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优化能源转换效率 HV LED“大败”DC LED

[来源:圣奈斯LED灯生产厂家]      2015-10-10 06:28    
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目前主流LED照明应用,仍以直流(DC)驱动LED为主,实际上对终端使用者的应用环境观察,照明灯具超过9成是以连接市电(AC)交流电驱动发光为主,灯具使用DC LED势必需经由AC/DC转换能源后驱动灯具照明,这对灯具不仅增加了应用成本,也增加了产品的复杂度,能源转换效率亦影响整体节能效益,HV LED需求与效益逐渐受到重视…

  目前使用最广泛的LED照明应用,多数仍是以DC LED为主,然而LED想在发光输出强化,即必须增加驱动电能功率、增加偏压,而DC LED在驱动电压、电流有一定程度上限,因此导致市电需先透过AC-DC电路转换成DC LED所需驱动电压后,才能驱动LED光源应用于照明用途。也因为DC-LED的驱动电压小,市电转换后会有一定程度损耗,能源转换效率也会因此偏低,进而导致灯具的整体使用效益受影响。尤其是DC-LED所必需的AC-DC转换电路或整流器,会让灯具或是替换用之LED球泡灯、板灯等照明产品增加额外物料成本,同时为了压低灯具成本也只能用低成本AC-DC转换电路,这也使得用于照明光源的AC-DC转换电路的转换效率偏低的问题关键。

  优化能源转换效率 HV LED将“大败”DC驱动LED大宗

图为可支持50伏特、60mA驱动之HV LED,HV LED可简化驱动电路设计,让灯具寿命更长。

  驱动电源设计 影响LED照明应用效益

  为改善DC LED的使用限制,业界也针对此发展了高电压的LED产品,这类产品甚至可在元件端直接以市电(AC)进行直接驱动,照明光源少了AC-DC转换电路,等于省下驱动电路的物料成本,也由于AC直接驱动,能源转换效率亦可大幅提高,发光效率部分则视设计差异,一般均有较同功率产品更佳的发光效率。

  先检视传统照明光源的使用情境,在传统照明设计中,发光效率以萤光灯灯管的能源-光效率转换最高,萤光灯管至少都有60~70 lm/W表现水平,但萤光灯管的驱动电路如电子安定器、驱动电压转换电路等会产生约15~20%的能源转换损耗,而灯管为周光散射型光型,灯管上缘的光输出仍需经灯具反光板折射,光效率损耗也会有约40%耗损,检视整体光源使用情境观察,萤光灯管灯具的发光效率约仅达到30~35 lm/W水平。

  再检视DC LED直流驱动LED的光效率表现,一般LED光源的光效率可达到130~150 lm/W水平,前文提到DC LED必备的AC-DC能源转换电路会产生约30%能源转换耗损,而与萤光灯管的发光光型不同的是,贴片型的LED元件发光光型为扇形输出,若是吸顶型灯具来说根本不需要利用反光灯照改善光型限制,对常规照明应用来说光输出几乎没有浪费,DC LED照明光源的能源转换效率明显优于萤光灯管照明,但期间驱动能源转换耗损部分若能有效改善,将可让整体产生的节能效益发挥更高。

LED虽具高使用寿命 但却受驱动电路寿命限制

  需注意的是,DC LED的最长使用寿命虽在理论可高达30,000小时,但实际在AC-DC电源转换电路的平均使用寿命仅5,000小时上下,DC LED光源产品多半会在LED为失效前先因为转换电路故障而使产品失效。至于AC-DC变压与驱动电路,也会增加LED光源模块设计困扰,例如产品体积需塞入变压电路,产品也不适合制作中/高功率LED光源产品。AC LED为针对DC LED问题改善的进阶设计,为利用晶粒排列与串接,制作不需AC-DC转换电路可直接市电驱动的光源产品,产品功率因数可以高达80%以上,电源使用效率也超过90%以上。HV LED为由ACLED技术延伸扩展的应用设计技术,利用LED晶粒单向的串接连接制程搭配对应的桥式整流元件(AC-DC),就能让HV LED可直接在市电(交流电)使用情境下运行,有功率因数高、电源效率高与驱动电路极为简单等优点,同时还具备LED高发光效率与更高的产品使用寿命优点。

  优化能源转换效率 HV LED将“大败”DC驱动LED大宗

图为采用高导热铜基板、cob多晶封装的HVLED产品,适用于天井灯、工矿灯、投光灯、隧道灯、路灯等面光源灯具所需之高效LED光源模块。

  与一般常见的DC LED 驱动方式不同的是,HV LED在特性与设计方面针对大电力直接驱动方面进行相关改进设计,而HV LED高压LED的制程为利用半导体制程把多颗晶粒同时设置在单一基板上制作,其余制程技术与一般照明光源用LED也相当近似,并无过大差异,只是因为HV LED为因应高压直接驱动需求,在设计上会利用串接因应大电力直驱目的,而也是因为交/直流电源驱动差异,HV LED之设计方案与产品特性才会与DC LED出现差异。在元件结构上,HV LED利用多颗晶粒制作在同一组基板上,晶粒与晶粒间利用金属导线串联连接,元件外部连接市电用的导电垫片,利用金属打线连接至串接的LED晶粒上构成电子偏压回路,而HV LED本身在制程也一样采用DC LED相同的表面粗糙化等可增进发光效能的制程技术加以集成。

  HV LED与DC LED制程相近 多数业者已扩展产品线

  仔细观察HV LED与DC LED之间的差异,主要是制程中多晶粒间的绝缘设计差异,DC LED为单晶粒或是部分多晶粒方式集成,但集成难度均远低于HV LED要求,而HV LED为利用多晶粒串接整体内部电子回路运行关键在于,LED晶粒间的绝缘电性表现稳定,才能使HV LED在使用时的元件表现正常,这部分绝缘的设计要求,多数HV LED制程会利用具较佳绝缘电性的蓝宝石基板搭配蚀刻制程制作。即便绝缘特性为HV LED制程关键,但实际上蚀刻沟槽也会相对使单位晶粒可发光面积减少,为了增加绝缘电性势必需将沟槽设计得较宽,但单一元件能置放的晶粒就会受限,若利用较细窄的蚀刻沟槽改善LED的发光面积,但过窄细的蚀刻槽也会影响晶粒间的绝缘电性,制作难度高。

  另外HV LED的介电材料制法也是制程关键处,因为较窄细的绝缘沟槽,会让金属蒸镀制法的材料不容易进入沟槽之中,形成元件内部的金属导电薄膜产生的厚度或是连续性造成影响,直接影响制程产品良率。此外,提升介电材料制程的良率表现,目前也有相当多种制程手法选择,例如将绝缘槽的蚀刻方式改变,蚀刻成较易让蒸镀气体或是气相沉积制程更容易进入沟槽的形状改善,如使用沟槽开口较大梯形槽体就是相当常见的制程改善手段,而使用梯形槽体的绝缘槽设计,其实也有利于LED晶粒的光输出效益。同时,也是为了改善整体光输出效率,用于连接晶粒的金属线体,在线体设计也需要针对更低的光遮蔽性与低阻抗问题,也能改用透明之金属氧化物制作导线材料,改善LED的发光效率表现。

  HV LED灯具之能源利用率相当高

  若以现有的HV LED高压LED技术产品观察,目前在以市电110V或是220V直接驱动操作已不成问题,相关技术逐渐成熟,功率因素(PF)可达90%以上,能源利用率也能高达95%,单颗元件可以抵上数颗DC LED集成灯具产品,不仅优于传统光源灯具甚多,也较目前主流DC LED具更多技术导入综效,为未来照明光源主流趋势。

  另HV LED环境照明用光源产品,目前在照明应用市场中主要有有机发光二极管(oled)、被动式有机发光二极管(PLED)、DC LED和AC LED等竞争技术环伺,OLED与PLED具备可利用低直流电压偏压驱动、发光面均匀、光效率达80 lm/W、60 lm/W,一般市场以用于显示器与背光源应用较多,但发光效率仍无法与LED相抗衡,DC LED为以直流电源驱动的发光元件,元件特性具备体积小、效率高等优点,目前已广泛使用于显示器、车用电子、生活照明等应用领域。



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