AC LED技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

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引言

50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，個(gè)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(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)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(fù)合時(shí)會(huì)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(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。高光效、低光衰大功率LED，已廣泛應(yīng)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(píng)。新興LED照明技術(shù)如今正在加速發(fā)展，應(yīng)用中的新技術(shù)、新方案也不斷涌現(xiàn)。LED照明設(shè)計(jì)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(chǎng)主流。近年來，隨著LED在材料選取、晶粒制程、封裝架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的研究不斷進(jìn)步，一種新的交流發(fā)光二極管（ACLED）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過一種新的思路，推動(dòng)了LED照明技術(shù)的實(shí)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(gè)變換器，不利于照明燈具的設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應(yīng)用方案將大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)效率將很輕松地達(dá)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(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

2、ACLED的原理和特點(diǎn)

2.1ACLED的結(jié)構(gòu)組成

ACLED是相對(duì)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(shí)的特殊排列組合技術(shù)，同時(shí)利用LEDPN結(jié)的二極管特性兼作整流，通過半導(dǎo)體制作工藝將多個(gè)晶粒集成在一個(gè)單芯片上，即高功率單晶粒（singlepowerchip）LED技術(shù)，并采用交錯(cuò)的矩陣式排列工藝組成橋式電路，使AC電流可雙向?qū)ǎ瑢?shí)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(cuò)的矩陣式排列示意圖，右小圖是實(shí)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(dǎo)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(diǎn)

ACLED光源的工作原理如圖2所示，由LED微晶粒采用交錯(cuò)的矩陣式排列工藝組成5個(gè)橋臂，組成類似一個(gè)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(shí)線流動(dòng)，3個(gè)橋臂的LED晶粒發(fā)光，負(fù)半周沿虛線流動(dòng)，又有3個(gè)橋臂的LED晶粒發(fā)光，四個(gè)橋臂上的LED晶粒輪番發(fā)光，相對(duì)橋臂上的LED晶粒同時(shí)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(huì)以每秒50（60）次的頻率輪替點(diǎn)亮。整流橋取得的直流是脈動(dòng)直流，LED的發(fā)光也是閃動(dòng)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(duì)流動(dòng)光點(diǎn)記憶是有惰性的，所以感覺不到光的閃動(dòng)。LED有一半時(shí)間在工作，所以發(fā)熱得以減少40%～20%。其使用壽命較DCLED長(zhǎng)。

ACLED體積小，可應(yīng)用于工業(yè)及民用小型指示燈；高壓低電流導(dǎo)通優(yōu)點(diǎn)克服了使用DCLED時(shí)，線路高損耗造成需依賴電源供應(yīng)器接續(xù)的問題；而且雙向?qū)ǎ{(lán)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(duì)于一般照明產(chǎn)業(yè)及LCD背光面板產(chǎn)業(yè)，更是一項(xiàng)實(shí)用化新技術(shù)。

3、ACLED的發(fā)展及典型產(chǎn)品

韓國(guó)漢城半導(dǎo)體公司即今天的首爾半導(dǎo)體早在2005年已發(fā)明可以用交流電直接驅(qū)動(dòng)使其發(fā)光的ACLED，其次是美同III-NTechnology，3N技術(shù)開發(fā)MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)基礎(chǔ)的氮化鎵討底，可以增進(jìn)照明和傳感器的應(yīng)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(hù)和改善技術(shù)，牢固地確立其專有的立場(chǎng)，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(tái)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(shí)際應(yīng)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(yīng)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(yīng)用成本較高的缺點(diǎn)。臺(tái)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(jiǎng)之稱的2008年R&D100Award大獎(jiǎng)?，F(xiàn)在全世界只有美國(guó)、韓國(guó)臺(tái)灣工研院有此技術(shù)，臺(tái)灣工研院開發(fā)出白光、藍(lán)光及綠光ACLED制程技術(shù)不僅與國(guó)際同步，也是者之一。

韓國(guó)LED廠商首爾半導(dǎo)體指出，使用交流電源驅(qū)動(dòng)的獨(dú)自產(chǎn)品Acriche在2月份實(shí)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(shí)，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(shè)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?zé)簟谉霟襞莼蛭灩鉄?。?009年9月份開始，歐洲已禁止銷售100W級(jí)以上白熾燈泡。今后，所有國(guó)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(dòng)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(fèi)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(diǎn)。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(kuò)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(dú)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(chǎng)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(gè)典型應(yīng)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(jìn)入照明工作。相對(duì)傳統(tǒng)的DCLED，無須降壓整流裝置，大大簡(jiǎn)化了實(shí)際應(yīng)用，提高了效率和可靠性。

圖5ACLED的典型應(yīng)用電原理圖

ACLED剛剛起步，現(xiàn)階段仍有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是發(fā)光效率并沒有DCLED高。二是ACLED有觸電的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)锳CLED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(xiǎn)，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(diǎn)和工作原理，