AC LED的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

滿 瑞， 李秋俊

（1.重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

自20世紀60年代問世以來，LED在短短的40多年里，取得了飛速發(fā)展，LED器件也從早期的指示型LED發(fā)展到功率型LED。而在世界能源緊缺的今天，LED光源作為節(jié)能、綠色、長壽命的第四代照明光源正迅速地發(fā)展，LED照明普及時代的來臨已不遠。傳統(tǒng)的LED，必須提供合適的直流電才能使其正常發(fā)光，可稱作直流(DC)LED，而DC LED用于路燈、景觀照明等需要使用工頻市電時，必須在工頻市電與LED負載之間加上AC/DC變換器才能實現(xiàn)直流驅(qū)動，然而變換器的應(yīng)用卻增加了整個LED燈具的體積、質(zhì)量和成本，同時在交直流轉(zhuǎn)化的過程中也不可避免地要產(chǎn)生一定的電力損耗，這就降低LED燈具的工作效率。

而交流(AC)LED技術(shù)的發(fā)展，可以解決DC LED燈具無法直接在工頻市電下使用而造成產(chǎn)品成本增加、體積大等缺點。本文重點介紹AC LED的基本原理和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，討論了AC LED相比于DC LED的優(yōu)缺點以及其市場推廣所面臨的挑戰(zhàn)，并展望其發(fā)展和應(yīng)用的前景。

1 AC LED簡介

1.1 AC LED基本原理

AC LED是相對于傳統(tǒng)的DC LED來說的，AC LED是一類集成了各種處理技術(shù)的LED產(chǎn)品，它包括多種器件或內(nèi)核，無需額外的變壓器、整流器和驅(qū)動電路，交流電直接對其進行驅(qū)動。

AC LED芯片的重大技術(shù)突破是超細LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術(shù)，同時利用LED PN結(jié)的二極管特性兼作整流，其中，半導(dǎo)體制程技術(shù)扮演著相當重要的角色。AC LED通過半導(dǎo)體制程技術(shù)整合成一堆微小晶粒，采用交錯的矩陣式排列工藝，并加入橋式電路至芯片設(shè)計，使交流電流可雙向?qū)?，實現(xiàn)發(fā)光[1]。

AC LED芯片的工作原理如圖1所示，將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝均分為五串，晶粒串組成了一個整流橋，整流橋的兩端分別連接交流源，另兩端連接一串LED晶粒，交流的正半周沿實線通路流動，3串LED晶粒發(fā)光，負半周沿虛線通路流動，又有3串LED晶粒發(fā)光，四個橋臂上的LED晶粒分兩組輪流發(fā)光，中間一串晶粒因共用而一直發(fā)光[2]。

圖1 AC LED典型結(jié)構(gòu)(1)

另一種LED微小晶粒排列方式如圖2所示，采用交錯矩陣式排列工藝均分為正反方向的兩串，在交流電正負半周內(nèi)分別點亮一次LED微小晶粒從而實現(xiàn)交流驅(qū)動LED，此結(jié)構(gòu)中，兩串LED發(fā)光的時間相等，解決了全橋式排列中工作時間不均而造成使用壽命長短不一的缺點。

圖2 AC LED典型結(jié)構(gòu)(2)

1.2 AC LED應(yīng)用電路

AC LED的典型應(yīng)用電路非常簡單，如圖3所示。在AC LED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110 V或220 V交流即可實現(xiàn)AC LED的照明。

圖3 AC LED典型應(yīng)用電路圖

由于LED在大批量生產(chǎn)時，其阻抗有一定的離散性，AC LED也如此，為便于下游廠家的大批量應(yīng)用，LED光源生產(chǎn)廠商在出廠時對批量生產(chǎn)的產(chǎn)品按阻抗分檔，在使用時可按LED光源廠家提供的VF分檔與限流電阻表查用相應(yīng)阻值的限流電阻，如表1所示韓國首爾半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表。

表1 VF分檔與限流電阻表

AC LED可匹配需要110 V或220 V電壓的系統(tǒng)，所以AC LED可以應(yīng)用于一般照明、建筑照明、路燈、家具照明、產(chǎn)品展示照明和招牌照明等采用工頻市電的領(lǐng)域。

1.3 AC LED的優(yōu)勢

普通LED必須以直流電來驅(qū)動，所以在交流電和LED負載之間需要添加AC/DC轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)LED的直流驅(qū)動，然而轉(zhuǎn)換器體積大、質(zhì)量重，不但增加燈具體積和成本，還會在交直流轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生額外的電力損耗[3]。相較于DC LED，AC LED燈具不需要整流變壓器，不但減小LED的體積和質(zhì)量，提升了應(yīng)用空間，降低了燈具的成本，還省下了交直流轉(zhuǎn)化時15%～30%的電力損耗，提升了整體LED燈具的發(fā)光效率。

另外，交直流轉(zhuǎn)換器是一種隨著時間會老化的電子器件，其壽命比LED光源本身要短得多，目前很多LED燈具的老化，并非LED光源壽命已盡，而是LED燈具使用的轉(zhuǎn)換器先損壞。然而，AC LED燈具由于沒有轉(zhuǎn)換器，避免了轉(zhuǎn)換器的壽命遠小于LED光源本身的壽命而產(chǎn)生的光源和驅(qū)動器壽命匹配問題。在市場推廣中，也可以很方便地直接替換傳統(tǒng)光源，而無須改變原有的燈座，使得AC LED在取代傳統(tǒng)光源的過程中更容易推廣應(yīng)用。

AC LED還有一個特性，就是其生產(chǎn)工藝采用交錯的矩陣式排列，一個交流周期輪流點亮兩組LED晶粒，這使得AC LED的使用壽命較DC LED更長。

相比于DC LED，AC LED在很多方面都顯示了優(yōu)越性，如表2所示。

表2 AC LED和DC LED的比較

1.4 AC LED的不足

雖然AC LED在很多方面都展現(xiàn)了其優(yōu)勢，但現(xiàn)階段仍然還有一些技術(shù)難題有待解決：（1） 現(xiàn)階段AC LED發(fā)光效率并沒有DC LED高，這是因為DC LED是目前LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流，AC LED剛剛起步，投入AC LED研究的企業(yè)也不成規(guī)模，對AC LED的研究尚不成熟，因此AC LED的價格也比較昂貴；（2）因為AC LED直接使用市電交流電來驅(qū)動，再負載和市電之間沒有運用隔離技術(shù)，因此AC LED運用時有觸電的風險，AC LED在照明應(yīng)用中應(yīng)避免金屬片的裸露。

目前，AC LED在發(fā)光亮度、功率等方面還不夠理想，而且剛剛步入成長期，但AC LED的應(yīng)用簡便、無需變壓轉(zhuǎn)換器和恒流源，以及低成本、高效率等優(yōu)點，AC LED顯現(xiàn)了其強大的生命力。隨著AC LED技術(shù)的發(fā)展，相信在幾年后，高亮度、大功率、低成本的AC LED產(chǎn)品將大量面世。

2 AC LED研究現(xiàn)狀

在AC LED技術(shù)發(fā)展的過程中，除了臺灣地區(qū)以外，韓國首爾半導(dǎo)體公司最為積極。也只有韓國、臺灣及美國的三家公司擁有AC LED核心技術(shù)及第一代產(chǎn)品。

2.1 韓國首爾半導(dǎo)體公司

韓國首爾半導(dǎo)體公司很早就開始從事AC LED的研發(fā)和推廣工作，是最早大規(guī)模研發(fā)該技術(shù)的半導(dǎo)體照明企業(yè)。2006年11月，一個名為“Acriche”的半導(dǎo)體嵌入式光源器件由該公司首次推出市場，“Acriche”是世界上最初不使用變換器直接插入AC電源來使用的半導(dǎo)體照明光源[4]。

“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。

2007年11月，“Acriche”獲取了歐洲的“CE”和“TUV”安全認證，并研發(fā)出效率水平和可靠性能跟DC LED差不多的80流明/瓦特的新技術(shù)。

2011年3月，推出一款適用于筒燈的LED芯片—Acriche A8，一顆Acriche A8芯片就能夠代替一個60 W的傳統(tǒng)電燈泡，環(huán)形筒燈中僅需安裝2顆Acriche A8芯片即可完全滿足辦公照明的需求。在推出Acriche A8之前，首爾半導(dǎo)體就已經(jīng)推出了兩款高亮度直流LED產(chǎn)品以及Acriche A7。

2.2 中國臺灣工研院

2008年9月，臺灣工業(yè)技術(shù)研究院以“芯片式交流電發(fā)光二極管照明技術(shù)”獲得美國R&D 100 Awards的肯定。工研院研發(fā)的AC LED采用可插拔式立體導(dǎo)熱封裝技術(shù)，除增加導(dǎo)熱面積外，當燈源損耗時可直接以插拔方式替換，較DC LED便利，而其立體式散熱封裝的構(gòu)想，也有效解決LED散熱的問題，提升使用壽命。

2008年10月，臺灣工研院與臺灣多家廠商合作成立“AC LED應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟”，透過產(chǎn)業(yè)垂直整合發(fā)展，積極在全球布局AC LED相關(guān)專利。

臺灣工研院資助成立了AC LED應(yīng)用與研究聯(lián)盟，以整合島內(nèi)的產(chǎn)業(yè)資源。幾乎所有島內(nèi)主要的LED廠商都參與其中，包括芯片制造商、封裝設(shè)計公司、燈泡和系統(tǒng)公司等多家企業(yè)。AC LED應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟分布如圖4所示。

圖4 AC LED應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟

臺灣工研院所設(shè)計的AC LED規(guī)格是以5 W為主，目前正在開發(fā)8 W和10 W。在其舉辦的展覽會中已有相關(guān)的LED照明臺燈登場，其燈具設(shè)計較傳統(tǒng)臺燈更輕盈。工研院日前亦將AC LED用于42寸LCD TV背光模塊，現(xiàn)已成功完成樣品的示范，尚未進行量產(chǎn)階段。AC LED以體積小與質(zhì)量輕的特征，在大尺寸面板背光源設(shè)計上將充分體現(xiàn)其不可比擬的優(yōu)勢。臺灣工研院還運用AC LED技術(shù)，改變工藝中的材質(zhì)和做法，成功開發(fā)出可以彎曲的LED燈，做到輕薄、柔軟、又可隨意彎曲。

2.3 美國Ⅲ-N和Lynk Labs

美國Ⅲ-N Technology在MOCVD生長技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的氮化鎵襯底，可以增進照明和傳感器的應(yīng)用，并降低成本和提高生產(chǎn)效率。對發(fā)光二極管提供6英寸生產(chǎn)技術(shù)。其發(fā)明的單芯片交流發(fā)光二極管(AC LED)，建立了全面的專利組合，以保護和改善技術(shù)，牢固地確立其專有的地位，是首屈一指的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的AC LED產(chǎn)品。

Lynk Labs是AC LED設(shè)備、光學(xué)引擎和電源供應(yīng)技術(shù)供應(yīng)商，已獲得該公司首項美國專利，Lynk Labs已擴大其產(chǎn)品供應(yīng)線，以Tesla系列的AC LED產(chǎn)品為主，進入市場。

2.4 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

日前東營大學(xué)科技園生態(tài)谷入駐企業(yè)東營市加文光電有限公司正在與浪潮華光集團合作，聯(lián)合開發(fā)一種新型的交流驅(qū)動AC LED技術(shù)，項目取得了突破性進展，各項指標均已符合產(chǎn)業(yè)化要求，并申報了國家發(fā)明專利。

加文光電成功開發(fā)了AC LED技術(shù)，徹底突破了這一技術(shù)瓶頸。加文光電在該領(lǐng)域的技術(shù)突破、專利申請及產(chǎn)品研發(fā)不僅迅速填補了AC LED在國內(nèi)的研究空白，而且在芯片尺寸、功率、電效率及有效發(fā)光面積等重要參數(shù)方面實現(xiàn)了優(yōu)化，處于國際領(lǐng)先水平，為我國LED技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。

3 結(jié)語

目前，AC LED技術(shù)還不夠完善，相關(guān)產(chǎn)品的價格也較為昂貴，距離進入普通家庭還有很長的一段路程，AC LED也不會完全取代DC LED的應(yīng)用市場，因為可攜式產(chǎn)品仍舊需要依靠低壓直流供電。因此，AC LED未來發(fā)展的趨勢，應(yīng)以交流電驅(qū)動的產(chǎn)品為主，如照明燈具、電視背光源、出入口指示燈及建筑景觀照明美化等應(yīng)用。AC LED多是以應(yīng)用端的需求出發(fā)，根據(jù)不同的需求特性做出特有的封裝型式，商品更具差異化。因此當廠商取得特有應(yīng)用封裝技術(shù)的專利，以其差異化的封裝技術(shù)與產(chǎn)品取得在市場上的生存機會。

AC LED是一項嶄新的照明技術(shù)，在低碳經(jīng)濟以及高環(huán)保的時代背景下，AC LED將在LED燈具小型化、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域提供一種新的選擇。

[1]顏重光.發(fā)展迅速的AC直接驅(qū)動LED光源技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界，2009，2：64-66.

[2]顏重光.AC直接驅(qū)動LED光源技術(shù)[J].電子元器件資訊，2009，4：58-60.

[3]毛興武.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]解學(xué)軍，潘文正.工頻市電直接驅(qū)動的白光交流發(fā)光二極管[J].光源與照明，2009，3：16-17.