摘要：介紹了一種新的 綠色光源—AC LED，分析了其結構特點和工作原理，指出了其相對于傳統(tǒng)DC LED的優(yōu)點，并介紹了其應用和發(fā)展前景。
關鍵詞：AC LED，光源，照明
0 引言
以高效節(jié)能、綠色環(huán)保、長壽命為特點的新興LED照明技術如今正在加速發(fā)展，應用中的新技術、新方案也不斷涌現(xiàn)。LED 照明設計可結合光源特性，如光源指向性、冷光源及色彩變化等，必將將成為照明市場主流。近年來，隨著 LED 在材料選取、晶粒制程、封裝架構設計技術等方面的研究不斷進步，一種新的交流發(fā)光二極管（ AC LED ）技術應運而生，通過一種新的思路，推動了 LED照明技術的實用化。
1 傳統(tǒng)LED照明技術及其不足
傳統(tǒng)的LED是典型的低壓直流器件，無法直接在我們日常照明使用的電源是高壓交流（AC 100～220V）下使用，必須經(jīng)過變壓器或開關電源降壓，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變換器，不利于照明燈具的設計和小型化。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，DC LED在交流、直流之間轉換時約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）直接驅動LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應用方案將大大簡化，系統(tǒng)效率將很輕松地達到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長壽命的特點。
2 AC LED的原理和特點
2.1 AC LED的結構組成
AC LED是相對于傳統(tǒng)的DC LED來說，無須經(jīng)過AC/DC轉換，可直接插電于220V（或110V） 交流電使用的 LED 照明技術。AC LED光源的技術關鍵是LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術，同時利用LED PN結的二極管特性兼作整流，通過半導體制作工藝將多個晶粒集成在一個單芯片上，即高功率單晶粒（single power chip）LED 技術，并采用交錯的矩陣式排列工藝組成橋式電路，使AC電流可雙向導通，實現(xiàn)發(fā)光。晶粒的排列如圖1所示，左圖是AC LED晶粒采用交錯的矩陣式排列示意圖，右小圖是實際AC LED晶粒排列照片，AC LED晶粒在接上交流后通體發(fā)光，因此只需要二根引線導入交流源即能發(fā)光工作。
圖1 AC LED晶粒封裝示意圖
2.2 AC LED的工作原理及特點
AC LED光源的工作原理如圖2所示，由LED微晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝組成5個橋臂，組成類似一個整流橋，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，交流的正半周沿實線流動，3個橋臂的LED晶粒發(fā)光，負半周沿虛線流動，又有3個橋臂的LED晶粒發(fā)光，四個橋臂上的LED晶粒輪番發(fā)光，相對橋臂上的LED晶粒同時發(fā)光，中間橋臂的LED晶粒因共用而一直在發(fā)光。
圖2 AC LED光源的工作原理
在50Hz（60Hz）的交流中會以每秒50（60）次的頻率輪替點亮。整流橋取得的直流是脈動直流，LED的發(fā)光也是閃動的，LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒，而人眼對流動光點記憶是有惰性的，所以感覺不到光的閃動。LED有一半時間在工作，所以發(fā)熱得以減少40%～20%。其使用壽命較DC LED長。
AC LED 體積小，可應用于工業(yè)及民用小型指示燈；高壓低電流導通優(yōu)點克服了使用 DC LED 時，線路高損耗造成需依賴電源供應器接續(xù)的問題；而且雙向導通，藍綠光 LED 無靜電擊穿 ESD 問題；使用微晶粒技術大幅提高發(fā)光效率；由于功率因數(shù)提高與低電流控制，對于一般照明產(chǎn)業(yè)及 LCD 背光面板產(chǎn)業(yè)，更是一項實用化新技術。
3 AC LED的發(fā)展及典型產(chǎn)品
韓國漢城半導體公司即今天的首爾半導體早在2005年已發(fā)明可以用交流電直接驅動使其發(fā)光的 AC LED，其次是美同III-N Technology，3N技術開發(fā) MOCVD生長技術基礎的氮化鎵討底，可以增進照明和傳感器的應用 ，并降低成本和提高生產(chǎn)效率。對大大小小的硅發(fā)光二極管提供6英寸生產(chǎn)技術。3N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，牢固地確立其專有的立場，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。臺灣工業(yè)技術研究院2008年也完成可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并有實際應用系統(tǒng)方案的AC LED產(chǎn)品，可直接插電于 60Hz或史高頻率的AC 110V交流電壓使其交流發(fā)光，應用于指示燈、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)品應用成本較高的缺點。臺灣工研院的On Chip AC LED因此獲得素有美曰產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新奧斯卡獎之稱的 2008年R&D 100 Award大獎。現(xiàn)在全世界只有美國、韓國 臺灣工研院有此技術，臺灣工研院開發(fā)出白光 、藍光及綠光 AC LED制程技術不僅與國際同步 ，也是全球領先者之一。
AC LED成熟的產(chǎn)品如首爾用于AC110V的AX3201、AX3211和用于220V的AX3221、AX3231。用于AC110V功率在3.3W～4W，工作電流40mA；用于AC220V功率在3.3W-4W，工作電流20mA（圖3）。LED晶粒直接封裝在銅鋁基板上。
圖3 首爾半導體的AC LED
液光固態(tài)照明股份有限公司研發(fā)的采用獨有的液體沉浸熱管理解決方案（LITMS）的功率為5W的AC LED燈泡，將AC LED采用玻璃封裝，無須使用電源轉換器，使得燈泡壽命不受限于轉換器，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AC LED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AC LED燈泡外形圖
AC LED不僅可以用在各種場合的照明，還可以用于液晶顯示屏的背光照明。其在照明上的一個典型應用原理圖如圖5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110V或220V交流即可進入照明工作。相對傳統(tǒng)的DC LED，無須降壓整流裝置，大大簡化了實際應用，提高了效率和可靠性。
圖5 AC LED的典型應用電原理圖
AC LED剛剛起步，現(xiàn)階段仍有兩個缺點，一是發(fā)光效率并沒有DC LED高。二是AC LED有觸電的風險。因為AC LED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，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 結語
目前AC LED在發(fā)光亮度、功率等方面還不夠理想，但AC LED的應用簡便、無需變壓轉換器和恒流源，以及低成本、高效率已顯現(xiàn)強大的生命力。AC LED的技術在飛躍發(fā)展，可以設想在不久的將來，高亮度、大功率、低成本的產(chǎn)品將大量面世，更綠色、更環(huán)保為我們這個世界提供光明。 |
