綜述AC直接驅動LED光源技術

LED光源作為綠色、節(jié)能、省電、長壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關注、如火如荼地迅速發(fā)展。目前的LED光源是低電壓(VF=2→3.6V)、大電流(IF=200→1500mA)工作的半導體器件，必須提供合適的直流才能正常發(fā)光。直流(DC)驅動LED光源發(fā)光的技術已經越來越成熟，由于我們日常照明使用的電源是高壓交流(AC 100～220V)，所以必須使用降壓的技術來獲得較低的電壓，常用的是變壓器或開關電源降壓，然后將交流(AC)變換成直流(DC)，再變換成直流恒流源，才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅動LED光源的系統(tǒng)應用方案必然是：變壓器+整流(或開關電源)+恒流源(圖1)。LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個模塊，但是對于E27標準螺口的燈具來說空間十分有限，很難安置。無論是經由變壓器+整流或是開關電源降壓，系統(tǒng)都會有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉換時約15%～30%的電力被損耗，系統(tǒng)效率很難做到90%以上。如果能用交流(AC)直接驅動LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應用方案將大大簡化，系統(tǒng)效率將很輕松地達到90%以上。

　　圖1 直流驅動LED光源的系統(tǒng)應用方案

韓國漢城半導體公司即今天的首爾半導體早在2005年已發(fā)明可以用交流直接驅動使其發(fā)光的AC LED，其次是美國 III-N Technology，3N技術開發(fā)MOCVD生長技術基礎上的氮化鎵襯底，可以增進照明和傳感器的應用，并降低成本和提高生產效率。對大大小小的硅發(fā)光二極管提供6英寸生產技術。3N發(fā)明的單芯片交流發(fā)光二極管(AC LED) ，建立了全面的專利組合，以保護和改善技術，牢固地確立其專有的立場，是首屈一指的大規(guī)模商業(yè)化生產的交流發(fā)光二極管產品。我國臺灣省“工業(yè)技術研究院”2008年也完成可產業(yè)化生產并有實際應用系統(tǒng)方案的AC LED產品，可直接插電于60Hz或更高頻率的AC 110V 交流壓使其交流發(fā)光，應用于指示燈、霓虹燈、低瓦數(shù)照明燈，能有效解決現(xiàn)有 LED 無法直接在交流源下使用，造成產品應用成本較高的缺點。臺灣工研院的On Chip AC LED(片上AC LED)因此獲得素有美國產業(yè)創(chuàng)新奧斯卡獎之稱的2008年RD 100 Award大獎?，F(xiàn)在全世界只有美國、韓國與中國臺灣有此技術，臺灣工研院開發(fā)出白光、藍光及綠光AC LED的制程技術，不僅與國際同步，也是全球領先者之一。

AC LED燈具的優(yōu)點

與白熾燈、鹵素燈、熒光日光燈、熒光節(jié)能燈、直流LED燈相比，AC LED燈具有更節(jié)能省電、更長壽、更有能效的高性價比。AC LED發(fā)光省去了成本不菲的AC/DC轉換器和恒流源。交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較如表1所示。

　　表1 交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較
　　

AC LED光源超細晶粒采用特殊交錯的矩陣排列

AC LED光源的重大技術突破是超細LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術，同時利用LED PN結的二極管特性兼作整流，半導體制程在其中扮演著相當重要的角色。AC LED通過半導體制程整合成一堆微小晶粒，采用交錯的矩陣式排列工藝，并加入橋式電路至芯片設計，使AC電流可雙向導通，實現(xiàn)發(fā)光。?晶粒的排列如圖2所示，左圖是AC LED晶粒采用交錯的矩陣式排列示意圖，右小圖是實際AC LED晶粒排列照片，AC LED晶粒在接上交流后通體發(fā)光，因此只需要二根引線導入交流源即能發(fā)光工作。

　　圖2 AC LED晶粒排列照片與示意圖

AC LED光源的工作原理

AC LED光源的工作原理如圖3，將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝均分為五串，AC LED晶粒串組成類似一個整流橋，整流橋的兩端分別聯(lián)接交流源，另兩端聯(lián)接一串LED晶粒，交流的正半周沿藍色通路流動，3串LED晶粒發(fā)光，負半周沿綠色通路流動，又有3串LED晶粒發(fā)光，四個橋臂上的LED晶粒輪番發(fā)光，相對橋臂上的LED晶粒同時發(fā)光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發(fā)光。在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點亮。整流橋取得的直流是脈動直流，LED的發(fā)光也是閃動的，LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結果人眼對LED光源的發(fā)光+余輝的工作模式解讀是連續(xù)在發(fā)光。LED有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發(fā)熱得以減少40%～20%。因此AC LED的使用壽命較DC LED長。

　　圖3 AC LED光源的工作原理

AC LED成熟的產品如首爾用于AC110V的AX3201、AX3211和用于220V的AX3221、AX3231。用于AC110V功率在3.3W～4W，工作電流40mA;用于AC220V功率在3.3W-4W，工作電流20mA(圖4)。LED晶粒直接邦定在銅鋁基板上。引腳如圖5所示。

　　圖4 首爾半導體的AC LED

　　圖5 AC LED引腳圖

AC LED的典型應用技術

AC LED的典型應用電原理圖如圖6所示十分簡單，在AC LED兩端分別串入正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可進入照明工作。

LED在大批量生產時，其阻抗有一定的離散性，AC LED也如此，為便于下游廠家的大批量應用，LED光源生產廠商在出廠時對批量生產的產品按阻抗分檔，客戶在使用時可按LED光源廠家提供的VF分檔表查用相應阻值的限流電阻，如表2所示是AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表。

　　圖6 AC LED的典型應用電原理圖

　　表2 AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表

AC LED的發(fā)展

AC LED在家用電力上的方便性，不需要像DC LED一樣另外得幫燈具裝上一個交流轉直流的轉換器，不但節(jié)省了這顆轉換器的成本，也避免LED光源本身還沒壞，但轉換器卻先壞掉的窘境。交直流轉換器可說是一種隨著時間會老化、壞掉的電子元器件，其壽命比LED光源本身更短，故目前很多LED燈具壞掉，并不是LED光源壽命已盡，而是LED燈具使用的交直流轉換器先壞掉了。AC LED還有一個特性，就是因為其工藝采用交錯的矩陣式排列，是輪流點亮的，在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點亮，也讓AC LED的使用壽命較DC LED長。

不過，AC LED現(xiàn)階段有兩個缺點，其一是發(fā)光效率并沒有DC LED高，這是因為DC LED發(fā)展目前是主流，AC LED剛剛起步，AC LED的發(fā)光效率是可以追上，甚至超過DC LED的。其二是AC LED有觸電的風險。故AC LED如果要應用在LED照明燈具上，應避免金屬鰭片的裸露，而應是間接地把熱帶走，這也就是發(fā)展新的充液LED固態(tài)照明燈具的設計核心概念。

AC LED剛剛步入成長期，目前在發(fā)光亮度、功率等方面還不夠理想，但AC LED的應用簡便、無需變壓轉換器和恒流源，以及低成本、高效率已顯現(xiàn)強大的生命力。AC LED的技術在飛躍發(fā)展，要不了幾年，高亮度、大功率、低成本的產品將大量面世