引言

　　50 年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，個(gè)商用二極管產(chǎn)生于 1960 年。 發(fā)光二極管的部分是由 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體組成的晶片，在 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為 p-n 結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED 。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。高光效、低光衰大功率LED，已廣泛應(yīng)用于路燈、工礦燈、隧道燈、射燈、日光燈等諸多照明領(lǐng)域，深受業(yè)界一致好評(píng)。新興LED照明技術(shù)如今正在加速發(fā)展，應(yīng)用中的新技術(shù)、新方案也不斷涌現(xiàn)。LED照明設(shè)計(jì)可結(jié)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(chǎng)主流。近年來(lái)，隨著 LED 在材料選取、晶粒制程、封裝架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的研究不斷進(jìn)步，一種新的交流發(fā)光二極管（ AC LED ）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)一種新的思路，推動(dòng)了 LED照明技術(shù)的實(shí)用化。

　　1、傳統(tǒng)LED照明技術(shù)及其不足

　　傳統(tǒng)的LED是典型的低壓直流器件，無(wú)法直接在我們?nèi)粘Ｕ彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣鳎ˋC 100～220V）下使用，必須經(jīng)過(guò)變壓器或開(kāi)關(guān)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(lái)安置這個(gè)變換器，不利于照明燈具的設(shè)計(jì)和小型化。而且系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)換時(shí)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(qū)動(dòng)LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應(yīng)用方案將大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)效率將很輕松地達(dá)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(wú)法體現(xiàn)LED長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

　　2、AC LED的原理和特點(diǎn)

　　2.1  AC LED的結(jié)構(gòu)組成

　　AC LED是相對(duì)于傳統(tǒng)的DC LED來(lái)說(shuō)，無(wú)須經(jīng)過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換，可直接插電于220V（或110V） 交流電使用的 LED 照明技術(shù)。AC LED光源的技術(shù)關(guān)鍵是LED晶粒在封裝時(shí)的特殊排列組合技術(shù)，同時(shí)利用LED PN結(jié)的二極管特性兼作整流，通過(guò)半導(dǎo)體制作工藝將多個(gè)晶粒集成在一個(gè)單芯片上，即高功率單晶粒（single power chip）LED 技術(shù)，并采用交錯(cuò)的矩陣式排列工藝組成橋式電路，使AC電流可雙向?qū)?，?shí)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(cuò)的矩陣式排列示意圖，右小圖是實(shí)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(dǎo)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(diǎn)

　　AC LED光源的工作原理如圖2所示，由LED微晶粒采用交錯(cuò)的矩陣式排列工藝組成5個(gè)橋臂，組成類似一個(gè)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(shí)線流動(dòng)，3個(gè)橋臂的LED晶粒發(fā)光，負(fù)半周沿虛線流動(dòng)，又有3個(gè)橋臂的LED晶粒發(fā)光，四個(gè)橋臂上的LED晶粒輪番發(fā)光，相對(duì)橋臂上的LED晶粒同時(shí)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(huì)以每秒50（60）次的頻率輪替點(diǎn)亮。整流橋取得的直流是脈動(dòng)直流，LED的發(fā)光也是閃動(dòng)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(duì)流動(dòng)光點(diǎn)記憶是有惰性的，所以感覺(jué)不到光的閃動(dòng)。LED有一半時(shí)間在工作，所以發(fā)熱得以減少40%～20%。其使用壽命較DC LED長(zhǎng)。

　　AC LED 體積小，可應(yīng)用于工業(yè)及民用小型指示燈；高壓低電流導(dǎo)通優(yōu)點(diǎn)克服了使用 DC LED 時(shí)，線路高損耗造成需依賴電源供應(yīng)器接續(xù)的問(wèn)題；而且雙向?qū)?，藍(lán)綠光 LED 無(wú)靜電擊穿 ESD 問(wèn)題；使用微晶粒技術(shù)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(duì)于一般照明產(chǎn)業(yè)及 LCD 背光面板產(chǎn)業(yè)，更是一項(xiàng)實(shí)用化新技術(shù)。

　　3、AC LED的發(fā)展及典型產(chǎn)品

　　韓國(guó)漢城半導(dǎo)體公司即今天的首爾半導(dǎo)體早在2005年已發(fā)明可以用交流電直接驅(qū)動(dòng)使其發(fā)光的 AC LED，其次是美同III-N Technology，3N技術(shù)開(kāi)發(fā) MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)基礎(chǔ)的氮化鎵討底，可以增進(jìn)照明和傳感器的應(yīng)用 ，并降低成本和提高生產(chǎn)效率。3N發(fā)明的單芯片交流發(fā)光二極管（AC LED），建立了全面的組合，以保護(hù)和改善技術(shù)，牢固地確立其專有的立場(chǎng)，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(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院2008年也完成可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并有實(shí)際應(yīng)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(yīng)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(wú)法直接在交流電源下使用 ，造成產(chǎn)品應(yīng)用成本較高的缺點(diǎn)。臺(tái)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(jiǎng)之稱的 2008年R&D 100 Award大獎(jiǎng)?，F(xiàn)在全世界只有美國(guó)、韓國(guó)  臺(tái)灣工研院有此技術(shù)，臺(tái)灣工研院開(kāi)發(fā)出白光 、藍(lán)光及綠光 AC LED制程技術(shù)不僅與國(guó)際同步 ，也是者之一。

　　韓國(guó)LED廠商首爾半導(dǎo)體指出，使用交流電源驅(qū)動(dòng)的獨(dú)自產(chǎn)品Acriche在2月份實(shí)現(xiàn)了100lm/W的高光效。2010年4月已經(jīng)開(kāi)始投入量產(chǎn)的同時(shí)，研制出了超過(guò)150lm/W的發(fā)光效率。由于2010年Q1正式量產(chǎn)100lm/W產(chǎn)品，將繼續(xù)加快研究步伐，設(shè)法在之后量產(chǎn)150lm/W產(chǎn)品。

　　圖3 Acriche產(chǎn)品圖片

　　該150lm/W產(chǎn)品將在2010年年末之前投入量產(chǎn)。該Acriche將在更大范圍內(nèi)替換鹵素?zé)?、白熾燈泡或螢光燈。?009年9月份開(kāi)始，歐洲已禁止銷售100W級(jí)以上白熾燈泡。今后，所有國(guó)家都將從法律上規(guī)定禁止使用所有無(wú)效率的現(xiàn)有燈泡。

　　Acriche可在民用交流電源下無(wú)需直流交流轉(zhuǎn)換器就能驅(qū)動(dòng)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(méi)有電力損失，還因無(wú)需安裝轉(zhuǎn)換器而節(jié)省附帶費(fèi)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(diǎn)。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。此外，已有100余家企業(yè)開(kāi)始擴(kuò)大了使用范圍。

　　液光固態(tài)照明股份有限公司研發(fā)的采用獨(dú)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(wú)須使用電源轉(zhuǎn)換器，使得燈泡壽命不受限于轉(zhuǎn)換器，使用環(huán)保安全的配方液體，取代原來(lái)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(chǎng)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(gè)典型應(yīng)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(jìn)入照明工作。相對(duì)傳統(tǒng)的DC LED，無(wú)須降壓整流裝置，大大簡(jiǎn)化了實(shí)際應(yīng)用，提高了效率和可靠性。

　　圖5  AC LED的典型應(yīng)用電原理圖

　　AC LED剛剛起步，現(xiàn)階段仍有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是發(fā)光效率并沒(méi)有DC LED高。二是AC LED有觸電的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)锳C 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(xiǎn)，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(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種新的 綠色光源—AC LED，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，指出了其相對(duì)于傳統(tǒng)DC LED的優(yōu)點(diǎn)，并介紹了其應(yīng)用和發(fā)展前景。雖然目前AC LED在發(fā)光亮度、功率等方面還不夠理想，但AC LED的應(yīng)用簡(jiǎn)便、無(wú)需變壓轉(zhuǎn)換器和恒流源，以及低成本、高效率已顯現(xiàn)強(qiáng)大的生命力。AC LED的技術(shù)在飛躍發(fā)展，可以設(shè)想在不久的將來(lái)，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(gè)世界提供光明。