AC LED的研究现状与发展

满 瑞， 李秋俊

（1.重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065；2.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

自20世纪60年代问世以来，LED在短短的40多年里，取得了飞速发展，LED器件也从早期的指示型LED发展到功率型LED。而在世界能源紧缺的今天，LED光源作为节能、绿色、长寿命的第四代照明光源正迅速地发展，LED照明普及时代的来临已不远。传统的LED，必须提供合适的直流电才能使其正常发光，可称作直流(DC)LED，而DC LED用于路灯、景观照明等需要使用工频市电时，必须在工频市电与LED负载之间加上AC/DC变换器才能实现直流驱动，然而变换器的应用却增加了整个LED灯具的体积、质量和成本，同时在交直流转化的过程中也不可避免地要产生一定的电力损耗，这就降低LED灯具的工作效率。

而交流(AC)LED技术的发展，可以解决DC LED灯具无法直接在工频市电下使用而造成产品成本增加、体积大等缺点。本文重点介绍AC LED的基本原理和国内外的研究现状，讨论了AC LED相比于DC LED的优缺点以及其市场推广所面临的挑战，并展望其发展和应用的前景。

1 AC LED简介

1.1 AC LED基本原理

AC LED是相对于传统的DC LED来说的，AC LED是一类集成了各种处理技术的LED产品，它包括多种器件或内核，无需额外的变压器、整流器和驱动电路，交流电直接对其进行驱动。

AC LED芯片的重大技术突破是超细LED晶粒在封装时的特殊排列组合技术，同时利用LED PN结的二极管特性兼作整流，其中，半导体制程技术扮演着相当重要的角色。AC LED通过半导体制程技术整合成一堆微小晶粒，采用交错的矩阵式排列工艺，并加入桥式电路至芯片设计，使交流电流可双向导通，实现发光[1]。

AC LED芯片的工作原理如图1所示，将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺均分为五串，晶粒串组成了一个整流桥，整流桥的两端分别连接交流源，另两端连接一串LED晶粒，交流的正半周沿实线通路流动，3串LED晶粒发光，负半周沿虚线通路流动，又有3串LED晶粒发光，四个桥臂上的LED晶粒分两组轮流发光，中间一串晶粒因共用而一直发光[2]。

图1 AC LED典型结构(1)

另一种LED微小晶粒排列方式如图2所示，采用交错矩阵式排列工艺均分为正反方向的两串，在交流电正负半周内分别点亮一次LED微小晶粒从而实现交流驱动LED，此结构中，两串LED发光的时间相等，解决了全桥式排列中工作时间不均而造成使用寿命长短不一的缺点。

图2 AC LED典型结构(2)

1.2 AC LED应用电路

AC LED的典型应用电路非常简单，如图3所示。在AC LED两端分别串入正温度系数热敏电阻PTC，和限流电阻R1、R2、R3，接上110 V或220 V交流即可实现AC LED的照明。

图3 AC LED典型应用电路图

由于LED在大批量生产时，其阻抗有一定的离散性，AC LED也如此，为便于下游厂家的大批量应用，LED光源生产厂商在出厂时对批量生产的产品按阻抗分档，在使用时可按LED光源厂家提供的VF分档与限流电阻表查用相应阻值的限流电阻，如表1所示韩国首尔半导体公司的产品AX3221/AX3231的VF分档与限流电阻表。

表1 VF分档与限流电阻表

AC LED可匹配需要110 V或220 V电压的系统，所以AC LED可以应用于一般照明、建筑照明、路灯、家具照明、产品展示照明和招牌照明等采用工频市电的领域。

1.3 AC LED的优势

普通LED必须以直流电来驱动，所以在交流电和LED负载之间需要添加AC/DC转换器以实现LED的直流驱动，然而转换器体积大、质量重，不但增加灯具体积和成本，还会在交直流转换过程中产生额外的电力损耗[3]。相较于DC LED，AC LED灯具不需要整流变压器，不但减小LED的体积和质量，提升了应用空间，降低了灯具的成本，还省下了交直流转化时15%～30%的电力损耗，提升了整体LED灯具的发光效率。

另外，交直流转换器是一种随着时间会老化的电子器件，其寿命比LED光源本身要短得多，目前很多LED灯具的老化，并非LED光源寿命已尽，而是LED灯具使用的转换器先损坏。然而，AC LED灯具由于没有转换器，避免了转换器的寿命远小于LED光源本身的寿命而产生的光源和驱动器寿命匹配问题。在市场推广中，也可以很方便地直接替换传统光源，而无须改变原有的灯座，使得AC LED在取代传统光源的过程中更容易推广应用。

AC LED还有一个特性，就是其生产工艺采用交错的矩阵式排列，一个交流周期轮流点亮两组LED晶粒，这使得AC LED的使用寿命较DC LED更长。

相比于DC LED，AC LED在很多方面都显示了优越性，如表2所示。

表2 AC LED和DC LED的比较

1.4 AC LED的不足

虽然AC LED在很多方面都展现了其优势，但现阶段仍然还有一些技术难题有待解决：（1） 现阶段AC LED发光效率并没有DC LED高，这是因为DC LED是目前LED产业发展的主流，AC LED刚刚起步，投入AC LED研究的企业也不成规模，对AC LED的研究尚不成熟，因此AC LED的价格也比较昂贵；（2）因为AC LED直接使用市电交流电来驱动，再负载和市电之间没有运用隔离技术，因此AC LED运用时有触电的风险，AC LED在照明应用中应避免金属片的裸露。

目前，AC LED在发光亮度、功率等方面还不够理想，而且刚刚步入成长期，但AC LED的应用简便、无需变压转换器和恒流源，以及低成本、高效率等优点，AC LED显现了其强大的生命力。随着AC LED技术的发展，相信在几年后，高亮度、大功率、低成本的AC LED产品将大量面世。

2 AC LED研究现状

在AC LED技术发展的过程中，除了台湾地区以外，韩国首尔半导体公司最为积极。也只有韩国、台湾及美国的三家公司拥有AC LED核心技术及第一代产品。

2.1 韩国首尔半导体公司

韩国首尔半导体公司很早就开始从事AC LED的研发和推广工作，是最早大规模研发该技术的半导体照明企业。2006年11月，一个名为“Acriche”的半导体嵌入式光源器件由该公司首次推出市场，“Acriche”是世界上最初不使用变换器直接插入AC电源来使用的半导体照明光源[4]。

“Acriche”可在民用交流电源下无需直流交流转换器就能驱动的光源，与使用转换器的普通LED相比，不使用转换器，不仅没有电力损失，还因无需安装转换器而节省附带费用，而且因不使用转换器而减少了碳排放量，具有更加环保的优点。因此，世界三大照明企业中的两家企业已采用“Acriche”量产照明产品。

2007年11月，“Acriche”获取了欧洲的“CE”和“TUV”安全认证，并研发出效率水平和可靠性能跟DC LED差不多的80流明/瓦特的新技术。

2011年3月，推出一款适用于筒灯的LED芯片—Acriche A8，一颗Acriche A8芯片就能够代替一个60 W的传统电灯泡，环形筒灯中仅需安装2颗Acriche A8芯片即可完全满足办公照明的需求。在推出Acriche A8之前，首尔半导体就已经推出了两款高亮度直流LED产品以及Acriche A7。

2.2 中国台湾工研院

2008年9月，台湾工业技术研究院以“芯片式交流电发光二极管照明技术”获得美国R&D 100 Awards的肯定。工研院研发的AC LED采用可插拔式立体导热封装技术，除增加导热面积外，当灯源损耗时可直接以插拔方式替换，较DC LED便利，而其立体式散热封装的构想，也有效解决LED散热的问题，提升使用寿命。

2008年10月，台湾工研院与台湾多家厂商合作成立“AC LED应用研发联盟”，透过产业垂直整合发展，积极在全球布局AC LED相关专利。

台湾工研院资助成立了AC LED应用与研究联盟，以整合岛内的产业资源。几乎所有岛内主要的LED厂商都参与其中，包括芯片制造商、封装设计公司、灯泡和系统公司等多家企业。AC LED应用研发联盟分布如图4所示。

图4 AC LED应用研发联盟

台湾工研院所设计的AC LED规格是以5 W为主，目前正在开发8 W和10 W。在其举办的展览会中已有相关的LED照明台灯登场，其灯具设计较传统台灯更轻盈。工研院日前亦将AC LED用于42寸LCD TV背光模块，现已成功完成样品的示范，尚未进行量产阶段。AC LED以体积小与质量轻的特征，在大尺寸面板背光源设计上将充分体现其不可比拟的优势。台湾工研院还运用AC LED技术，改变工艺中的材质和做法，成功开发出可以弯曲的LED灯，做到轻薄、柔软、又可随意弯曲。

2.3 美国Ⅲ-N和Lynk Labs

美国Ⅲ-N Technology在MOCVD生长技术基础上开发的氮化镓衬底，可以增进照明和传感器的应用，并降低成本和提高生产效率。对发光二极管提供6英寸生产技术。其发明的单芯片交流发光二极管(AC LED)，建立了全面的专利组合，以保护和改善技术，牢固地确立其专有的地位，是首屈一指的大规模商业化生产的AC LED产品。

Lynk Labs是AC LED设备、光学引擎和电源供应技术供应商，已获得该公司首项美国专利，Lynk Labs已扩大其产品供应线，以Tesla系列的AC LED产品为主，进入市场。

2.4 国内发展现状

日前东营大学科技园生态谷入驻企业东营市加文光电有限公司正在与浪潮华光集团合作，联合开发一种新型的交流驱动AC LED技术，项目取得了突破性进展，各项指标均已符合产业化要求，并申报了国家发明专利。

加文光电成功开发了AC LED技术，彻底突破了这一技术瓶颈。加文光电在该领域的技术突破、专利申请及产品研发不仅迅速填补了AC LED在国内的研究空白，而且在芯片尺寸、功率、电效率及有效发光面积等重要参数方面实现了优化，处于国际领先水平，为我国LED技术的发展做出了重要贡献。

3 结语

目前，AC LED技术还不够完善，相关产品的价格也较为昂贵，距离进入普通家庭还有很长的一段路程，AC LED也不会完全取代DC LED的应用市场，因为可携式产品仍旧需要依靠低压直流供电。因此，AC LED未来发展的趋势，应以交流电驱动的产品为主，如照明灯具、电视背光源、出入口指示灯及建筑景观照明美化等应用。AC LED多是以应用端的需求出发，根据不同的需求特性做出特有的封装型式，商品更具差异化。因此当厂商取得特有应用封装技术的专利，以其差异化的封装技术与产品取得在市场上的生存机会。

AC LED是一项崭新的照明技术，在低碳经济以及高环保的时代背景下，AC LED将在LED灯具小型化、节能环保等领域提供一种新的选择。

[1]颜重光.发展迅速的AC直接驱动LED光源技术[J].电子产品世界，2009，2：64-66.

[2]颜重光.AC直接驱动LED光源技术[J].电子元器件资讯，2009，4：58-60.

[3]毛兴武.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]解学军，潘文正.工频市电直接驱动的白光交流发光二极管[J].光源与照明，2009，3：16-17.