摘要：傳統LED用直流電驅動，因此為DC LED。韓國首爾半導體發明的AC LED，可由100V/110V或220V/230V的AC電源直接驅動，徹底顛覆了傳統DC LED照明及相關應用解決方案。本文介紹了AC LED的結構、工作原理、電學和光學參數及其應用。
關鍵詞：AC LED；交流直接驅動；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的“Acriche”AC LED。我國臺灣地區的工業技術研究院很快實現了AC LED的產業化生產，并在芯片技術和封裝技術上有重大創新，發明了“低熱阻立體導熱插拔封裝技術”，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）市電直接驅動的AC LED的發明，完全顛覆了傳統DC LED的照明應用方案，是LED發展史上的一次重大突破，為半導體照明增加了一個光彩奪目的新秀。
2、AC LED利用交流市電直接驅動，顛覆了傳統應用
于20世紀60年代問世目前被廣泛應用的LED，都由直流（DC）電驅動，因此系DC LED。當DC LED用于戶外大屏幕顯示、建筑照明、景觀照明和道路照明等領域時，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電源進行AC-DC轉換，并需要附加DC-DC變換電路，為LED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AC-DC和DC-DC轉換過程中，電力損耗達20%-30%，致使電路效率難以超過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。在電源變換過程中，需使用十幾個乃至幾十個元器件，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，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3萬小時以上。在使用過程中，LED不能再點亮，其實LED本身并沒有損壞，而是其驅動電路中元件失效所致。
AC LED僅需串接一個限流電阻就可利用交流市電直接驅動，不必進行AC-DC轉換，也不需要DC-DC降壓式恒流源驅動電路，完全顛覆了傳統LED的應用，給人們一個全新的設計和應用概念，對傳統LED照明及其相關應用是一個不小的沖擊。
3、AC LED的工作原理
AC LED核心技術是超細LED晶粒在封裝時的排列和組合，同時利用LED PN結的單向導通特性兼作整流。在AC LED制程中，將一堆LED微晶粒采用交錯矩陣排列工藝進行排列，并加入橋式整流電路設計，如圖2所示。當在兩個引腳上施加交流市電時，AC電流可以雙向流動，使LED晶粒發光。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LED晶粒），其中4串LED晶粒組成一個整流橋，還有1串LED晶粒安置在一個對角線bd上，AC電源加至整流橋的a、c兩點。在交流電的正半周（即AC電源左正右負時），電流從a點流入，經b、d和c點，返回到電源（負端）；在交流電的負半周（即AC電源左負右正時），電流從c點流入，經b、d和a點，返回到電源（負端）。當電流通過LED晶粒時，則會發光。當一對平行橋臂上的LED晶粒導通時，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達幾十微秒（μs），故人眼觀察不到已經斷電的LED晶粒熄滅。整流橋上的LED晶粒有一半時間不工作，因而發熱量可減少20%~40%，使AC LED的壽命較DC LED長。但是，位于對角線bd上的LED晶粒始終是導通的。與普通橋式整流電路一樣，當輸入一個正弦AC電壓Vin時，則產生一個直流脈動電壓Vout[見圖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相類似，如圖4所示，尺寸見圖5。臺灣工業技術研究院采用創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，臺灣工業技術研究院光電所將AC LED導熱的接觸面積增大到先前同類器件的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。臺灣工業技術研究院改進了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芯片的發光效率。
目前臺灣市面上由艾爾莎（ELSA）代理銷售的AC LED，主要是液光固態公司（LIQUIDLEDS）生產，產品規格以2W和4W為主，選用首爾半導體的芯片，搭配特殊液態絕緣油散熱，光源經由液體的光折射后能更為均勻射出，在外觀上則選用玻璃封裝，有著良好的耐酸堿性能。
5、AC LED的光電參數及其特性曲線
5.1 AC LED的光電參數
目前臺灣工業技術研究院的AC LED以5W為主，8W和10W的產品正在開發中。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，表1列示了4W AC LED的型號和電子光學參數。
表1 首爾半導體4W AC LED代表性產品電子光學參數
5.2 AC LED的特性曲線
AC LED的色譜特性曲線如圖7所示。圖8為AC LED相對亮度與定向角之間的關系曲線。圖9所示為AC LED相對光通量與工作電壓之間的關系。
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。
6、AC LED的應用
6.1 AC LED驅動電路
AC LED只要串聯一個限流電阻R，就可由AC電源直接驅動，如圖11所示。
AC LED生產廠家為用戶提供了工作電壓VF分檔和限流電阻值（見表2）。
表2 AW3200/AN3200和AW3220/AN3220的VF分檔和限流電阻值
兩個100V/110V的AC LED可以串聯在一起，再加上限流電阻，用220V/230V的AC電源直接驅動，如圖12所示。在圖12中，限流電阻R值見表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、產品展示照明、招牌照明、建筑照明和景觀照明。臺灣工業技術研究院已將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，在一些展覽會中早已登場亮相。
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是半導體照明領域中的新秀，這一全新型的固態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，在電池和太陽能供電的場合，DC LED依然是最適合的選擇。
7、結束語
利用工頻市電直接驅動的AC LED光色分純白和暖白色兩類，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，產品規格以2W、4W和5W為主，8W和10W的產品正在開發中。AC LED不需用變壓器和驅動電路，僅需一個限流電阻，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極大的便利。隨著AC LED光效的提高、功率的增加和生產成本的降低，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。
參考文獻
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