時(shí)的功率損失，這一熱耗減少又可進(jìn)一步降低散熱外殼的成本。” 實(shí)際上做過AC/DC恒流驅(qū)動(dòng)的人都知道，AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率幾乎是和最后的輸出電壓沒有什么關(guān)系。可能變壓器次級(jí)的電流大了會(huì)增加一些銅損，但是這是很小的，還不至于影響到散熱器的設(shè)計(jì)。真正影響AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率的因素還有很多，例如非隔離的轉(zhuǎn)換器效率就比隔離型轉(zhuǎn)換器的效率要高很多(因?yàn)橥ǔ７歉綦x轉(zhuǎn)換器根本就不用變壓器，只要采用了變壓器，不管變比是多少，都會(huì)大大降低效率);此外，隔離型反激式的輸出整流二極管的損耗也會(huì)影響效率，為了提高整流二極管的效率最好采用肖特基二極管，而如果輸出是200V高電壓，那么是很難買到這種高壓肖特基二極管，即使買到其價(jià)格也是很高的，如果采用同樣低效的普通整流二極管，那么其效率也不可能提高。。所以認(rèn)為輸出電壓高，可以大大降低轉(zhuǎn)換器的功率損失，甚至也能降低散熱器的成本的說法也是不確切的。

3. “高壓LED減小了LED的面積”，的確如此。例如：對(duì)于一個(gè)36W的LED，如果采用36個(gè)1W的LED那么就會(huì)占據(jù)很大的面積，而如果做一個(gè)集成的 36W高壓LED，那么就只要很小的面積(圖3)。這個(gè)看上去是優(yōu)點(diǎn)，但如果從散熱的觀點(diǎn)來看就未必是優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榧偃缍叩陌l(fā)光效率相同的話，那么它們將要散發(fā)的熱量是相同的。而在一個(gè)很小的面積里要散發(fā)出大量的熱量，這在散熱器的設(shè)計(jì)中將是一個(gè)大難題。

實(shí)際上，集成LED的生產(chǎn)廠商已經(jīng)注意到這個(gè)問題，而且做了很多改進(jìn)。首先是減小其熱阻。一般的1WLED的熱阻大約在6-9°C/W，而集成LED 的熱阻可以減小到2°C/W甚至更小。其次它的背板改用紫銅，以改進(jìn)其導(dǎo)熱。然而這些措施并不能從根本上改善小面積高熱量這個(gè)基本狀況。為了快速地將熱量導(dǎo)出，唯一的辦法是采用熱管。而這反而會(huì)增加散熱器的成本。同樣，由于高壓LED的底板采用了紫銅，那么和它直接接觸的散熱器部分也必須采用紫銅而不能采用鋁，因?yàn)槎叩呐蛎浵禂?shù)不同，直接接觸會(huì)產(chǎn)生縫隙而影響導(dǎo)熱。如果采用紫銅散熱器就會(huì)增加成本。所以這種高壓LED不僅不會(huì)降低散熱器的成本，反而會(huì)增加散熱器的成本。

4. “高壓LED可以根本不需要變壓器”。在不少的報(bào)道中都把高壓LED和AC-LED相提并論。所以認(rèn)為高壓LED可以根本不需要恒流電源(圖4)。

我們知道首先并不是只有高壓LED和AC-LED可以不用恒流源，而所有LED也都可以不采用恒流源，只是不用恒流源以后都會(huì)使LED的使用壽命大大降低。這是因?yàn)橛捎贚ED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)，使得LED的正向電流隨著LED的溫升而增高，從而使得LED的結(jié)溫升高，而降低了LED的壽命，高壓 LED也不例外。

所以這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不成立的。用犧牲壽命的方法來降低成本，好像并不是一種好方法。因?yàn)榧俣ū緛砜梢怨ぷ魑迦f小時(shí)，現(xiàn)在變成只有2.5萬小時(shí)，那對(duì)于用戶來說，豈不是使用成本提高了2倍。遠(yuǎn)比省下一個(gè)恒流源要貴很多。

5. 發(fā)光效率的高低：據(jù)稱，臺(tái)灣晶元光電將于今年推出發(fā)光效率高達(dá)160lm/W

這個(gè)數(shù)據(jù)在當(dāng)前來說的確是相當(dāng)高的，但是提高發(fā)光效率的手段有很多，它并不是高壓LED的特點(diǎn)。只是應(yīng)用到這種高壓LED而已。如果應(yīng)用到普通LED也是可以提高發(fā)光效率的。當(dāng)然，如果這個(gè)高壓LED真的有這么高的發(fā)光效率，那的確是一個(gè)很好的LED，比起那些100lm/W的LED，當(dāng)然可以減小散熱器的大小。不過Cree公司也在今年1月宣布了其低壓LED(XLamp XM-L，2.9V，350mA)的發(fā)光效率也可以高達(dá)160lm/W(圖6)，也可以減小散熱器的大小，因?yàn)樯崞鞯拇笮≈皇呛桶l(fā)光效率有關(guān)，和低壓 LED還是高壓LED并沒有什么關(guān)系。

6、成本低，一個(gè)50V，20mA的高壓LED的售價(jià)是不是能夠低于1個(gè)3.3V，350mA的1W LED或者10個(gè)3.3V，30mA的小功率LED，并不清楚。假如能夠低于，那么當(dāng)然是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。至少10個(gè)已經(jīng)封裝好了的30mA的小功率LED的價(jià)錢的確是比一個(gè)1W大功率LED為便宜。所以這也是為什么很多燈具廠商選用很多小功率LED串聯(lián)來取代一個(gè)大功率LED的原因之一。

四.高壓LED和分立小功率LED的比較

目前可以和高壓LED相比較的就是分立小功率LED了。如前所述，高壓LED是集成LED的一種，而小功率分立LED也可以串聯(lián)起來得到和高壓LED完全一樣的外特性。二者比較的結(jié)果如下：

1、分立LED的優(yōu)點(diǎn)是靈活性比較強(qiáng)，用戶可以根據(jù)需要串聯(lián)任意個(gè)數(shù)的LED以得到所需的伏安特性。也可以進(jìn)行串并聯(lián)得到更為靈活的特性。
2、分立LED的發(fā)光面可以在一定范圍里調(diào)節(jié)(增大)，以使發(fā)光均勻，減小眩光。
3、分立LED的散熱面積比較大，容易分散熱量，簡化散熱器的設(shè)計(jì)。
4、集成高壓LED減小了封裝成本。
5、集成高壓LED減少了元件數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)，提高了可靠性。

總之，高壓LED不失為一種具有特點(diǎn)的LED，它可以增加使用者的選擇。但并不如某些媒體的宣傳那樣，會(huì)取代所有的低壓LED，更何況，由太陽能供電的燈具系統(tǒng)里，本來就是低壓直流的電源，當(dāng)然也就會(huì)直接采用低壓直流的LED了。所以各種LED都會(huì)存在，只是供給不同的場合罷了。