優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換效率 HV LED“大敗”DC LED

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-04-01

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 目前主流LED照明應(yīng)用,，仍以直流(DC)驅(qū)動(dòng)LED為主,，實(shí)際上對(duì)終端使用者的應(yīng)用環(huán)境觀察， led亮化工程,，照明燈具超過(guò)9成是以連接市電(AC)交流電驅(qū)動(dòng)發(fā)光為主,，燈具使用DC LED勢(shì)必需經(jīng)由AC/DC轉(zhuǎn)換能源后驅(qū)動(dòng)燈具照明，這對(duì)燈具不僅增加了應(yīng)用成本,，也增加了產(chǎn)品的復(fù)雜度,，照明資質(zhì)，能源轉(zhuǎn)換效率亦影響整體節(jié)能效益,，HV LED需求與效益逐漸受到重視…

　　目前使用最廣泛的LED照明應(yīng)用，多數(shù)仍是以DC LED為主,，然而LED想在發(fā)光輸出強(qiáng)化,，即必須增加驅(qū)動(dòng)電能功率、增加偏壓,，而DC LED在驅(qū)動(dòng)電壓,、電流有一定程度上限，因此導(dǎo)致市電需先透過(guò)AC-DC電路轉(zhuǎn)換成DC LED所需驅(qū)動(dòng)電壓后,，才能驅(qū)動(dòng)LED光源應(yīng)用于照明用途,。也因?yàn)镈C-LED的驅(qū)動(dòng)電壓小，市電轉(zhuǎn)換后會(huì)有一定程度損耗,，能源轉(zhuǎn)換效率也會(huì)因此偏低,，進(jìn)而導(dǎo)致燈具的整體使用效益受影響。尤其是DC-LED所必需的AC-DC轉(zhuǎn)換電路或整流器,，會(huì)讓燈具或是替換用之LED球泡燈,、板燈等照明產(chǎn)品增加額外物料成本，同時(shí)為了壓低燈具成本也只能用低成本AC-DC轉(zhuǎn)換電路,，這也使得用于照明光源的AC-DC轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率偏低的問(wèn)題關(guān)鍵,。

圖為可支持50伏特、60mA驅(qū)動(dòng)之HV LED,，HV LED可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),，讓燈具壽命更長(zhǎng)。

　　驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì) 影響LED照明應(yīng)用效益

　　為改善DC LED的使用限制,，業(yè)界也針對(duì)此發(fā)展了高電壓的LED產(chǎn)品,，這類(lèi)產(chǎn)品甚至可在元件端直接以市電(AC)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng),，照明光源少了AC-DC轉(zhuǎn)換電路，等于省下驅(qū)動(dòng)電路的物料成本,，也由于AC直接驅(qū)動(dòng),，能源轉(zhuǎn)換效率亦可大幅提高，發(fā)光效率部分則視設(shè)計(jì)差異,，恒光,，店鋪照明，商業(yè)照明,，一般均有較同功率產(chǎn)品更佳的發(fā)光效率,。

　　先檢視傳統(tǒng)照明光源的使用情境，在傳統(tǒng)照明設(shè)計(jì)中,，發(fā)光效率以螢光燈燈管的能源-光效率轉(zhuǎn)換最高,，螢光燈管至少都有60～70 lm/W表現(xiàn)水平，辦公照明,，但螢光燈管的驅(qū)動(dòng)電路如電子安定器,、驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換電路等會(huì)產(chǎn)生約15～20%的能源轉(zhuǎn)換損耗，而燈管為周光散射型光型,，燈管上緣的光輸出仍需經(jīng)燈具反光板折射,，光效率損耗也會(huì)有約40%耗損，檢視整體光源使用情境觀察,，螢光燈管燈具的發(fā)光效率約僅達(dá)到30～35 lm/W水平,。

　　再檢視DC LED直流驅(qū)動(dòng)LED的光效率表現(xiàn)，一般LED光源的光效率可達(dá)到130～150 lm/W水平,，前文提到DC LED必備的AC-DC能源轉(zhuǎn)換電路會(huì)產(chǎn)生約30%能源轉(zhuǎn)換耗損,，而與螢光燈管的發(fā)光光型不同的是，貼片型的LED元件發(fā)光光型為扇形輸出,，若是吸頂型燈具來(lái)說(shuō)根本不需要利用反光燈照改善光型限制,，對(duì)常規(guī)照明應(yīng)用來(lái)說(shuō)光輸出幾乎沒(méi)有浪費(fèi)，DC LED照明光源的能源轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)于螢光燈管照明,，但期間驅(qū)動(dòng)能源轉(zhuǎn)換耗損部分若能有效改善,，將可讓整體產(chǎn)生的節(jié)能效益發(fā)揮更高。

LED雖具高使用壽命 但卻受驅(qū)動(dòng)電路壽命限制

　　需注意的是,，DC LED的最長(zhǎng)使用壽命雖在理論可高達(dá)30,，000小時(shí)，但實(shí)際在AC-DC電源轉(zhuǎn)換電路的平均使用壽命僅5,，000小時(shí)上下,，DC LED光源產(chǎn)品多半會(huì)在LED為失效前先因?yàn)檗D(zhuǎn)換電路故障而使產(chǎn)品失效。至于AC-DC變壓與驅(qū)動(dòng)電路,，也會(huì)增加LED光源模塊設(shè)計(jì)困擾,，例如產(chǎn)品體積需塞入變壓電路,，產(chǎn)品也不適合制作中/高功率LED光源產(chǎn)品。AC LED為針對(duì)DC LED問(wèn)題改善的進(jìn)階設(shè)計(jì),，為利用晶粒排列與串接,，國(guó)內(nèi)資訊，制作不需AC-DC轉(zhuǎn)換電路可直接市電驅(qū)動(dòng)的光源產(chǎn)品,，產(chǎn)品功率因數(shù)可以高達(dá)80%以上,，電源使用效率也超過(guò)90%以上。HV LED為由AC LED技術(shù)延伸擴(kuò)展的應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù),，利用LED晶粒單向的串接連接制程搭配對(duì)應(yīng)的橋式整流元件(AC-DC),，就能讓HV LED可直接在市電(交流電)使用情境下運(yùn)行，有功率因數(shù)高,、電源效率高與驅(qū)動(dòng)電路極為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),，同時(shí)還具備LED高發(fā)光效率與更高的產(chǎn)品使用壽命優(yōu)點(diǎn)。

圖為采用高導(dǎo)熱銅基板,、cob多晶封裝的HV LED產(chǎn)品,，適用于天井燈、工礦燈,、投光燈,、隧道燈、路燈等面光源燈具所需之高效LED光源模塊,。

　　與一般常見(jiàn)的DC LED 驅(qū)動(dòng)方式不同的是，HV LED在特性與設(shè)計(jì)方面針對(duì)大電力直接驅(qū)動(dòng)方面進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì),，而HV LED高壓LED的制程為利用半導(dǎo)體制程把多顆晶粒同時(shí)設(shè)置在單一基板上制作,，其余制程技術(shù)與一般照明光源用LED也相當(dāng)近似，車(chē)間照明,，并無(wú)過(guò)大差異,，只是因?yàn)镠V LED為因應(yīng)高壓直接驅(qū)動(dòng)需求，在設(shè)計(jì)上會(huì)利用串接因應(yīng)大電力直驅(qū)目的,，而也是因?yàn)榻?直流電源驅(qū)動(dòng)差異,，恒光電器，HV LED之設(shè)計(jì)方案與產(chǎn)品特性才會(huì)與DC LED出現(xiàn)差異,。在元件結(jié)構(gòu)上,，HV LED利用多顆晶粒制作在同一組基板上，晶粒與晶粒間利用金屬導(dǎo)線串聯(lián)連接,，元件外部連接市電用的導(dǎo)電墊片,，利用金屬打線連接至串接的LED晶粒上構(gòu)成電子偏壓回路，3c認(rèn)證,，而HV LED本身在制程也一樣采用DC LED相同的表面粗糙化等可增進(jìn)發(fā)光效能的制程技術(shù)加以集成,。

　　HV LED與DC LED制程相近 多數(shù)業(yè)者已擴(kuò)展產(chǎn)品線

　　仔細(xì)觀察HV LED與DC LED之間的差異,，主要是制程中多晶粒間的絕緣設(shè)計(jì)差異，DC LED為單晶�,；蚴遣糠侄嗑Я７绞郊���,，但集成難度均遠(yuǎn)低于HV LED要求，技術(shù)資訊,，而HV LED為利用多晶粒串接整體內(nèi)部電子回路運(yùn)行關(guān)鍵在于,，LED晶粒間的絕緣電性表現(xiàn)穩(wěn)定，LED燈管,，才能使HV LED在使用時(shí)的元件表現(xiàn)正常,，這部分絕緣的設(shè)計(jì)要求，多數(shù)HV LED制程會(huì)利用具較佳絕緣電性的藍(lán)寶石基板搭配蝕刻制程制作,。即便絕緣特性為HV LED制程關(guān)鍵,，但實(shí)際上蝕刻溝槽也會(huì)相對(duì)使單位晶粒可發(fā)光面積減少,，為了增加絕緣電性勢(shì)必需將溝槽設(shè)計(jì)得較寬,，但單一元件能置放的晶粒就會(huì)受限，若利用較細(xì)窄的蝕刻溝槽改善LED的發(fā)光面積,，但過(guò)窄細(xì)的蝕刻槽也會(huì)影響晶粒間的絕緣電性,，制作難度高。

　　另外HV LED的介電材料制法也是制程關(guān)鍵處,，因?yàn)檩^窄細(xì)的絕緣溝槽,，會(huì)讓金屬蒸鍍制法的材料不容易進(jìn)入溝槽之中，形成元件內(nèi)部的金屬導(dǎo)電薄膜產(chǎn)生的厚度或是連續(xù)性造成影響,，直接影響制程產(chǎn)品良率,。此外，提升介電材料制程的良率表現(xiàn),，目前也有相當(dāng)多種制程手法選擇,，例如將絕緣槽的蝕刻方式改變，蝕刻成較易讓蒸鍍氣體或是氣相沉積制程更容易進(jìn)入溝槽的形狀改善,，如使用溝槽開(kāi)口較大梯形槽體就是相當(dāng)常見(jiàn)的制程改善手段,，而使用梯形槽體的絕緣槽設(shè)計(jì)，其實(shí)也有利于LED晶粒的光輸出效益,。同時(shí),，也是為了改善整體光輸出效率，用于連接晶粒的金屬線體,，在線體設(shè)計(jì)也需要針對(duì)更低的光遮蔽性與低阻抗問(wèn)題,，也能改用透明之金屬氧化物制作導(dǎo)線材料，改善LED的發(fā)光效率表現(xiàn),。

　　HV LED燈具之能源利用率相當(dāng)高