優(yōu)化能源轉換效率HV LED將“大敗”DC驅(qū)動LED

　　目前主流LED照明應用，仍以直流(DC)驅(qū)動LED為大宗，實際上對終端使用者的應用環(huán)境觀察，照明燈具超過9成是以連接市電(AC)交流電驅(qū)動發(fā)光為主，燈具使用DCLED勢必需經(jīng)由AC/DC轉換能源后驅(qū)動燈具照明，這對燈具不僅增加了應用成本，也增加了產(chǎn)品的復雜度，能源轉換效率亦影響整體節(jié)能效益，HVLED需求與效益逐漸受到重視…

　　目前使用最廣泛的LED照明應用，多數(shù)仍是以DCLED為主，然而LED想在發(fā)光輸出強化，即必須增加驅(qū)動電能功率、增加偏壓，而DCLED在驅(qū)動電壓、電流有一定程度上限，因此導致市電需先透過AC-DC電路轉換成DCLED所需驅(qū)動電壓后，才能驅(qū)動LED光源應用于照明用途。也因為DC-LED的驅(qū)動電壓小，市電轉換后會有一定程度損耗，能源轉換效率也會因此偏低，進而導致燈具的整體使用效益受影響。尤其是DC-LED所必需的AC-DC轉換電路或整流器，會讓燈具或是替換用之LED球泡燈、板燈等照明產(chǎn)品增加額外物料成本，同時為了壓低燈具成本也只能用低成本AC-DC轉換電路，這也使得用于照明光源的AC-DC轉換電路的轉換效率偏低的問題關鍵。

　　圖為可支持50伏特、60mA驅(qū)動之HVLED，HVLED可簡化驅(qū)動電路設計，讓燈具壽命更長。

　　驅(qū)動電源設計影響LED照明應用效益

　　為改善DCLED的使用限制，業(yè)界也針對此發(fā)展了高電壓的LED產(chǎn)品，這類產(chǎn)品甚至可在元件端直接以市電(AC)進行直接驅(qū)動，照明光源少了AC-DC轉換電路，等于省下驅(qū)動電路的物料成本，也由于AC直接驅(qū)動，能源轉換效率亦可大幅提高，發(fā)光效率部分則視設計差異，一般均有較同功率產(chǎn)品更佳的發(fā)光效率。

　　先檢視傳統(tǒng)照明光源的使用情境，在傳統(tǒng)照明設計中，發(fā)光效率以螢光燈燈管的能源-光效率轉換最高，螢光燈管至少都有60～70lm/W表現(xiàn)水平，但螢光燈管的驅(qū)動電路如電子安定器、驅(qū)動電壓轉換電路等會產(chǎn)生約15～20%的能源轉換損耗，而燈管為周光散射型光型，燈管上緣的光輸出仍需經(jīng)燈具反光板折射，光效率損耗也會有約40%耗損，檢視整體光源使用情境觀察，螢光燈管燈具的發(fā)光效率約僅達到30～35lm/W水平。

　　再檢視DCLED直流驅(qū)動LED的光效率表現(xiàn)，一般LED光源的光效率可達到130～150lm/W水平，前文提到DCLED必備的AC-DC能源轉換電路會產(chǎn)生約30%能源轉換耗損，而與螢光燈管的發(fā)光光型不同的是，貼片型的LED元件發(fā)光光型為扇形輸出，若是吸頂型燈具來說根本不需要利用反光燈照改善光型限制，對常規(guī)照明應用來說光輸出幾乎沒有浪費，DCLED照明光源的能源轉換效率明顯優(yōu)于螢光燈管照明，但期間驅(qū)動能源轉換耗損部分若能有效改善，將可讓整體產(chǎn)生的節(jié)能效益發(fā)揮更高。

　　HVLED燈具之能源利用率相當高

　　若以現(xiàn)有的HVLED高壓LED技術產(chǎn)品觀察，目前在以市電110V或是220V直接驅(qū)動操作已不成問題，相關技術逐漸成熟，功率因素(PF)可達90%以上，能源利用率也能高達95%，單顆元件可以抵上數(shù)顆DCLED集成燈具產(chǎn)品，不僅優(yōu)于傳統(tǒng)光源燈具甚多，也較目前主流DCLED具更多技術導入綜效，為未來照明光源主流趨勢。

　　另HVLED環(huán)境照明用光源產(chǎn)品，目前在照明應用市場中主要有有機發(fā)光二極管(OLED)、被動式有機發(fā)光二極管(PLED)、DCLED和ACLED等競爭技術環(huán)伺，OLED與PLED具備可利用低直流電壓偏壓驅(qū)動、發(fā)光面均勻、光效率達80lm/W、60lm/W，一般市場以用于顯示器與背光源應用較多，但發(fā)光效率仍無法與LED相抗衡，DCLED為以直流電源驅(qū)動的發(fā)光元件，元件特性具備體積小、效率高等優(yōu)點，目前已廣泛使用于顯示器、車用電子、生活照明等應用領域。

　　LED雖具高使用壽命但卻受驅(qū)動電路壽命限制

　　需注意的是，DCLED的最長使用壽命雖在理論可高達30，000小時，但實際在AC-DC電源轉換電路的平均使用壽命僅5，000小時上下，DCLED光源產(chǎn)品多半會在LED為失效前先因為轉換電路故障而使產(chǎn)品失效。至于AC-DC變壓與驅(qū)動電路，也會增加LED光源模塊設計困擾，例如產(chǎn)品體積需塞入變壓電路，產(chǎn)品也不適合制作中/高功率LED光源產(chǎn)品。ACLED為針對DCLED問題改善的進階設計，為利用晶粒排列與串接，制作不需AC-DC轉換電路可直接市電驅(qū)動的光源產(chǎn)品，產(chǎn)品功率因數(shù)可以高達80%以上，電源使用效率也超過90%以上。HVLED為由ACLED技術延伸擴展的應用設計技術，利用LED晶粒單向的串接連接制程搭配對應的橋式整流元件(AC-DC)，就能讓HVLED可直接在市電(交流電)使用情境下運行，有功率因數(shù)高、電源效率高與驅(qū)動電路極為簡單等優(yōu)點，同時還具備LED高發(fā)光效率與更高的產(chǎn)品使用壽命優(yōu)點。

　　HVLED與DCLED制程相近多數(shù)業(yè)者已擴展產(chǎn)品線

　　仔細觀察HVLED與DCLED之間的差異，主要是制程中多晶粒間的絕緣設計差異，DCLED為單晶粒或是部分多晶粒方式集成，但集成難度均遠低于HVLED要求，而HVLED為利用多晶粒串接整體內(nèi)部電子回路運行關鍵在于，LED晶粒間的絕緣電性表現(xiàn)穩(wěn)定，才能使HVLED在使用時的元件表現(xiàn)正常，這部分絕緣的設計要求，多數(shù)HVLED制程會利用具較佳絕緣電性的藍寶石基板搭配蝕刻制程制作。即便絕緣特性為HVLED制程關鍵，但實際上蝕刻溝槽也會相對使單位晶?？砂l(fā)光面積減少，為了增加絕緣電性勢必需將溝槽設計得較寬，但單一元件能置放的晶粒就會受限，若利用較細窄的蝕刻溝槽改善LED的發(fā)光面積，但過窄細的蝕刻槽也會影響晶粒間的絕緣電性，制作難度高。

　　另外HVLED的介電材料制法也是制程關鍵處，因為較窄細的絕緣溝槽，會讓金屬蒸鍍制法的材料不容易進入溝槽之中，形成元件內(nèi)部的金屬導電薄膜產(chǎn)生的厚度或是連續(xù)性造成影響，直接影響制程產(chǎn)品良率。此外，提升介電材料制程的良率表現(xiàn)，目前也有相當多種制程手法選擇，例如將絕緣槽的蝕刻方式改變，蝕刻成較易讓蒸鍍氣體或是氣相沉積制程更容易進入溝槽的形狀改善，如使用溝槽開口較大梯形槽體就是相當常見的制程改善手段，而使用梯形槽體的絕緣槽設計，其實也有利于LED晶粒的光輸出效益。同時，也是為了改善整體光輸出效率，用于連接晶粒的金屬線體，在線體設計也需要針對更低的光遮蔽性與低阻抗問題，也能改用透明之金屬氧化物制作導線材料，改善LED的發(fā)光效率表現(xiàn)。