AC LED的研究現狀與發展

滿 瑞， 李秋俊

（1.重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065；2.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

自20世紀60年代問世以來，LED在短短的40多年里，取得了飛速發展，LED器件也從早期的指示型LED發展到功率型LED。而在世界能源緊缺的今天，LED光源作為節能、綠色、長壽命的第四代照明光源正迅速地發展，LED照明普及時代的來臨已不遠。傳統的LED，必須提供合適的直流電才能使其正常發光，可稱作直流(DC)LED，而DC LED用于路燈、景觀照明等需要使用工頻市電時，必須在工頻市電與LED負載之間加上AC/DC變換器才能實現直流驅動，然而變換器的應用卻增加了整個LED燈具的體積、質量和成本，同時在交直流轉化的過程中也不可避免地要產生一定的電力損耗，這就降低LED燈具的工作效率。

而交流(AC)LED技術的發展，可以解決DC LED燈具無法直接在工頻市電下使用而造成產品成本增加、體積大等缺點。本文重點介紹AC LED的基本原理和國內外的研究現狀，討論了AC LED相比于DC LED的優缺點以及其市場推廣所面臨的挑戰，并展望其發展和應用的前景。

1 AC LED簡介

1.1 AC LED基本原理

AC LED是相對于傳統的DC LED來說的，AC LED是一類集成了各種處理技術的LED產品，它包括多種器件或內核，無需額外的變壓器、整流器和驅動電路，交流電直接對其進行驅動。

AC LED芯片的重大技術突破是超細LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術，同時利用LED PN結的二極管特性兼作整流，其中，半導體制程技術扮演著相當重要的角色。AC LED通過半導體制程技術整合成一堆微小晶粒，采用交錯的矩陣式排列工藝，并加入橋式電路至芯片設計，使交流電流可雙向導通，實現發光[1]。

AC LED芯片的工作原理如圖1所示，將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝均分為五串，晶粒串組成了一個整流橋，整流橋的兩端分別連接交流源，另兩端連接一串LED晶粒，交流的正半周沿實線通路流動，3串LED晶粒發光，負半周沿虛線通路流動，又有3串LED晶粒發光，四個橋臂上的LED晶粒分兩組輪流發光，中間一串晶粒因共用而一直發光[2]。

圖1 AC LED典型結構(1)

另一種LED微小晶粒排列方式如圖2所示，采用交錯矩陣式排列工藝均分為正反方向的兩串，在交流電正負半周內分別點亮一次LED微小晶粒從而實現交流驅動LED，此結構中，兩串LED發光的時間相等，解決了全橋式排列中工作時間不均而造成使用壽命長短不一的缺點。

圖2 AC LED典型結構(2)

1.2 AC LED應用電路

AC LED的典型應用電路非常簡單，如圖3所示。在AC LED兩端分別串入正溫度系數熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110 V或220 V交流即可實現AC LED的照明。

圖3 AC LED典型應用電路圖

由于LED在大批量生產時，其阻抗有一定的離散性，AC LED也如此，為便于下游廠家的大批量應用，LED光源生產廠商在出廠時對批量生產的產品按阻抗分檔，在使用時可按LED光源廠家提供的VF分檔與限流電阻表查用相應阻值的限流電阻，如表1所示韓國首爾半導體公司的產品AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表。

表1 VF分檔與限流電阻表

AC LED可匹配需要110 V或220 V電壓的系統，所以AC LED可以應用于一般照明、建筑照明、路燈、家具照明、產品展示照明和招牌照明等采用工頻市電的領域。

1.3 AC LED的優勢

普通LED必須以直流電來驅動，所以在交流電和LED負載之間需要添加AC/DC轉換器以實現LED的直流驅動，然而轉換器體積大、質量重，不但增加燈具體積和成本，還會在交直流轉換過程中產生額外的電力損耗[3]。相較于DC LED，AC LED燈具不需要整流變壓器，不但減小LED的體積和質量，提升了應用空間，降低了燈具的成本，還省下了交直流轉化時15%～30%的電力損耗，提升了整體LED燈具的發光效率。

另外，交直流轉換器是一種隨著時間會老化的電子器件，其壽命比LED光源本身要短得多，目前很多LED燈具的老化，并非LED光源壽命已盡，而是LED燈具使用的轉換器先損壞。然而，AC LED燈具由于沒有轉換器，避免了轉換器的壽命遠小于LED光源本身的壽命而產生的光源和驅動器壽命匹配問題。在市場推廣中，也可以很方便地直接替換傳統光源，而無須改變原有的燈座，使得AC LED在取代傳統光源的過程中更容易推廣應用。

AC LED還有一個特性，就是其生產工藝采用交錯的矩陣式排列，一個交流周期輪流點亮兩組LED晶粒，這使得AC LED的使用壽命較DC LED更長。

相比于DC LED，AC LED在很多方面都顯示了優越性，如表2所示。

表2 AC LED和DC LED的比較

1.4 AC LED的不足

雖然AC LED在很多方面都展現了其優勢，但現階段仍然還有一些技術難題有待解決：（1） 現階段AC LED發光效率并沒有DC LED高，這是因為DC LED是目前LED產業發展的主流，AC LED剛剛起步，投入AC LED研究的企業也不成規模，對AC LED的研究尚不成熟，因此AC LED的價格也比較昂貴；（2）因為AC LED直接使用市電交流電來驅動，再負載和市電之間沒有運用隔離技術，因此AC LED運用時有觸電的風險，AC LED在照明應用中應避免金屬片的裸露。

目前，AC LED在發光亮度、功率等方面還不夠理想，而且剛剛步入成長期，但AC LED的應用簡便、無需變壓轉換器和恒流源，以及低成本、高效率等優點，AC LED顯現了其強大的生命力。隨著AC LED技術的發展，相信在幾年后，高亮度、大功率、低成本的AC LED產品將大量面世。

2 AC LED研究現狀

在AC LED技術發展的過程中，除了臺灣地區以外，韓國首爾半導體公司最為積極。也只有韓國、臺灣及美國的三家公司擁有AC LED核心技術及第一代產品。

2.1 韓國首爾半導體公司

韓國首爾半導體公司很早就開始從事AC LED的研發和推廣工作，是最早大規模研發該技術的半導體照明企業。2006年11月，一個名為“Acriche”的半導體嵌入式光源器件由該公司首次推出市場，“Acriche”是世界上最初不使用變換器直接插入AC電源來使用的半導體照明光源[4]。

“Acriche”可在民用交流電源下無需直流交流轉換器就能驅動的光源，與使用轉換器的普通LED相比，不使用轉換器，不僅沒有電力損失，還因無需安裝轉換器而節省附帶費用，而且因不使用轉換器而減少了碳排放量，具有更加環保的優點。因此，世界三大照明企業中的兩家企業已采用“Acriche”量產照明產品。

2007年11月，“Acriche”獲取了歐洲的“CE”和“TUV”安全認證，并研發出效率水平和可靠性能跟DC LED差不多的80流明/瓦特的新技術。

2011年3月，推出一款適用于筒燈的LED芯片—Acriche A8，一顆Acriche A8芯片就能夠代替一個60 W的傳統電燈泡，環形筒燈中僅需安裝2顆Acriche A8芯片即可完全滿足辦公照明的需求。在推出Acriche A8之前，首爾半導體就已經推出了兩款高亮度直流LED產品以及Acriche A7。

2.2 中國臺灣工研院

2008年9月，臺灣工業技術研究院以“芯片式交流電發光二極管照明技術”獲得美國R&D 100 Awards的肯定。工研院研發的AC LED采用可插拔式立體導熱封裝技術，除增加導熱面積外，當燈源損耗時可直接以插拔方式替換，較DC LED便利，而其立體式散熱封裝的構想，也有效解決LED散熱的問題，提升使用壽命。

2008年10月，臺灣工研院與臺灣多家廠商合作成立“AC LED應用研發聯盟”，透過產業垂直整合發展，積極在全球布局AC LED相關專利。

臺灣工研院資助成立了AC LED應用與研究聯盟，以整合島內的產業資源。幾乎所有島內主要的LED廠商都參與其中，包括芯片制造商、封裝設計公司、燈泡和系統公司等多家企業。AC LED應用研發聯盟分布如圖4所示。

圖4 AC LED應用研發聯盟

臺灣工研院所設計的AC LED規格是以5 W為主，目前正在開發8 W和10 W。在其舉辦的展覽會中已有相關的LED照明臺燈登場，其燈具設計較傳統臺燈更輕盈。工研院日前亦將AC LED用于42寸LCD TV背光模塊，現已成功完成樣品的示范，尚未進行量產階段。AC LED以體積小與質量輕的特征，在大尺寸面板背光源設計上將充分體現其不可比擬的優勢。臺灣工研院還運用AC LED技術，改變工藝中的材質和做法，成功開發出可以彎曲的LED燈，做到輕薄、柔軟、又可隨意彎曲。

2.3 美國Ⅲ-N和Lynk Labs

美國Ⅲ-N Technology在MOCVD生長技術基礎上開發的氮化鎵襯底，可以增進照明和傳感器的應用，并降低成本和提高生產效率。對發光二極管提供6英寸生產技術。其發明的單芯片交流發光二極管(AC LED)，建立了全面的專利組合，以保護和改善技術，牢固地確立其專有的地位，是首屈一指的大規模商業化生產的AC LED產品。

Lynk Labs是AC LED設備、光學引擎和電源供應技術供應商，已獲得該公司首項美國專利，Lynk Labs已擴大其產品供應線，以Tesla系列的AC LED產品為主，進入市場。

2.4 國內發展現狀

日前東營大學科技園生態谷入駐企業東營市加文光電有限公司正在與浪潮華光集團合作，聯合開發一種新型的交流驅動AC LED技術，項目取得了突破性進展，各項指標均已符合產業化要求，并申報了國家發明專利。

加文光電成功開發了AC LED技術，徹底突破了這一技術瓶頸。加文光電在該領域的技術突破、專利申請及產品研發不僅迅速填補了AC LED在國內的研究空白，而且在芯片尺寸、功率、電效率及有效發光面積等重要參數方面實現了優化，處于國際領先水平，為我國LED技術的發展做出了重要貢獻。

3 結語

目前，AC LED技術還不夠完善，相關產品的價格也較為昂貴，距離進入普通家庭還有很長的一段路程，AC LED也不會完全取代DC LED的應用市場，因為可攜式產品仍舊需要依靠低壓直流供電。因此，AC LED未來發展的趨勢，應以交流電驅動的產品為主，如照明燈具、電視背光源、出入口指示燈及建筑景觀照明美化等應用。AC LED多是以應用端的需求出發，根據不同的需求特性做出特有的封裝型式，商品更具差異化。因此當廠商取得特有應用封裝技術的專利，以其差異化的封裝技術與產品取得在市場上的生存機會。

AC LED是一項嶄新的照明技術，在低碳經濟以及高環保的時代背景下，AC LED將在LED燈具小型化、節能環保等領域提供一種新的選擇。

[1]顏重光.發展迅速的AC直接驅動LED光源技術[J].電子產品世界，2009，2：64-66.

[2]顏重光.AC直接驅動LED光源技術[J].電子元器件資訊，2009，4：58-60.

[3]毛興武.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]解學軍，潘文正.工頻市電直接驅動的白光交流發光二極管[J].光源與照明，2009，3：16-17.