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解析AC LED应用与发展趋势

2009-11-11 16:05
人在旅途20
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 2008年9月,台湾工研院以「芯片式交流电发光二极管照明技术(On Chip AC LED Lighting Technology)」获得美国R&D 100 Awards肯定。2008年10月更与厂商合作成立「AC LED 应用研发联盟」,透过产业垂直整合发展,积极在全球布局AC LED相关专利。以AC LED可直接在交流电下运作的特性,配合特有插拔式散热封装,将对传统LED在照明及相关应用带来冲击,同时也为台湾LED厂商发展另创新的商机。

  一. AC LED利用交流电直接驱动,颠覆传统应用

       不论是家庭、工商业或公共享电,大多以交流电(Alternating Current,AC)的方式提供,主要是为了避免远距离的电力传送会有多余损耗,才采用交流电的方式输送到使用端,故电器必须设计成交流电驱动使用,否则会因电压不符而产生短路问题。

        传统LED皆须以直流电(Direct Current,DC)做为驱动,因此在使用一般交流电作为电源供应的同时,必须附带整流变压器将AC/DC转换,才能确保LED的正常运作。而应用上一直强调LED省电的特性,但在AC/DC转换的过程中,其实有高达15~30%的电力耗损,使用上依旧不具效率;因此,研发可直接用AC驱动的LED就成了一个新构想。

       台湾工研院成功研发出可在交流电110V下直接使用的AC LED,搭配特有的立体导热和可插拔式封装技术,于2008年荣获美国R&D 100国际大奖肯定。AC LED除了增添应用上的便利性外,更将为LED产业的发展掀起一波新革命时代。

(一) 在照明灯源演进上AC LED占尽优势

       传统白炽灯因电光效率转换差,且有环保上的问题,在节能减碳风潮带动下,2010年起全球将纷纷禁用,宣告LED照明普及时代已不远,唯目前仍需精进白光LED发光效率和散热设计。

       LED在电流通过发光时会产生热能,而DC LED在AC/DC转换过程中产生更多热能,因此散热设计将是影响LED使用寿命的关键。一般设计是直接将LED和散热基板焊在一起,当LED灯源损坏时,必须整个基座汰换。而工研院研发的AC LED采用可插拔式立体导热封装技术,除增加导热面积外,当灯源损耗时可直接以插拔方式汰换,较DC LED便利,也因此特殊的插拔式技术获得美国R&D 100国际大奖肯定。

 

图一 灯源演进及相关应用特性 Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11


          AC LED透过特殊电路设计可直接使用交流电驱动,不需配合整流变压器也能正常运作,所以在照明灯具设计上,体积及重量都能较一般DC LED灯具更有优势。但目前因发光效率仍比DC LED差,价格也较贵,在应用推广上仍需一段时间。

表一 LED光源特性比较


 
Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11


(二) AC LED搭配可插拔式封装,使用更为便利

        工研院在此次得奖的AC LED研发上有两大主要技术,分别为「高效桥式AC LED芯片技术」和「低热阻立体导热插拔LED封装技术」。

        桥式AC LED芯片技术主要是利用桥式整流电路的设计,将AC电流导入后经由转换,会输出DC电流;此外,工研院亦突破微晶粒制程技术,在单颗1mm2的面积内排列出约百颗微晶粒,更有效提升整片AC LED芯片的发光效率。

图二 AC LED Wafer和微晶粒结构
 AC LED Wafer和微晶粒结构
 Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11


        当电压为顺向偏压时,电流会顺著某一方向流出,通过发光二极管使其发光;当电压为逆向偏压时,电流往反方向流动,使另一边的发光二极管发光。原先输入的交流电,透过桥式电路整流后会改变其波型;而桥式整流过程中会有漏电情形发生,输出的电压形式较接近直流电。

图三 桥式电路整流示意图
 AC LED Wafer和微晶粒结构
 
Source:拓墣产业研究所,2008/11


        低热阻立体导热插拔LED封装,则是此次工研院电光所获得美国R&D 100大奖肯定的技术核心。国际上接口热阻封装安规标准不能大于3℃/W,电光所利用立体式导热封装的概念,将导热的接触面积增加为原本的10倍,散热的体积也增加,使接口热阻仅0.3℃/W,大幅改善LED最为人诟病的散热问题。因将电路和散热整合在封装内部,亦搭配插拔式的外型,可直接在一般交流电的插槽更换使用,增添便利性。

图四 立体式导热封装技术专利
 立体式导热封装技术专利
 
Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11


        由于目前台湾厂商生产的LED发光效率仍较差,在能量不灭的定理下,产生的热能也较多,因此如何解决散热问题就更为重要。相对于发光效率较好的欧美日大厂LED产生的热能较少,是否因为台厂有更好的散热系统而将其市场侵蚀,仍需持保留的态度。但不可否认的是,工研院将LED封装型式设计为插拔式更换,不需将LED和散热基板焊接在一起,大大提升了LED使用上的便利性。

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