发展迅速的AC直接驱动 LED光源技术

发展迅速的 AC直接驱动 LED光源技术

The rapid development of the AC direct drive LED light source technology

华润矽威科技（上海）有限公司颜重光高工

摘要：综述 AC LED的发展，从技术的角度对 AC LED的结构、原理、应用技术作出分析，AC LED灯具与其它光源灯具的优势比较说明其强大生命力。

关键词：AC LED光源   AC LED晶粒交错矩阵式排列

       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电流才能正常发光。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电（AC100-220V），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，然后将交流电（ AC）变换成直流电（ 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、直流电之间转换时约 15～30%的电力被损耗，系统效率很难做到 90%以上。如果能用交流电（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

    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电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。台湾工业技术研究院 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交流电压使其交流发光，应用于指示灯、霓虹灯、低瓦数照明灯，能有效解决现有 LED无法直接在交流电源下使用，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、韩国与台湾工研院有此技术，台湾工研院开发出白光、藍光及綠光 AC LED 製程技術不

仅与国际同步，也是全球領先者之一。

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

   Seoul Semi

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 AC LED技术发展中扮演相当重要的角色。AC LED是采用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，达成发光。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晶粒在接上交流电后通体发光，因此只需要二根引线导入交流电源即能发光工作。

                                                                                                                              引线

            引线       

图 2  AC LED晶粒排列照片与示意图

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电源，另两端联接一串 LED晶粒，交流电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的交流电中会以每秒 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，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，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。

图 3  AC LED光源的工作原理

       AC LED成熟的产品如首尔用于 AC110C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 AC LED

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交流电即可进入照明工作。

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 V F分档表查用相应阻值的限流电阻，如表 2所示是 AX3221/AX3231的 V F分档与限流电阻表。

图 6 AC LED的典型应用电原理图

表 2  AX3221/AX3231的 V F分档与限流电阻表

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电转直流电的转换器(AC to DV Converter)，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。交直流电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的交流电中会以每秒 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，但这是因为 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，应避免金属鰭片的裸露，而应是间接的把热带走，这也就是发展新的充液 LED固态照明灯具的设计核心概念。

      AC LED刚刚步入成长期，目前在发光亮度、功率等方面还不够理想，但 AC LED的应用简便、无需变压转换器和恒流源，以及低成本、高效率已显现强大的生命力。 AC LED的技术在飞跃发展，要不了几年，高亮度、大功率、低成本的产品将大量面世。

Alec 2008-12-28