優化能源轉換效率 HV LED“大敗”DC LED

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-04-01

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 目前主流LED照明應用，仍以直流(DC)驅動LED為主，實際上對終端使用者的應用環境觀察， led亮化工程，照明燈具超過9成是以連接市電(AC)交流電驅動發光為主，燈具使用DC LED勢必需經由AC/DC轉換能源后驅動燈具照明，這對燈具不僅增加了應用成本，也增加了產品的復雜度，照明資質，能源轉換效率亦影響整體節能效益，HV LED需求與效益逐漸受到重視…

　　目前使用最廣泛的LED照明應用，多數仍是以DC LED為主，然而LED想在發光輸出強化，即必須增加驅動電能功率、增加偏壓，而DC LED在驅動電壓、電流有一定程度上限，因此導致市電需先透過AC-DC電路轉換成DC LED所需驅動電壓后，才能驅動LED光源應用于照明用途。也因為DC-LED的驅動電壓小，市電轉換后會有一定程度損耗，能源轉換效率也會因此偏低，進而導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、板燈等照明產品增加額外物料成本，同時為了壓低燈具成本也只能用低成本AC-DC轉換電路，這也使得用于照明光源的AC-DC轉換電路的轉換效率偏低的問題關鍵。

圖為可支持50伏特、60mA驅動之HV LED，HV LED可簡化驅動電路設計，讓燈具壽命更長。

　　驅動電源設計 影響LED照明應用效益

　　為改善DC LED的使用限制，業界也針對此發展了高電壓的LED產品，這類產品甚至可在元件端直接以市電(AC)進行直接驅動，照明光源少了AC-DC轉換電路，等于省下驅動電路的物料成本，也由于AC直接驅動，能源轉換效率亦可大幅提高，發光效率部分則視設計差異，恒光，店鋪照明，商業照明，一般均有較同功率產品更佳的發光效率。

　　先檢視傳統照明光源的使用情境，在傳統照明設計中，發光效率以螢光燈燈管的能源-光效率轉換最高，螢光燈管至少都有60～70 lm/W表現水平，辦公照明，但螢光燈管的驅動電路如電子安定器、驅動電壓轉換電路等會產生約15～20%的能源轉換損耗，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，螢光燈管燈具的發光效率約僅達到30～35 lm/W水平。

　　再檢視DC LED直流驅動LED的光效率表現，一般LED光源的光效率可達到130～150 lm/W水平，前文提到DC LED必備的AC-DC能源轉換電路會產生約30%能源轉換耗損，而與螢光燈管的發光光型不同的是，貼片型的LED元件發光光型為扇形輸出，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，對常規照明應用來說光輸出幾乎沒有浪費，DC LED照明光源的能源轉換效率明顯優于螢光燈管照明，但期間驅動能源轉換耗損部分若能有效改善，將可讓整體產生的節能效益發揮更高。

LED雖具高使用壽命 但卻受驅動電路壽命限制

　　需注意的是，DC LED的最長使用壽命雖在理論可高達30，000小時，但實際在AC-DC電源轉換電路的平均使用壽命僅5，000小時上下，DC LED光源產品多半會在LED為失效前先因為轉換電路故障而使產品失效。至于AC-DC變壓與驅動電路，也會增加LED光源模塊設計困擾，例如產品體積需塞入變壓電路，產品也不適合制作中/高功率LED光源產品。AC LED為針對DC LED問題改善的進階設計，為利用晶粒排列與串接，國內資訊，制作不需AC-DC轉換電路可直接市電驅動的光源產品，產品功率因數可以高達80%以上，電源使用效率也超過90%以上。HV LED為由AC LED技術延伸擴展的應用設計技術，利用LED晶粒單向的串接連接制程搭配對應的橋式整流元件(AC-DC)，就能讓HV LED可直接在市電(交流電)使用情境下運行，有功率因數高、電源效率高與驅動電路極為簡單等優點，同時還具備LED高發光效率與更高的產品使用壽命優點。

圖為采用高導熱銅基板、cob多晶封裝的HV LED產品，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 驅動方式不同的是，HV LED在特性與設計方面針對大電力直接驅動方面進行相關改進設計，而HV LED高壓LED的制程為利用半導體制程把多顆晶粒同時設置在單一基板上制作，其余制程技術與一般照明光源用LED也相當近似，車間照明，并無過大差異，只是因為HV LED為因應高壓直接驅動需求，在設計上會利用串接因應大電力直驅目的，而也是因為交/直流電源驅動差異，恒光電器，HV LED之設計方案與產品特性才會與DC LED出現差異。在元件結構上，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線串聯連接，元件外部連接市電用的導電墊片，利用金屬打線連接至串接的LED晶粒上構成電子偏壓回路，3c認證，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發光效能的制程技術加以集成。

　　HV LED與DC LED制程相近 多數業者已擴展產品線

　　仔細觀察HV LED與DC LED之間的差異，主要是制程中多晶粒間的絕緣設計差異，DC LED為單晶粒或是部分多晶粒方式集成，但集成難度均遠低于HV LED要求，技術資訊，而HV LED為利用多晶粒串接整體內部電子回路運行關鍵在于，LED晶粒間的絕緣電性表現穩定，LED燈管，才能使HV LED在使用時的元件表現正常，這部分絕緣的設計要求，多數HV LED制程會利用具較佳絕緣電性的藍寶石基板搭配蝕刻制程制作。即便絕緣特性為HV LED制程關鍵，但實際上蝕刻溝槽也會相對使單位晶粒可發光面積減少，為了增加絕緣電性勢必需將溝槽設計得較寬，但單一元件能置放的晶粒就會受限，若利用較細窄的蝕刻溝槽改善LED的發光面積，但過窄細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鍵處，因為較窄細的絕緣溝槽，會讓金屬蒸鍍制法的材料不容易進入溝槽之中，形成元件內部的金屬導電薄膜產生的厚度或是連續性造成影響，直接影響制程產品良率。此外，提升介電材料制程的良率表現，目前也有相當多種制程手法選擇，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常見的制程改善手段，而使用梯形槽體的絕緣槽設計，其實也有利于LED晶粒的光輸出效益。同時，也是為了改善整體光輸出效率，用于連接晶粒的金屬線體，在線體設計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線材料，改善LED的發光效率表現。

　　HV LED燈具之能源利用率相當高