交流發光二極管電路拓撲研究

孫富康，竇 秋

(1.安徽建筑大學節能研究院, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制與評估工程研究中心, 安徽 合肥 230022; 3.建筑節能安徽省工程技術研究中心, 安徽 合肥 230022; 4.安徽電氣工程學校, 安徽合肥 230031)

引言

2000年，Tamura等提出一種由直流發光二極管(DC-LED)組成交流電壓驅動LED模組[1]。而后，首爾半導體、3N和Lynk Labs公司等分別設計、制造了集成的交流發光二極管芯片(AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode)[2-5]。目前，交流發光二極管已經被設計成球泡燈、筒燈、射燈、面板燈、T5/T8燈管、路燈等燈具形式，廣泛應用于家庭、辦公、室外等照明領域。

目前，已研究、應用的交流發光二極管電路拓撲形式包括反向并聯式(Anti-parallel)、惠斯通電橋式(Wheatstone bridge)、階梯式(Ladder)和螺旋式(Screw)[6-7]。交流發光二極管的工作特性因電路拓撲不同而相異。

我們通過調研國內外交流發光二極管電路拓撲技術領域的相關論文和專利，闡述和分析不同類型交流發光二極管電路拓撲電路結構、工作原理，及電壓和電流工作特性。

1 交流發光二極管

交流發光二極管(AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode)可以直接用交流電驅動，無需由變壓器、電感、電解電容等元件組成的電源轉換電路；與傳統的直流發光二極管(DC-LED)燈具相比較，去除了30%～50%電源損耗，減少了30%～40%成本，電源驅動相對簡單[8-10]。

交流發光二極管有兩種制造形式，分別是多芯片技術(MCT，Multi-Chip Technology)和多結技術(MJT，Multi-Junction Technology)。多芯片技術又分為兩種，一種是將封裝好的LED器件焊接在電路基板上，另一種是以金屬打線的方式將LED芯片串聯并封裝在一起[2, 6, 7, 10]。多結技術是在材料層面實現多個LED-PN結，如圖1所示[6, 10-12]。

圖1 交流發光二極管結構圖[2, 6, 10, 11]Fig.1 Diagram of AC-LED’s structure

2 交流發光二極管的電路拓撲

2002年，J. E Ao等提出了一種反向并聯式交流發光二極管電路拓撲[13]；2005年，美國3N公司設計了一種基于電容式電流控制(C3，Capacitive Current Control)的交流發光二極管芯片，其電路拓撲中包含一個電容器[14]；2007年，Jaehee Cho等提出了一種橋式交流發光二極管電路拓撲[15]；2009年，Grigory A提出了一種階梯式交流發光二極管電路拓撲[16]。2014年，劉曉博在國內申請了螺旋式交流發光二極管電路拓撲專利[7]。此外，海立爾股份有限公司[17]、財團法人工業技術研究院[18]、福華電子股份有限公司[19]、華南師范大學[20]和中國科學研究院半導體研究所[21]近年來也在交流發光二極管電路設計領域申請了發明專利。

2.1 反向并聯式拓撲

反向并聯式拓撲是由兩路反向并聯的發光二極管燈串(LED string)構成，每個發光二極管串再由多顆發光二極管芯片串聯而成，如圖2所示；在交流工作周期中，每半個周期僅有一路發光二極管串發光[6, 13]。

圖2 反向并聯式電路拓撲示意圖[6, 13]Fig.2 Diagram of the anti-parallel circuit topology

圖3 反向并聯式拓撲電壓與電流特征圖Fig.3 Voltage and current characteristics of the anti-parallel circuit topology

u(t)=Umsinωt

(1)

UF=NA·Uf=NB·Uf

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 惠斯通電橋式拓撲

惠斯通電橋式拓撲是由輸出電橋和整流電橋構成，每個電橋都是由多顆發光二極管芯片串聯而成，如圖4所示；其中，輸出電橋上的發光二極管芯片在正、負偏壓下始終保持正向工作的狀態，整流電橋上的發光二極管芯片根據偏壓方向的不同成對地交替發光。整流電橋電路增加芯片的發光面積，提高了芯片的利用率[6, 15]。

圖4 惠斯通電橋式拓撲示意圖[6, 15]Fig.4 Diagram of the wheatstone-bridge circuit topology

圖5 惠斯通電橋式電路拓撲電壓與電流特征圖Fig.5 Voltage and current characteristics of the wheatstone-bridge circuit topology

UF=(NA+ND+NE)·Uf=(NB+NC+NE)·Uf

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2.3 階梯式拓撲

階梯式拓撲是由芯片正反連接而構成的若干個階梯單元組成，如圖6所示；在正、負偏壓下，中心橋上的芯片始終保持正向工作的狀態，而邊路橋上的芯片則是交替發光。階梯式電路拓撲的芯片利用率較高，可達60%以上[6, 16]。

圖6 階梯式拓撲示意圖[6, 16]Fig.6 Diagram of the ladder circuit topology

UF=(i+k)·Uf=(j+k)·Uf,i=1,2,…,n；

j=1,2,…,n

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

圖7 階梯式拓撲電壓與電流特征圖Fig.7 Voltage and current characteristics of the ladder circuit topology

2.4 螺旋式拓撲

螺旋式拓撲是由多顆發光二極管芯片通過串、并聯組成的網格狀電路，如圖8所示；與階梯式電路拓撲類似，在正、負偏壓下，中心橋上的芯片始終保持正向工作的狀態，而邊路橋上的芯片則是交替發光[7]。

圖8 螺旋式拓撲(m×n)[7]Fig.8 Diagram of the screw circuit topology

圖9 螺旋式拓撲電壓與電流特征圖Fig.9 Voltage and current characteristics of the screw circuit topology

UF=(i+k)·Uf=(j+k)·Uf,

i=1,2,…,n；j=1,2,…,n

(22)

A=Fij=

(23)

B=Fij=

(24)

C=Fij,i∈{2,4,6,…,m-1},j∈{2,4,6,…,n-1}

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

3 結束語

由于電源驅動結構簡單，功率因素和諧波失真特性較好，交流發光二極管有著廣闊的應用前景。我們通過調研國內外交流發光二極管電路拓撲研究領域的論文和專利，闡述了交流發光二極管電路拓撲發展歷程，分析了交流發光二極管反向并聯式、惠斯通電橋式、階梯式和螺旋式拓撲的結構特征和電路原理，建立了不同類型拓撲中器件隸屬關系、導通電壓、導通電流和導通時間的數學模型，及電壓與電流特征圖。

[1] TAMURA T, SETOMOTO T, TAGUCHI T. Illumination characteristics of lighting array using 10 candela-class white LEDs under AC 100 V operation[J]. Journal of Luminescence, 2000, 87(89): 1180-1182.

[2] YEN H H, YEH W Y, KUO H C. GaN alternating current light-emitting device[J]. Phys Stat Sol, 2007, 204(6)：2077-2081.

[3] 王金城. 交流LED驅動電路之研究[J]. 照明工程學報, 2006, 17(4): 49-51.

[4] 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, 7(4): 60-62.

[5] 高英明,鄒念育，張環月，等. 交流發光二極管光源的工作特性研究[J]. 半導體光電, 2011,10, 33(5): 606-609.

[6] 陳瑩亮. 交流發光二極管特性研究及熱學仿真[D]. 廈門：廈門大學，2011.

[7] 劉曉博. 螺旋拓撲及其矩陣整流結構：201210522576.5[P]. 2014-06-04.

[8] 吳麗敏. AC直接驅動LED光源技術[D]. 西安：西安電子科技大學，2012.

[9] 滿瑞等. AC LED的研究現狀與發展[J]. 電源技術, 2012, 36(7): 1068.

[10] 李浩. 交流發光二極管ACLED發光特性的研究與應用[D]. 廣州：華南理工大學，2015.

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[12] 首爾半導體. Acrich[EB/OL]. http://www.seoulsemicon.com/cn/technology/acrich/.

[13] AO J E, SATO H, MIZOBUCHI T, et al. Monolithic Blue LED Series Arrays for High-Voltage AC Operation[J]. Physical Status Solidi(a), 2002, 194(2): 376-379.

[14] Lynklabs. WHAT IS AC LED TECHNOLOGY?[EB/OL]. http://www.lynklabs.com/technology/.

[15] CHO Jaehee, JUNG Jaewook, et al. Alternating-current light emitting diodes with a diode bridge circuitry[J].Jpn J Appl Phys, 2007(46): L1194-L1196.

[16] GRIGORY A, ONUSHKIN, et al. Efficient alternating current operated white light-emitting diode chip[J]. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2009, 21(1): 33-35.

[17] 海立爾股份有限公司. 交流發光二極管結構： 200810145819.1[P]. 2008-08-06.

[18] 財團法人工業技術研究院. 交流發光二極管裝置：200810181944.8[P]. 2008-11-28.

[19] 福華電子股份有限公司. 高可靠度及長使用期的交流發光二極管裝置：200910225912.8[P]. 2009-11-23.

[20] 華南師范大學. 一種交流發光二極管裝置：201110323351.2[P]. 2011-10-22.

[21] 中國科學研究院半導體研究所. 一種交流發光二極管：201310287949.X[P]. 2013-07-10.

[22] LI H, CAO Y M,ZHANG J H,et al. Luminescence properties of alternating current light-emitting diodes (AC LEDs) through operating circuit and electrical characteristics. Optik, 2016,127:806-810.