摘要：傳統(tǒng)LED用直流電驅(qū)動(dòng)，因此為DC LED。韓國(guó)首爾半導(dǎo)體發(fā)明的AC LED，可由100V/110V或220V/230V的AC電源直接驅(qū)動(dòng)，徹底顛覆了傳統(tǒng)DC LED照明及相關(guān)應(yīng)用解決方案。本文介紹了AC LED的結(jié)構(gòu)、工作原理、電學(xué)和光學(xué)參數(shù)及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：AC LED；交流直接驅(qū)動(dòng)；可插拔；立體導(dǎo)熱
1、引言
在世界各國(guó)都在重視節(jié)能減排和大力推行半導(dǎo)體照明的形勢(shì)下，韓國(guó)首爾半導(dǎo)體（Seoul Semi-Conductor）于2005年1月推出全球首款用交流市電直接驅(qū)動(dòng)的“Acriche”AC LED。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的工業(yè)技術(shù)研究院很快實(shí)現(xiàn)了AC LED的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并在芯片技術(shù)和封裝技術(shù)上有重大創(chuàng)新，發(fā)明了“低熱阻立體導(dǎo)熱插拔封裝技術(shù)”，并于2008年9月，獲美國(guó)R&D 100 Awards國(guó)際大獎(jiǎng)。
利用工頻（100V/110V和220V/230V）市電直接驅(qū)動(dòng)的AC LED的發(fā)明，完全顛覆了傳統(tǒng)DC LED的照明應(yīng)用方案，是LED發(fā)展史上的一次重大突破，為半導(dǎo)體照明增加了一個(gè)光彩奪目的新秀。
2、AC LED利用交流市電直接驅(qū)動(dòng)，顛覆了傳統(tǒng)應(yīng)用
于20世紀(jì)60年代問世目前被廣泛應(yīng)用的LED，都由直流（DC）電驅(qū)動(dòng)，因此系DC LED。當(dāng)DC LED用于戶外大屏幕顯示、建筑照明、景觀照明和道路照明等領(lǐng)域時(shí)，通常需使用工頻（50Hz/60Hz）市電（110V/220V等）供電。為使DC LED正常工作，需將AC電源進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換，并需要附加DC-DC變換電路，為L(zhǎng)ED提供合適的工作電壓和恒定工作電流，具體的方案如圖1所示。
在AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換過程中，電力損耗達(dá)20%-30%，致使電路效率難以超過80%。如果不在橋式整流電路之后配置功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)電路，線路功率因數(shù)難以達(dá)到0.6以上，電源利用率是很低的。在電源變換過程中，需使用十幾個(gè)乃至幾十個(gè)元器件，有的元件（如變壓器、電感器、鋁電解電容器、功率晶體管或MOSFET）又是大而笨重的，并且LED本身的散熱鋁基板又較大，因此在設(shè)計(jì)LED燈泡造型時(shí)，非常有限的空間難以容納這些元件。所使用的元件越多，占位面積也就越大，體積和重要也越大，成本也越高，可靠性也相應(yīng)降低。目前DC LED的壽命，都達(dá)3萬(wàn)小時(shí)以上。在使用過程中，LED不能再點(diǎn)亮，其實(shí)LED本身并沒有損壞，而是其驅(qū)動(dòng)電路中元件失效所致。
AC LED僅需串接一個(gè)限流電阻就可利用交流市電直接驅(qū)動(dòng)，不必進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換，也不需要DC-DC降壓式恒流源驅(qū)動(dòng)電路，完全顛覆了傳統(tǒng)LED的應(yīng)用，給人們一個(gè)全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用概念，對(duì)傳統(tǒng)LED照明及其相關(guān)應(yīng)用是一個(gè)不小的沖擊。
3、AC LED的工作原理
AC LED核心技術(shù)是超細(xì)LED晶粒在封裝時(shí)的排列和組合，同時(shí)利用LED PN結(jié)的單向?qū)ㄌ匦约孀髡鳌Ｔ贏C LED制程中，將一堆LED微晶粒采用交錯(cuò)矩陣排列工藝進(jìn)行排列，并加入橋式整流電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。當(dāng)在兩個(gè)引腳上施加交流市電時(shí)，AC電流可以雙向流動(dòng)，使LED晶粒發(fā)光。AC LED的工作原理如圖3所示。
在圖3（a）中，共有5串LED晶粒（每串有兩個(gè)LED晶粒），其中4串LED晶粒組成一個(gè)整流橋，還有1串LED晶粒安置在一個(gè)對(duì)角線bd上，AC電源加至整流橋的a、c兩點(diǎn)。在交流電的正半周（即AC電源左正右負(fù)時(shí)），電流從a點(diǎn)流入，經(jīng)b、d和c點(diǎn)，返回到電源（負(fù)端）；在交流電的負(fù)半周（即AC電源左負(fù)右正時(shí)），電流從c點(diǎn)流入，經(jīng)b、d和a點(diǎn)，返回到電源（負(fù)端）。當(dāng)電流通過LED晶粒時(shí)，則會(huì)發(fā)光。當(dāng)一對(duì)平行橋臂上的LED晶粒導(dǎo)通時(shí)，另一對(duì)平行橋臂上的LED晶粒則截止。LED晶粒斷電后其余輝長(zhǎng)達(dá)幾十微秒（μs），故人眼觀察不到已經(jīng)斷電的LED晶粒熄滅。整流橋上的LED晶粒有一半時(shí)間不工作，因而發(fā)熱量可減少20%~40%，使AC LED的壽命較DC LED長(zhǎng)。但是，位于對(duì)角線bd上的LED晶粒始終是導(dǎo)通的。與普通橋式整流電路一樣，當(dāng)輸入一個(gè)正弦AC電壓Vin時(shí)，則產(chǎn)生一個(gè)直流脈動(dòng)電壓Vout[見圖3（b）]。
4、AC LED的封裝
首爾半導(dǎo)體的白光AC LED外形封裝與一般白光大功率DC LED相類似，如圖4所示，尺寸見圖5。臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院采用創(chuàng)新的立體導(dǎo)熱可插拔封裝，如圖6所示。國(guó)際上的接口熱阻封裝安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求≤3℃/W，臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院光電所將AC LED導(dǎo)熱的接觸面積增大到先前同類器件的10倍，散熱體積也增加，使接口熱阻降至0.3℃/W，大大改善了令人煩惱的散熱問題。搭配插拔式外形，可直接在一般交流電的插槽更換使用，給AC LED應(yīng)用增添了極大的便利性。臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院改進(jìn)了LED微晶粒制程，在1mm2的面積上排列出約100顆微晶粒，從而有效提升了AC LED芯片的發(fā)光效率。
目前臺(tái)灣市面上由艾爾莎（ELSA）代理銷售的AC LED，主要是液光固態(tài)公司（LIQUIDLEDS）生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格以2W和4W為主，選用首爾半導(dǎo)體的芯片，搭配特殊液態(tài)絕緣油散熱，光源經(jīng)由液體的光折射后能更為均勻射出，在外觀上則選用玻璃封裝，有著良好的耐酸堿性能。
5、AC LED的光電參數(shù)及其特性曲線
5.1 AC LED的光電參數(shù)
目前臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院的AC LED以5W為主，8W和10W的產(chǎn)品正在開發(fā)中。韓國(guó)首爾半導(dǎo)體的AC LED規(guī)格有2W和4W，工作電壓分100V/110V和220V/230V兩類，表1列示了4W AC LED的型號(hào)和電子光學(xué)參數(shù)。
表1 首爾半導(dǎo)體4W AC LED代表性產(chǎn)品電子光學(xué)參數(shù)
5.2 AC LED的特性曲線
AC LED的色譜特性曲線如圖7所示。圖8為AC LED相對(duì)亮度與定向角之間的關(guān)系曲線。圖9所示為AC LED相對(duì)光通量與工作電壓之間的關(guān)系。
大家知道，白光DC LED的工作電壓VF為3~4V（大功率白光DC LED的VF約為3.5V），工作電流從幾十個(gè)mA到1.5A甚至更大。而目前AC LED的工作電壓為100V/110V和220V/230V，工作電流為20mA/40mA。圖10所示為AC 220V的AW3220/AN3220的電流—電壓特性曲線。
6、AC LED的應(yīng)用
6.1 AC LED驅(qū)動(dòng)電路
AC LED只要串聯(lián)一個(gè)限流電阻R，就可由AC電源直接驅(qū)動(dòng)，如圖11所示。
AC LED生產(chǎn)廠家為用戶提供了工作電壓VF分檔和限流電阻值（見表2）。
表2 AW3200/AN3200和AW3220/AN3220的VF分檔和限流電阻值
兩個(gè)100V/110V的AC LED可以串聯(lián)在一起，再加上限流電阻，用220V/230V的AC電源直接驅(qū)動(dòng)，如圖12所示。在圖12中，限流電阻R值見表3。
6.2 AC LED的應(yīng)用
目前AC LED的主要應(yīng)用是一般照明、出入口照明、道路照明、家具照明、產(chǎn)品展示照明、招牌照明、建筑照明和景觀照明。臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院已將AC LED用于42寸LCD TV背光模塊，并完成樣機(jī)示范。圖13示出的是AC LED燈泡。
用AC LED制作的臺(tái)燈，比傳統(tǒng)臺(tái)燈更加輕巧，在一些展覽會(huì)中早已登場(chǎng)亮相。
表4列示了AC LED與DC LED對(duì)比，表5為AC LED與DC LED和白熾燈照明應(yīng)用比較。
表4 AC LED與DC LED光源特性比較
表5 ITR1 5W AC LED與5W DC LED及20W鎢絲燈照明應(yīng)用比較
AC LED是半導(dǎo)體照明領(lǐng)域中的新秀，這一全新型的固態(tài)光源必將在照明應(yīng)用中大放光彩。但是，AC LED不可能取代傳統(tǒng)DC LED，在電池和太陽(yáng)能供電的場(chǎng)合，DC LED依然是最適合的選擇。
7、結(jié)束語(yǔ)
利用工頻市電直接驅(qū)動(dòng)的AC LED光色分純白和暖白色兩類，工作電壓為AC 100V/110V和AC 220V/230V（50Hz/60Hz），工作電流為AC 20mA和AC 40mA，壽命為35,000h以上，產(chǎn)品規(guī)格以2W、4W和5W為主，8W和10W的產(chǎn)品正在開發(fā)中。AC LED不需用變壓器和驅(qū)動(dòng)電路，僅需一個(gè)限流電阻，在應(yīng)用中成本低、效率高、體積小，易做燈具造型設(shè)計(jì)，可插拔結(jié)構(gòu)給應(yīng)用帶來(lái)極大的便利。隨著AC LED光效的提高、功率的增加和生產(chǎn)成本的降低，其在半導(dǎo)體照明方面將充當(dāng)重要角色，勢(shì)必對(duì)傳統(tǒng)LED造成沖擊。 |
