交流直接驱动LED光源技术

1万 · 2014-2-22 23:40

LED光源作为绿色、节能、省电、长寿命的第四代照明灯具而异军突起、广受关注、如火如荼地迅速发展。目前的LED光源是低电压（VF=2→3.6V）、大电流（IF=200→1500mA）工作的半导体器件，必须提供合适的直流流才能正常发光。直流（DC）驱动LED光源发光的技术已经越来越成熟，由于我们日常照明使用的电源是高压交流（AC 100～220V），所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流（AC）变换成直流（DC），再变换成直流恒流源，才能促使LED光源发光。因此直流驱动LED光源的系统应用方案必然是：变压器+整流（或开关电源）+恒流源（图1）。LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个模块，但是对于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。无论是经由变压器+整流或是开关电源降压，系统都会有一定量的损耗，DC LED在交流、直流之间转换时约15%～30%的电力被损耗，系统效率很难做到90%以上。如果能用交流（AC）直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90%以上。

图1 直流驱动LED光源的系统应用方案

1万 · 2014-2-22 23:40

韩国汉城半导体公司即今天的首尔半导体早在2005年已发明可以用交流直接驱动使其发光的AC LED，其次是美国 III-N Technology，3N技术开发MOCVD生长技术基础上的氮化镓衬底，可以增进照明和传感器的应用，并降低成本和提高生产效率。对大大小小的硅发光二极管提供6英寸生产技术。3N发明的单芯片交流发光二极管（AC LED），建立了全面的专利组合，以保护和改善技术，牢固地确立其专有的立场，是首屈一指的大规模商业化生产的交流发光二极管产品。我国台湾省“工业技术研究院”2008年也完成可产业化生产并有实际应用系统方案的AC LED产品，可直接插电于60Hz或更高频率的AC 110V 交流压使其交流发光，应用于指示灯、霓虹灯、低瓦数照明灯，能有效解决现有 LED 无法直接在交流源下使用，造成产品应用成本较高的缺点。台湾工研院的On Chip AC LED（片上AC LED）因此获得素有美国产业创新奥斯卡奖之称的2008年R&D 100 Award大奖。现在全世界只有美国、韩国与中国台湾有此技术，台湾工研院开发出白光、蓝光及绿光AC LED的制程技术，不仅与国际同步，也是全球领先者之一。

1万 · 2014-2-22 23:41

AC LED灯具的优点
与白炽灯、卤素灯、荧光日光灯、荧光节能灯、直流LED灯相比，AC LED灯具有更节能省电、更长寿、更有能效的高性价比。AC LED发光省去了成本不菲的AC/DC转换器和恒流源。交流LED与现有的照明灯具性能比较如表1所示。

表1 交流LED与现有的照明灯具性能比较

1万 · 2014-2-22 23:41

AC LED光源超细晶粒采用特殊交错的矩阵排列

AC LED光源的重大技术突破是超细LED晶粒在封装时的特殊排列组合技术，同时利用LED PN结的二极管特性兼作整流，半导体制程在其中扮演着相当重要的角色。AC LED通过半导体制程整合成一堆微小晶粒，采用交错的矩阵式排列工艺，并加入桥式电路至芯片设计，使AC电流可双向导通，实现发光。?晶粒的排列如图2所示，左图是AC LED晶粒采用交错的矩阵式排列示意图，右小图是实际AC LED晶粒排列照片，AC LED晶粒在接上交流后通体发光，因此只需要二根引线导入交流源即能发光工作。

图2 AC LED晶粒排列照片与示意图

1万 · 2014-2-22 23:41

AC LED光源的工作原理

AC LED光源的工作原理如图3，将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺均分为五串，AC LED晶粒串组成类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交流源，另两端联接一串LED晶粒，交流的正半周沿蓝色通路流动，3串LED晶粒发光，负半周沿绿色通路流动，又有3串LED晶粒发光，四个桥臂上的LED晶粒轮番发光，相对桥臂上的LED晶粒同时发光，中间一串LED晶粒因共用而一直在发光。在 60Hz的交流中会以每秒60次的频率轮替点亮。整流桥取得的直流是脉动直流，LED的发光也是闪动的，LED有断电余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点**是有惰性的，结果人眼对LED光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。LED有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少40%～20%。因此AC LED的使用寿命较DC LED长。

1万 · 2014-2-22 23:42

图3 AC LED光源的工作原理

1万 · 2014-2-22 23:43

AC LED成熟的产品如首尔用于AC110V的AX3201、AX3211和用于220V的AX3221、AX3231。用于AC110V功率在 3.3W～4W，工作电流40mA；用于AC220V功率在3.3W-4W，工作电流20mA（图4）。LED晶粒直接邦定在铜铝基板上。引脚如图5所示。

图4 首尔半导体的AC LED

1万 · 2014-2-22 23:46

图5 AC LED引脚图

AC LED的典型应用技术

AC LED的典型应用电原理图如图6所示十分简单，在AC LED两端分别串入正温度系数热敏电阻PTC，和限流电阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可进入照明工作。

1万 · 2014-2-22 23:47

LED在大批量生产时，其阻抗有一定的离散性，AC LED也如此，为便于下游厂家的大批量应用，LED光源生产厂商在出厂时对批量生产的产品按阻抗分档，客户在使用时可按LED光源厂家提供的VF分档表查用相应阻值的限流电阻，如表2所示是AX3221/AX3231的VF分档与限流电阻表。

图6 AC LED的典型应用电原理图

1万 · 2014-2-22 23:48

表2 AX3221/AX3231的VF分档与限流电阻表

1万 · 2014-2-22 23:48

AC LED的发展

AC LED在家用电力上的方便性，不需要像DC LED一样另外得帮灯具装上一个交流转直流的转换器，不但节省了这颗转换器的成本，也避免LED光源本身还没坏，但转换器却先坏掉的窘境。交直流转换器可说是一种随着时间会老化、坏掉的电子元器件，其寿命比LED光源本身更短，故目前很多LED灯具坏掉，并不是LED光源寿命已尽，而是LED灯具使用的交直流转换器先坏掉了。AC LED还有一个特性，就是因为其工艺采用交错的矩阵式排列，是轮流点亮的，在60Hz的交流中会以每秒60次的频率轮替点亮，也让AC LED的使用寿命较DC LED长。

不过，AC LED现阶段有两个缺点，其一是发光效率并没有DC LED高，这是因为DC LED发展目前是主流，AC LED刚刚起步，AC LED的发光效率是可以追上，甚至超过DC LED的。其二是AC LED有触电的风险。故AC LED如果要应用在LED照明灯具上，应避免金属鳍片的裸露，而应是间接地把热带走，这也就是发展新的充液LED固态照明灯具的设计核心概念。