AC LED技术的原理和特点及典型应用

        引言

　　以高效节能、绿色环保、长寿命为特点的新兴LED照明技术如今正在加速发展，应用中的新技术、新方案也不断涌现。LED照明设计可结合光源特性，如光源指向性、冷光源及色彩变化等，必将将成为照明市场主流。近年来，随着 LED在材料选取、晶粒制程、封装架构设计技术等方面的研究不断进步，一种新的交流发光二极管（ AC LED ）技术应运而生，通过一种新的思路，推动了 LED照明技术的实用化。

       1、传统LED照明技术及其不足

　　传统的LED是典型的低压直流器件，无法直接在我们日常照明使用的电源是高压交流（AC 100～220V）下使用，必须经过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，才能供LED光源使用。

　　因此在LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个变换器，不利于照明灯具的设计和小型化。而且系统经过的变换环节，能量必然有一定量的损耗，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。变换装置的存在造成了传统LED照明产品成本较高的重要因素，也成为制约LED光源产品寿命的瓶颈，无法体现LED长寿命的特点。

        2、AC LED的原理和特点

        2.1  AC LED的结构组成

　　AC LED是相对于传统的DC LED来说，无须经过AC/DC转换，可直接插电于220V（或110V） 交流电使用的 LED 照明技术。AC LED光源的技术关键是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，通过半导体制作工艺将多个晶粒集成在一个单芯片上，即高功率单晶粒（single power chip）LED 技术，并采用交错的矩阵式排列工艺组成桥式电路，使AC电流可双向导通，实现发光。晶粒的排列如图1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1  AC LED晶粒封装示意图

        2.2 AC LED的工作原理及特点

　　AC LED光源的工作原理如图2所示，由LED微晶粒采用交错的矩阵式排列工艺组成5个桥臂，组成类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交流源，另两端联接一组LED晶粒，交流的正半周沿实线流动，3个桥臂的LED晶粒发光，负半周沿虚线流动，又有3个桥臂的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，中间桥臂的LED晶粒因共用而一直在发光。

图2  AC LED光源的工作原理

　　在50Hz（60Hz）的交流中会以每秒50（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，而人眼对流动光点记忆是有惰性的，所以感觉不到光的闪动。LED有一半时间在工作，所以发热得以减少40%～20%。其使用寿命较DC LED长。

　　AC LED 体积小，可应用于工业及民用小型指示灯；高压低电流导通优点克服了使用 DC LED 时，线路高损耗造成需依赖电源供应器接续的问题；而且双向导通，蓝绿光 LED 无静电击穿 ESD问题；使用微晶粒技术大幅提高发光效率；由于功率因数提高与低电流控制，对于一般照明产业及 LCD背光面板产业，更是一项实用化新技术。

        3、AC LED的发展及典型产品

　　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，其次是美同III-N Technology，3N技术开发 MOCVD生长技术基础的氮化镓讨底，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，是首届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或史高频率的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因此获得素有美曰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  台湾工研院有此技术，台湾工研院开发出白光 、蓝光及绿光 AC LED制程技术不仅与国际同步 ，也是全球领先者之一。

       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3）。LED晶粒直接封装在铜铝基板上。

图3 首尔半导体的AC LED

　　液光固态照明股份有限公司研发的采用独有的液体沉浸热管理解决方案（LITMS）的功率为5W的AC LED灯泡，将AC LED采用玻璃封装，无须使用电源转换器，使得灯泡寿命不受限于转换器，使用环保安全的配方液体，取代原来的金属散热片，而前向液冷360度散热方式，也是AC LED的光线更加柔和，减小刺眼感。其外形图如图4所示。

图4 液冷AC LED灯泡外形图

　　AC LED不仅可以用在各种场合的照明，还可以用于液晶显示屏的背光照明。其在照明上的一个典型应用原理图如图5所示，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。相对传统的DC LED，无须降压整流装置，大大简化了实际应用，提高了效率和可靠性。

图5  AC LED的典型应用电原理图

　　AC LED刚刚起步，现阶段仍有两个缺点，一是发光效率并没有DC LED高。二是AC LED有触电的风险。因为AC LED直接连接高压电网，如果采用金属鳍片散热，容易发生触电危险，需要研究新的间接散热方案，比如充液LED固态照明灯具等。

        4、结语

　　目前AC LED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，可以设想在不久的将来，高亮度、大功率、低成本的产品将大量面世，更绿色、更环保为我们这个世界提供光明。