AC LED技術(shù)的原理、特點及應用

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引言

50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，個商用二極管產(chǎn)生于1960年。發(fā)光二極管的部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。高光效、低光衰大功率LED，已廣泛應用于路燈、工礦燈、隧道燈、射燈、日光燈等諸多照明領(lǐng)域，深受業(yè)界一致好評。新興LED照明技術(shù)如今正在加速發(fā)展，應用中的新技術(shù)、新方案也不斷涌現(xiàn)。LED照明設計可結(jié)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(gòu)設計技術(shù)等方面的研究不斷進步，一種新的交流發(fā)光二極管（ACLED）技術(shù)應運而生，通過一種新的思路，推動了LED照明技術(shù)的實用化。

1、傳統(tǒng)LED照明技術(shù)及其不足

傳統(tǒng)的LED是典型的低壓直流器件，無法直接在我們?nèi)粘Ｕ彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣鳎ˋC100～220V）下使用，必須經(jīng)過變壓器或開關(guān)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(tǒng)經(jīng)過的變換環(huán)節(jié)，能量必然有一定量的損耗，DCLED在交流、直流之間轉(zhuǎn)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(qū)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。變換裝置的存在造成了傳統(tǒng)LED照明產(chǎn)品成本較高的重要因素，也成為制約LED光源產(chǎn)品壽命的瓶頸，無法體現(xiàn)LED長壽命的特點。

2、ACLED的原理和特點

2.1ACLED的結(jié)構(gòu)組成

ACLED是相對于傳統(tǒng)的DCLED來說，無須經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換，可直接插電于220V（或110V）交流電使用的LED照明技術(shù)。ACLED光源的技術(shù)關(guān)鍵是LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術(shù)，同時利用LEDPN結(jié)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（singlepowerchip）LED技術(shù)，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?qū)?，實現(xiàn)發(fā)光。晶粒的排列如圖1所示，左圖是ACLED晶粒采用交錯的矩陣式排列示意圖，右小圖是實際ACLED晶粒排列照片，ACLED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1ACLED晶粒封裝示意圖

2.2ACLED的工作原理及特點

ACLED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(lián)接交流源，另兩端聯(lián)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(fā)光，負半周沿虛線流動，又有3個橋臂的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，中間橋臂的LED晶粒因共用而一直在發(fā)光。

圖2ACLED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(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，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(fā)熱得以減少40%～20%。其使用壽命較DCLED長。

ACLED體積小，可應用于工業(yè)及民用小型指示燈；高壓低電流導通優(yōu)點克服了使用DCLED時，線路高損耗造成需依賴電源供應器接續(xù)的問題；而且雙向?qū)?，藍綠光LED無靜電擊穿ESD問題；使用微晶粒技術(shù)大幅提高發(fā)光效率；由于功率因數(shù)提高與低電流控制，對于一般照明產(chǎn)業(yè)及LCD背光面板產(chǎn)業(yè)，更是一項實用化新技術(shù)。

3、ACLED的發(fā)展及典型產(chǎn)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(fā)明可以用交流電直接驅(qū)動使其發(fā)光的ACLED，其次是美同III-NTechnology，3N技術(shù)開發(fā)MOCVD生長技術(shù)基礎(chǔ)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(chǎn)效率。3N發(fā)明的單芯片交流發(fā)光二極管（ACLED），建立了全面的組合，以保護和改善技術(shù)，牢固地確立其專有的立場，是首屆一指的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的交流發(fā)光二極管產(chǎn)品。臺灣工業(yè)技術(shù)研究院2008年也完成可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并有實際應用系統(tǒng)方案的ACLED產(chǎn)品，可直接插電于60Hz或史高頻率的AC110V交流電壓使其交流發(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無法直接在交流電源下使用，造成產(chǎn)品應用成本較高的缺點。臺灣工研院的OnChipACLED因此獲得素有美曰產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新奧斯卡獎之稱的2008年R&D100Award大獎?，F(xiàn)在全世界只有美國、韓國臺灣工研院有此技術(shù)，臺灣工研院開發(fā)出白光、藍光及綠光ACLED制程技術(shù)不僅與國際同步，也是者之一。

韓國LED廠商首爾半導體指出，使用交流電源驅(qū)動的獨自產(chǎn)品Acriche在2月份實現(xiàn)了100lm/W的高光效。2010年4月已經(jīng)開始投入量產(chǎn)的同時，研制出了超過150lm/W的發(fā)光效率。由于2010年Q1正式量產(chǎn)100lm/W產(chǎn)品，將繼續(xù)加快研究步伐，設法在之后量產(chǎn)150lm/W產(chǎn)品。

圖3Acriche產(chǎn)品圖片

該150lm/W產(chǎn)品將在2010年年末之前投入量產(chǎn)。該Acriche將在更大范圍內(nèi)替換鹵素燈、白熾燈泡或螢光燈。自2009年9月份開始，歐洲已禁止銷售100W級以上白熾燈泡。今后，所有國家都將從法律上規(guī)定禁止使用所有無效率的現(xiàn)有燈泡。

Acriche可在民用交流電源下無需直流交流轉(zhuǎn)換器就能驅(qū)動的光源，與使用轉(zhuǎn)換器的普通LED相比，不使用轉(zhuǎn)換器，不僅沒有電力損失，還因無需安裝轉(zhuǎn)換器而節(jié)省附帶費用，而且因不使用轉(zhuǎn)換器而減少了碳排放量，具有更加環(huán)保的優(yōu)點。因此，世界三大照明企業(yè)中的兩家企業(yè)已采用Acriche量產(chǎn)照明產(chǎn)品。此外，已有100余家企業(yè)開始擴大了使用范圍。

液光固態(tài)照明股份有限公司研發(fā)的采用獨有的液體沉浸熱管理解決方案（LITMS）的功率為5W的ACLED燈泡，將ACLED采用玻璃封裝，無須使用電源轉(zhuǎn)換器，使得燈泡壽命不受限于轉(zhuǎn)換器，使用環(huán)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ACLED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ACLED燈泡外形圖

ACLED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ACLED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。相對傳統(tǒng)的DCLED，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5ACLED的典型應用電原理圖

ACLED剛剛起步，現(xiàn)階段仍有兩個缺點，一是發(fā)光效率并沒有DCLED高。二是ACLED有觸電的風險。因為ACLED直接連接高壓電網(wǎng)，如果采用金屬鰭片散熱，容易發(fā)生觸電危險，需要研究新的間接散熱方案，比如充液LED固態(tài)照明燈具等。

4、結(jié)語

本文介紹了一種新的綠色光源—ACLED，分析了其結(jié)構(gòu)特點和工作原理，