摘要：介紹了一種新的 綠色光源—AC LED，分析了其結構特點和工作原理，指出了其相對于傳統DC LED的優點，并介紹了其應用和發展前景。
關鍵詞：AC LED，光源，照明
0 引言
以高效節能、綠色環保、長壽命為特點的新興LED照明技術如今正在加速發展，應用中的新技術、新方案也不斷涌現。LED 照明設計可結合光源特性，如光源指向性、冷光源及色彩變化等，必將將成為照明市場主流。近年來，隨著 LED 在材料選取、晶粒制程、封裝架構設計技術等方面的研究不斷進步，一種新的交流發光二極管（ AC LED ）技術應運而生，通過一種新的思路，推動了 LED照明技術的實用化。
1 傳統LED照明技術及其不足
傳統的LED是典型的低壓直流器件，無法直接在我們日常照明使用的電源是高壓交流（AC 100～220V）下使用，必須經過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，才能供LED光源使用。
因此在LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個變換器，不利于照明燈具的設計和小型化。而且系統經過的變換環節，能量必然有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉換時約15%～30%的電力被損耗，系統效率很難做到90%以上。如果能用交流（AC）直接驅動LED光源發光，系統應用方案將大大簡化，系統效率將很輕松地達到90%以上。變換裝置的存在造成了傳統LED照明產品成本較高的重要因素，也成為制約LED光源產品壽命的瓶頸，無法體現LED長壽命的特點。
2 AC LED的原理和特點
2.1 AC LED的結構組成
AC LED是相對于傳統的DC LED來說，無須經過AC/DC轉換，可直接插電于220V（或110V） 交流電使用的 LED 照明技術。AC LED光源的技術關鍵是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，通過半導體制作工藝將多個晶粒集成在一個單芯片上，即高功率單晶粒（single power chip）LED 技術，并采用交錯的矩陣式排列工藝組成橋式電路，使AC電流可雙向導通，實現發光。晶粒的排列如圖1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光，因此只需要二根引線導入交流源即能發光工作。
圖1 AC LED晶粒封裝示意圖
2.2 AC LED的工作原理及特點
AC LED光源的工作原理如圖2所示，由LED微晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝組成5個橋臂，組成類似一個整流橋，整流橋的兩端分別聯接交流源，另兩端聯接一組LED晶粒，交流的正半周沿實線流動，3個橋臂的LED晶粒發光，負半周沿虛線流動，又有3個橋臂的LED晶粒發光，四個橋臂上的LED晶粒輪番發光，相對橋臂上的LED晶粒同時發光，中間橋臂的LED晶粒因共用而一直在發光。
圖2 AC LED光源的工作原理
在50Hz（60Hz）的交流中會以每秒50（60）次的頻率輪替點亮。整流橋取得的直流是脈動直流，LED的發光也是閃動的，LED有斷電余輝續光的特性，余輝可保持幾十微秒，而人眼對流動光點記憶是有惰性的，所以感覺不到光的閃動。LED有一半時間在工作，所以發熱得以減少40%～20%。其使用壽命較DC LED長。
AC LED 體積小，可應用于工業及民用小型指示燈；高壓低電流導通優點克服了使用 DC LED 時，線路高損耗造成需依賴電源供應器接續的問題；而且雙向導通，藍綠光 LED 無靜電擊穿 ESD 問題；使用微晶粒技術大幅提高發光效率；由于功率因數提高與低電流控制，對于一般照明產業及 LCD 背光面板產業，更是一項實用化新技術。
3 AC LED的發展及典型產品
韓國漢城半導體公司即今天的首爾半導體早在2005年已發明可以用交流電直接驅動使其發光的 AC LED，其次是美同III-N Technology，3N技術開發 MOCVD生長技術基礎的氮化鎵討底，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。對大大小小的硅發光二極管提供6英寸生產技術。3N發明的單芯片交流發光二極管(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，是首屆一指的大規模商業化生產的交流發光二極管產品。臺灣工業技術研究院2008年也完成可產業化生產并有實際應用系統方案的AC LED產品，可直接插電于 60Hz或史高頻率的AC 110V交流電壓使其交流發光，應用于指示燈、霓虹燈、低瓦數照明燈，能有效解決現有 LED無法直接在交流電源下使用 ，造成產品應用成本較高的缺點。臺灣工研院的On Chip AC LED因此獲得素有美曰產業創新奧斯卡獎之稱的 2008年R&D 100 Award大獎。現在全世界只有美國、韓國 臺灣工研院有此技術，臺灣工研院開發出白光 、藍光及綠光 AC LED制程技術不僅與國際同步 ，也是全球領先者之一。
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3）。LED晶粒直接封裝在銅鋁基板上。
圖3 首爾半導體的AC LED
液光固態照明股份有限公司研發的采用獨有的液體沉浸熱管理解決方案（LITMS）的功率為5W的AC LED燈泡，將AC LED采用玻璃封裝，無須使用電源轉換器，使得燈泡壽命不受限于轉換器，使用環保安全的配方液體，取代原來的金屬散熱片，而前向液冷360度散熱方式，也是AC LED的光線更加柔和，減小刺眼感。其外形圖如圖4所示。
圖4 液冷AC LED燈泡外形圖
AC LED不僅可以用在各種場合的照明，還可以用于液晶顯示屏的背光照明。其在照明上的一個典型應用原理圖如圖5所示，在AC LED兩端分別串入正溫度系數熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可進入照明工作。相對傳統的DC LED，無須降壓整流裝置，大大簡化了實際應用，提高了效率和可靠性。
圖5 AC LED的典型應用電原理圖
AC LED剛剛起步，現階段仍有兩個缺點，一是發光效率并沒有DC LED高。二是AC LED有觸電的風險。因為AC LED直接連接高壓電網，如果采用金屬鰭片散熱，容易發生觸電危險，需要研究新的間接散熱方案，比如充液LED固態照明燈具等。
4 結語
目前AC LED在發光亮度、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、高效率已顯現強大的生命力。AC LED的技術在飛躍發展，可以設想在不久的將來，高亮度、大功率、低成本的產品將大量面世，更綠色、更環保為我們這個世界提供光明。 |
