摘要：傳統LED用直流電驅動(dòng)，因此為DC LED。韓國首爾半導體發(fā)明的AC LED，可由100V/110V或220V/230V的AC電源直接驅動(dòng)，徹底顛覆了傳統DC LED照明及相關(guān)應用解決方案。本文介紹了AC LED的結構、工作原理、電學(xué)和光學(xué)參數及其應用。

　　關(guān)鍵詞：AC LED；交流直接驅動(dòng)；可插拔；立體導熱

　　1、引言

　　在世界各國都在重視節能減排和大力推行半導體照明的形勢下，韓國首爾半導體（Seoul Semi-Conductor）于2005年1月推出全球首款用交流市電直接驅動(dòng)的“Acriche”AC LED。我國臺灣地區的工業(yè)技術(shù)研究院很快實(shí)現了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“低熱阻立體導熱插拔封裝技術(shù)”，并于2008年9月，獲美國R&D 100 Awards國際大獎。

　　利用工頻（100V/110V和220V/230V）市電直接驅動(dòng)的AC LED的發(fā)明，完全顛覆了傳統DC LED的照明應用方案，是LED發(fā)展史上的一次重大突破，為半導體照明增加了一個(gè)光彩奪目的新秀。

　　2、AC LED利用交流市電直接驅動(dòng)，顛覆了傳統應用

　　于20世紀60年代問(wèn)世目前被廣泛應用的LED，都由直流（DC）電驅動(dòng)，因此系DC LED。當DC LED用于戶(hù)外大屏幕顯示、建筑照明、景觀(guān)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轉換，并需要附加DC-DC變換電路，為L(cháng)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A(yíng)C-DC和DC-DC轉換過(guò)程中，電力損耗達20%-30%，致使電路效率難以超過(guò)80%。如果不在橋式整流電路之后配置功率因數校正（PFC）級電路，線(xiàn)路功率因數難以達到0.6以上，電源利用率是很低的。在電源變換過(guò)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，因此在設計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，可靠性也相應降低。目前DC LED的壽命，都達3萬(wàn)小時(shí)以上。在使用過(guò)程中，LED不能再點(diǎn)亮，其實(shí)LED本身并沒(méi)有損壞，而是其驅動(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動(dòng)，不必進(jìn)行AC-DC轉換，也不需要DC-DC降壓式恒流源驅動(dòng)電路，完全顛覆了傳統LED的應用，給人們一個(gè)全新的設計和應用概念，對傳統LED照明及其相關(guān)應用是一個(gè)不小的沖擊。

　　3、AC LED的工作原理

　　AC LED核心技術(shù)是超細LED晶粒在封裝時(shí)的排列和組合，同時(shí)利用LED PN結的單向導通特性兼作整流。在A(yíng)C LED制程中，將一堆LED微晶粒采用交錯矩陣排列工藝進(jìn)行排列，并加入橋式整流電路設計，如圖2所示。當在兩個(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)對角線(xiàn)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電源左正右負時(shí)），電流從a點(diǎn)流入，經(jīng)b、d和c點(diǎn)，返回到電源（負端）；在交流電的負半周（即AC電源左負右正時(shí)），電流從c點(diǎn)流入，經(jīng)b、d和a點(diǎn)，返回到電源（負端）。當電流通過(guò)LED晶粒時(shí)，則會(huì )發(fā)光。當一對平行橋臂上的LED晶粒導通時(shí)，另一對平行橋臂上的LED晶粒則截止。LED晶粒斷電后其余輝長(cháng)達幾十微秒（μs），故人眼觀(guān)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(cháng)。但是，位于對角線(xiàn)bd上的LED晶粒始終是導通的。與普通橋式整流電路一樣，當輸入一個(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(jiàn)圖3（b）]。

       4、AC LED的封裝

　　首爾半導體的白光AC LED外形封裝與一般白光大功率DC LED相類(lèi)似，如圖4所示，尺寸見(jiàn)圖5。臺灣工業(yè)技術(shù)研究院采用創(chuàng )新的立體導熱可插拔封裝，如圖6所示。國際上的接口熱阻封裝安規標準要求≤3℃/W，臺灣工業(yè)技術(shù)研究院光電所將AC LED導熱的接觸面積增大到先前同類(lèi)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(wèn)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應用增添了極大的便利性。臺灣工業(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。

　　目前臺灣市面上由艾爾莎（ELSA）代理銷(xiāo)售的AC LED，主要是液光固態(tài)公司（LIQUIDLEDS）生產(chǎn)，產(chǎn)品規格以2W和4W為主，選用首爾半導體的芯片，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(guān)上則選用玻璃封裝，有著(zhù)良好的耐酸堿性能。

　　5、AC LED的光電參數及其特性曲線(xiàn)

　　5.1  AC LED的光電參數

　　目前臺灣工業(yè)技術(shù)研究院的AC LED以5W為主，8W和10W的產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中。韓國首爾半導體的AC LED規格有2W和4W，工作電壓分100V/110V和220V/230V兩類(lèi)，表1列示了4W AC LED的型號和電子光學(xué)參數。

表1  首爾半導體4W AC LED代表性產(chǎn)品電子光學(xué)參數

　　5.2  AC LED的特性曲線(xiàn)

　　AC LED的色譜特性曲線(xiàn)如圖7所示。圖8為AC LED相對亮度與定向角之間的關(guān)系曲線(xiàn)。圖9所示為AC LED相對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(xiàn)。

　　6、AC LED的應用

        6.1  AC LED驅動(dòng)電路

　　AC LED只要串聯(lián)一個(gè)限流電阻R，就可由AC電源直接驅動(dòng)，如圖11所示。
AC LED生產(chǎn)廠(chǎng)家為用戶(hù)提供了工作電壓VF分檔和限流電阻值（見(jiàn)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電源直接驅動(dòng)，如圖12所示。在圖12中，限流電阻R值見(jiàn)表3。

　　6.2  AC LED的應用

　　目前AC LED的主要應用是一般照明、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(guān)照明。臺灣工業(yè)技術(shù)研究院已將AC LED用于42寸LCD TV背光模塊，并完成樣機示范。圖13示出的是AC LED燈泡。

　　用AC LED制作的臺燈，比傳統臺燈更加輕巧，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對比，表5為AC LED與DC LED和白熾燈照明應用比較。

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鎢絲燈照明應用比較

　　AC LED是半導體照明領(lǐng)域中的新秀，這一全新型的固態(tài)光源必將在照明應用中大放光彩。但是，AC LED不可能取代傳統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、結束語(yǔ)

　　利用工頻市電直接驅動(dòng)的AC LED光色分純白和暖白色兩類(lèi)，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)品規格以2W、4W和5W為主，8W和10W的產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中。AC LED不需用變壓器和驅動(dòng)電路，僅需一個(gè)限流電阻，在應用中成本低、效率高、體積小，易做燈具造型設計，可插拔結構給應用帶來(lái)極大的便利。隨著(zhù)AC LED光效的提高、功率的增加和生產(chǎn)成本的降低，其在半導體照明方面將充當重要角色，勢必對傳統LED造成沖擊。