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(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LED為主，實(shí)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(qiáng)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?yàn)镈C-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(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(jì)，讓燈具壽命更長。

　　驅(qū)動電源設(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(jìn)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(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(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(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)動電路，也會增加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DC LED問題改善的進(jìn)階設(shè)計(jì)，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(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)動電路極為簡單等優(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。

　　與一般常見的DC LED 驅(qū)動方式不同的是，HV LED在特性與設(shè)計(jì)方面針對大電力直接驅(qū)動方面進(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，車間照明，并無過大差異，只是因?yàn)镠V LED為因應(yīng)高壓直接驅(qū)動需求，在設(shè)計(jì)上會利用串接因應(yīng)大電力直驅(qū)目的，而也是因?yàn)榻?直流電源驅(qū)動差異，恒光電器，HV LED之設(shè)計(jì)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(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(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)際上蝕刻溝槽也會相對使單位晶�？砂l(fā)光面積減少，為了增加絕緣電性勢必需將溝槽設(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?yàn)檩^窄細(xì)的絕緣溝槽，會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(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