交流发光二极管电路拓扑研究

孙富康，窦 秋

(1.安徽建筑大学节能研究院, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制与评估工程研究中心, 安徽 合肥 230022; 3.建筑节能安徽省工程技术研究中心, 安徽 合肥 230022; 4.安徽电气工程学校, 安徽合肥 230031)

引言

2000年，Tamura等提出一种由直流发光二极管(DC-LED)组成交流电压驱动LED模组[1]。而后，首尔半导体、3N和Lynk Labs公司等分别设计、制造了集成的交流发光二极管芯片(AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode)[2-5]。目前，交流发光二极管已经被设计成球泡灯、筒灯、射灯、面板灯、T5/T8灯管、路灯等灯具形式，广泛应用于家庭、办公、室外等照明领域。

目前，已研究、应用的交流发光二极管电路拓扑形式包括反向并联式(Anti-parallel)、惠斯通电桥式(Wheatstone bridge)、阶梯式(Ladder)和螺旋式(Screw)[6-7]。交流发光二极管的工作特性因电路拓扑不同而相异。

我们通过调研国内外交流发光二极管电路拓扑技术领域的相关论文和专利，阐述和分析不同类型交流发光二极管电路拓扑电路结构、工作原理，及电压和电流工作特性。

1 交流发光二极管

交流发光二极管(AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode)可以直接用交流电驱动，无需由变压器、电感、电解电容等元件组成的电源转换电路；与传统的直流发光二极管(DC-LED)灯具相比较，去除了30%～50%电源损耗，减少了30%～40%成本，电源驱动相对简单[8-10]。

交流发光二极管有两种制造形式，分别是多芯片技术(MCT，Multi-Chip Technology)和多结技术(MJT，Multi-Junction Technology)。多芯片技术又分为两种，一种是将封装好的LED器件焊接在电路基板上，另一种是以金属打线的方式将LED芯片串联并封装在一起[2, 6, 7, 10]。多结技术是在材料层面实现多个LED-PN结，如图1所示[6, 10-12]。

图1 交流发光二极管结构图[2, 6, 10, 11]Fig.1 Diagram of AC-LED’s structure

2 交流发光二极管的电路拓扑

2002年，J. E Ao等提出了一种反向并联式交流发光二极管电路拓扑[13]；2005年，美国3N公司设计了一种基于电容式电流控制(C3，Capacitive Current Control)的交流发光二极管芯片，其电路拓扑中包含一个电容器[14]；2007年，Jaehee Cho等提出了一种桥式交流发光二极管电路拓扑[15]；2009年，Grigory A提出了一种阶梯式交流发光二极管电路拓扑[16]。2014年，刘晓博在国内申请了螺旋式交流发光二极管电路拓扑专利[7]。此外，海立尔股份有限公司[17]、财团法人工业技术研究院[18]、福华电子股份有限公司[19]、华南师范大学[20]和中国科学研究院半导体研究所[21]近年来也在交流发光二极管电路设计领域申请了发明专利。

2.1 反向并联式拓扑

反向并联式拓扑是由两路反向并联的发光二极管灯串(LED string)构成，每个发光二极管串再由多颗发光二极管芯片串联而成，如图2所示；在交流工作周期中，每半个周期仅有一路发光二极管串发光[6, 13]。

图2 反向并联式电路拓扑示意图[6, 13]Fig.2 Diagram of the anti-parallel circuit topology

图3 反向并联式拓扑电压与电流特征图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 惠斯通电桥式拓扑

惠斯通电桥式拓扑是由输出电桥和整流电桥构成，每个电桥都是由多颗发光二极管芯片串联而成，如图4所示；其中，输出电桥上的发光二极管芯片在正、负偏压下始终保持正向工作的状态，整流电桥上的发光二极管芯片根据偏压方向的不同成对地交替发光。整流电桥电路增加芯片的发光面积，提高了芯片的利用率[6, 15]。

图4 惠斯通电桥式拓扑示意图[6, 15]Fig.4 Diagram of the wheatstone-bridge circuit topology

图5 惠斯通电桥式电路拓扑电压与电流特征图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 阶梯式拓扑

阶梯式拓扑是由芯片正反连接而构成的若干个阶梯单元组成，如图6所示；在正、负偏压下，中心桥上的芯片始终保持正向工作的状态，而边路桥上的芯片则是交替发光。阶梯式电路拓扑的芯片利用率较高，可达60%以上[6, 16]。

图6 阶梯式拓扑示意图[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)

图7 阶梯式拓扑电压与电流特征图Fig.7 Voltage and current characteristics of the ladder circuit topology

2.4 螺旋式拓扑

螺旋式拓扑是由多颗发光二极管芯片通过串、并联组成的网格状电路，如图8所示；与阶梯式电路拓扑类似，在正、负偏压下，中心桥上的芯片始终保持正向工作的状态，而边路桥上的芯片则是交替发光[7]。

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

图9 螺旋式拓扑电压与电流特征图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 结束语

由于电源驱动结构简单，功率因素和谐波失真特性较好，交流发光二极管有着广阔的应用前景。我们通过调研国内外交流发光二极管电路拓扑研究领域的论文和专利，阐述了交流发光二极管电路拓扑发展历程，分析了交流发光二极管反向并联式、惠斯通电桥式、阶梯式和螺旋式拓扑的结构特征和电路原理，建立了不同类型拓扑中器件隶属关系、导通电压、导通电流和导通时间的数学模型，及电压与电流特征图。

[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驱动电路之研究[J]. 照明工程学报, 2006, 17(4): 49-51.

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[5] 高英明,邹念育，张环月，等. 交流发光二极管光源的工作特性研究[J]. 半导体光电, 2011,10, 33(5): 606-609.

[6] 陈莹亮. 交流发光二极管特性研究及热学仿真[D]. 厦门：厦门大学，2011.

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[12] 首尔半导体. Acrich[EB/OL]. http://www.seoulsemicon.com/cn/technology/acrich/.

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[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.

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[18] 财团法人工业技术研究院. 交流发光二极管装置：200810181944.8[P]. 2008-11-28.

[19] 福华电子股份有限公司. 高可靠度及长使用期的交流发光二极管装置：200910225912.8[P]. 2009-11-23.

[20] 华南师范大学. 一种交流发光二极管装置：201110323351.2[P]. 2011-10-22.

[21] 中国科学研究院半导体研究所. 一种交流发光二极管：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.