優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換效率 HV LED“大敗”DC LED

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間: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LED為主，實際上對終端使用者的應(yīng)用環(huán)境觀察， led亮化工程，照明燈具超過9成是以連接市電(AC)交流電驅(qū)動發(fā)光為主，燈具使用DC LED勢必需經(jīng)由AC/DC轉(zhuǎn)換能源后驅(qū)動燈具照明，這對燈具不僅增加了應(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)光輸出強化，即必須增加驅(qū)動電能功率、增加偏壓，而DC LED在驅(qū)動電壓、電流有一定程度上限，因此導(dǎo)致市電需先透過AC-DC電路轉(zhuǎn)換成DC LED所需驅(qū)動電壓后，才能驅(qū)動LED光源應(yīng)用于照明用途。也因為DC-LED的驅(qū)動電壓小，市電轉(zhuǎn)換后會有一定程度損耗，能源轉(zhuǎn)換效率也會因此偏低，進而導(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)換效率偏低的問題關(guān)鍵。

圖為可支持50伏特、60mA驅(qū)動之HV LED，HV LED可簡化驅(qū)動電路設(shè)計，讓燈具壽命更長。

　　驅(qū)動電源設(shè)計 影響LED照明應(yīng)用效益

　　為改善DC LED的使用限制，業(yè)界也針對此發(fā)展了高電壓的LED產(chǎn)品，這類產(chǎn)品甚至可在元件端直接以市電(AC)進行直接驅(qū)動，照明光源少了AC-DC轉(zhuǎn)換電路，等于省下驅(qū)動電路的物料成本，也由于AC直接驅(qū)動，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)動電路如電子安定器、驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換電路等會產(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，若是吸頂型燈具來說根本不需要利用反光燈照改善光型限制，對常規(guī)照明應(yīng)用來說光輸出幾乎沒有浪費，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)動電路壽命限制

　　需注意的是，DC LED的最長使用壽命雖在理論可高達(dá)30，000小時，但實際在AC-DC電源轉(zhuǎn)換電路的平均使用壽命僅5，000小時上下，DC LED光源產(chǎn)品多半會在LED為失效前先因為轉(zhuǎn)換電路故障而使產(chǎn)品失效。至于AC-DC變壓與驅(qū)動電路，也會增加LED光源模塊設(shè)計困擾，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DC LED問題改善的進階設(shè)計，為利用晶粒排列與串接，國內(nèi)資訊，制作不需AC-DC轉(zhuǎn)換電路可直接市電驅(qū)動的光源產(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90%以上。HV LED為由AC LED技術(shù)延伸擴展的應(yīng)用設(shè)計技術(shù)，利用LED晶粒單向的串接連接制程搭配對應(yīng)的橋式整流元件(AC-DC)，就能讓HV LED可直接在市電(交流電)使用情境下運行，有功率因數(shù)高、電源效率高與驅(qū)動電路極為簡單等優(yōu)點，同時還具備LED高發(fā)光效率與更高的產(chǎn)品使用壽命優(yōu)點。

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。

　　與一般常見的DC LED 驅(qū)動方式不同的是，HV LED在特性與設(shè)計方面針對大電力直接驅(qū)動方面進行相關(guān)改進設(shè)計，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，車間照明，并無過大差異，只是因為HV LED為因應(yīng)高壓直接驅(qū)動需求，在設(shè)計上會利用串接因應(yīng)大電力直驅(qū)目的，而也是因為交/直流電源驅(qū)動差異，恒光電器，HV LED之設(shè)計方案與產(chǎn)品特性才會與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)計差異，DC LED為單晶粒或是部分多晶粒方式集成，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在使用時的元件表現(xiàn)正常，這部分絕緣的設(shè)計要求，多數(shù)HV LED制程會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，但實際上蝕刻溝槽也會相對使單位晶粒可發(fā)光面積減少，為了增加絕緣電性勢必需將溝槽設(shè)計得較寬，但單一元件能置放的晶粒就會受限，若利用較細(xì)窄的蝕刻溝槽改善LED的發(fā)光面積，但過窄細(xì)的蝕刻槽也會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，因為較窄細(xì)的絕緣溝槽，會讓金屬蒸鍍制法的材料不容易進入溝槽之中，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入溝槽的形狀改善，如使用溝槽開口較大梯形槽體就是相當(dāng)常見的制程改善手段，而使用梯形槽體的絕緣槽設(shè)計，其實也有利于LED晶粒的光輸出效益。同時，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)計也需要針對更低的光遮蔽性與低阻抗問題，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