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擺脫電源損耗宿命:HV LED點亮高效率光源

作者: 時間:2016-12-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  目前廣泛使用的直流發(fā)光二極管(DC LED),若要經(jīng)由市電供電,須外加交流對直流(AC-DC)整流器,易造成額外物料成本及能源轉(zhuǎn)換損失,因此產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出以交流電直接驅(qū)動的高壓LED(HV LED),可大幅提升LED照明系統(tǒng)的能源利用率和發(fā)光效率。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/326067.htm

  在傳統(tǒng)照明光源中,發(fā)光效率最好的是日光燈,其光源本身的發(fā)光效率約65lm/W。用于鎮(zhèn)流器的附加電路會造成13-20%的能源損耗,光源發(fā)光經(jīng)過燈具的反射罩,其光源效率損耗約30-40%,因此在實際的照明應(yīng)用環(huán)境下,日光燈的燈具照明發(fā)光效率約35lm/W。雖然光源自身發(fā)光效率高,但附加電路和燈具結(jié)構(gòu)所造成的光損失,將會大幅降低燈源的發(fā)光效率。

  目前已大幅應(yīng)用在照明光源的高功率白光直流發(fā)光二極管(DC LED)(表1),其光源發(fā)光效率可達150lm/W。但DC LED是以直流電源驅(qū)動操作,若要使用在市電上,勢必要外加交流對直流(AC-DC)整流器,電源轉(zhuǎn)換將會造成20-30%的能源損耗,且驅(qū)動電路之體積也較為龐大,燈具設(shè)計彈性相對會受到限制。

  

  臺灣自主性研發(fā)的高壓(HV)LED技術(shù)產(chǎn)品,僅需簡易的外加驅(qū)動電路,即可直接以市電110伏特(V)/220V驅(qū)動操作,并具備90%高功率因數(shù) (PF)、95%高能源利用率、高發(fā)光效率等優(yōu)點。目前已于國際上取得發(fā)展先機,國內(nèi)廠商晶元光電已陸續(xù)將HV LED晶粒產(chǎn)品出貨給國外各家LED封裝及應(yīng)用大廠使用,國內(nèi)也有多家相關(guān)廠商投入HV LED照明光源產(chǎn)品的開發(fā),是為未來照明光源主流趨勢。

  迥異DC LED 驅(qū)動方式 HV LED特性和設(shè)計大相逕庭

  高壓LED是以半導(dǎo)體制程方式,將多顆微晶粒置于同一基板上,再加以串接而成,其所需之制程技術(shù)與傳統(tǒng)LED十分近似。然而,由于驅(qū)動方式的不同,特別是在交流電驅(qū)動條件下,高壓LED的特性和設(shè)計方向與傳統(tǒng)LED有顯著差異。

  圖1為高壓LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。多顆制作于同一基板的微晶粒間以金屬導(dǎo)線連結(jié)串接,而高壓驅(qū)動電流則經(jīng)由末端的兩個打線墊片進入微晶粒串。由圖2的微晶粒結(jié)構(gòu)側(cè)視圖中,則可發(fā)現(xiàn)單顆微晶粒的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)LED間主要的差異,僅在于尺寸的不同,其他包括透明導(dǎo)電層、表面粗糙化、圖案化藍寶石基板等可提升傳統(tǒng) LED效率的技術(shù),也同樣適用于高壓LED。

  

  圖1 高壓LED結(jié)構(gòu)上視圖

  

  圖2 成長于藍寶石基板的GaN微晶粒側(cè)視結(jié)構(gòu)圖

  高壓LED與傳統(tǒng)LED芯片兩者在制程上的主要差異點在于絕緣基板的使用、絕緣溝槽的蝕刻及金屬導(dǎo)線的制作。高壓LED的核心概念是將制作于同一基板的多顆微晶粒加以串接而成,因此使用絕緣基板確保微晶粒間的電性絕緣是高壓LED得以正常操作的基本條件。對于以氮化鎵(GaN)材料所成長的LED而言,由于所使用的藍寶石基板具備極佳絕緣特性,因此只要將微晶粒間的溝槽蝕刻至基板裸露,即可達到良好的電性絕緣。

  此外,由圖3中可發(fā)現(xiàn),雖然微晶粒間的絕緣溝槽是讓高壓LED得以正確運作的必要結(jié)構(gòu),但卻也使得高壓LED芯片整體的可發(fā)光面積縮減。雖然在概念上,越細窄的絕緣溝槽可增加高壓LED芯片的可發(fā)光面積,但相對也會提升制程的困難度。

  

  圖3 高壓LED芯片SEM照片

  絕緣溝槽的側(cè)壁須使用介電材料被覆保護,以避免金屬導(dǎo)線通過表面時,P-N材料間發(fā)生短路情況。但當(dāng)絕緣溝槽過于細窄時,無論使用化學(xué)氣相沉積或蒸鍍方式制作介電材料薄膜,均可能發(fā)生被覆不完全的情況,并導(dǎo)致微晶粒的P-N材料短路失效。同樣地,過于細窄的絕緣溝槽也會使得金屬蒸氣不易進入,造成金屬導(dǎo)線薄膜的厚度過薄或甚至不連續(xù),進而導(dǎo)致高壓LED芯片的串聯(lián)電阻增加,或甚至有開路失效情況發(fā)生。

  為提升介電材料與導(dǎo)線金屬薄膜的制程良率,將絕緣溝槽制作成為開口向上的倒梯形結(jié)構(gòu)是一可行方式。圖4中所顯示的傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)除可提升微晶粒與高壓LED 的制程良率外,非矩形的幾何結(jié)構(gòu)對微晶粒的光取出效率提升亦有幫助。此外,為避免金屬遮蔽降低高壓LED發(fā)光效率,鋪設(shè)于微晶粒間的金屬導(dǎo)線必須同時具備低阻抗與低光線遮蔽之特性。制作細且厚的金屬導(dǎo)線是達成上述目標(biāo)的方法之一,而使用透明金屬氧化物,如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)等,做為導(dǎo)線材料亦是可行手段,兩者均有助提升高壓LED發(fā)光效率。

  

  圖4 具傾斜側(cè)壁、倒梯形開口的微晶粒結(jié)構(gòu)

  以下針對國內(nèi)外的HV LED技術(shù)研發(fā)現(xiàn)況,做一概略性的整理。




  突破微晶粒制程桎梏挑戰(zhàn) 臺灣取得HV LED發(fā)展先機

  臺灣自主性HV LED技術(shù),是以高壓直流或交流電等形式直接驅(qū)動LED,突破微晶粒制程技術(shù),發(fā)展出具有高電壓低電流操作優(yōu)點的HV LED產(chǎn)品,大幅提升LED晶粒之發(fā)光效率,并在國際市場上取得了技術(shù)發(fā)展先機。此技術(shù)結(jié)合簡易的驅(qū)動電路,即可有效提升能源轉(zhuǎn)換和使用效率,并可應(yīng)用于小型化設(shè)計的照明應(yīng)用,大幅提升LED應(yīng)用產(chǎn)品的可塑性。

  工研院已將相關(guān)微晶粒開發(fā)專利技轉(zhuǎn)國內(nèi)LED大廠晶元光電,使其拓展至HV LED領(lǐng)域,并成功開發(fā)出具備高發(fā)光效率的HV LED芯片,陸續(xù)與國際LED知名大廠及國內(nèi)如億光、葳天、福華、光寶等LED封裝廠進行合作,推出HV LED相關(guān)應(yīng)用照明產(chǎn)品(表2)。

  

  目前國內(nèi)HV LED晶粒是采用單芯片式的微晶粒結(jié)構(gòu)組合設(shè)計,可量產(chǎn)的晶粒藍光效率可達430mW/W;若制作成白光發(fā)光元件,則白光效率可達130lm/W。依據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)況及未來開發(fā)規(guī)畫,預(yù)計至2014年年底,HV LED晶粒效率可達600mW/W,白光效率將可達到180lm/W。

  加緊投入研發(fā) 外商HV LED技術(shù)迭有進展

  以下將介紹國外LED廠商發(fā)展HV LED的現(xiàn)況。

  Philips Lumileds

  該公司第一代高壓式LED Luxeon H50-1(50V)型號封裝元件(圖5),于85℃操作環(huán)境下,投入電力為1W,其發(fā)光通量可達67 lm。

  

  圖5 Philips Lumileds所開發(fā)的HV LED元件

  其后發(fā)表的Luxeon H(100V與200V)型號封裝元件,于85℃操作環(huán)境下,投入電力為4W,其發(fā)光通量可達360lm。

  2012年發(fā)表的新一代HV LED封裝元件Luxeon H50-2,可操作于環(huán)境溫度85℃,以50V電源為驅(qū)動條件,其操作瓦數(shù)為2W,光源色溫5,000K,元件的光通量可達205lm,光源色溫 2,700K,元件的光通量可達165lm;操作于室溫環(huán)境25℃,光強度約略可提升至1.1倍,相對于輸入電壓電流光強度呈直線增加。

  上述產(chǎn)品透過簡易的高壓芯片組合,擬克服傳統(tǒng)DC LED搭配驅(qū)動電路之體積過于龐大,且使得設(shè)計難度受限的問題,有效縮小燈具體積,且提升照明燈具之設(shè)計彈性,如常見的球泡燈、蠟燭燈及吊飾燈,儼然已朝向新一代LED照明元件之發(fā)展方向邁進。

  Cree

  美國科銳(Cree)于2011年推出高壓驅(qū)動的HV LED封裝元件XLamp XM-L及XT-E(圖6),可操作于環(huán)境溫度85℃,以46V電源為驅(qū)動條件,其操作瓦數(shù)分別為2W及1W,光源色溫5,000K,元件的光通量分別可達240lm及114lm;光源色溫2,700K,元件的光通量分別可達172lm及87lm;操作于室溫環(huán)境25℃,光強度約略可提升至1.15倍,相對于輸入電壓電流,光強度呈直線增加。

  

  圖6 Cree所開發(fā)的HV LED元件

  Cree之高壓LED產(chǎn)品,提供一種封裝尺寸更小之選擇,搭配轉(zhuǎn)換效率較高的高壓驅(qū)動電路,有效的減少驅(qū)動所造成的損耗,HV LED可套用于空間受限之照明應(yīng)用上,諸如B10、GU10和E17等小型燈泡產(chǎn)品,大幅提升產(chǎn)品的可應(yīng)用範(fàn)圍及使用彈性。

  首爾半導(dǎo)體

  韓國首爾半導(dǎo)體(Seoul Semiconductor)推出的Acrich2光源模組(圖7、8),依據(jù)使用者需求選擇分為120V或220V兩種操作型號,其操作瓦數(shù)為 4.3W,光源色溫5,000K,元件的光通量可達320lm;光源色溫4,000K,元件的光通量可達310lm;光源色溫2,700K,元件的光通量可達290lm。

  

  圖7 首爾半導(dǎo)體所開發(fā)的HV LED光源模組

  

  圖8 首爾半導(dǎo)體所開發(fā)的AC/HV LED光源模組電路等效示意圖

  首爾半導(dǎo)體之高壓交流LED產(chǎn)品,直接于封裝上整合驅(qū)動IC元件,因此光源模組可直接操作在交流電壓的環(huán)境下,不須外加電源轉(zhuǎn)換器或驅(qū)動電路,可直接應(yīng)用在照明產(chǎn)品上,提升下游廠商的使用便利性。其中的驅(qū)動IC,結(jié)合多段式切換控制的設(shè)計,可于較低電壓操作區(qū)間即可啟動部分的HV LED元件,因此提升整個光源模組的功率因數(shù),這將有助于減少能源損耗,提升整體光源效率。此外,由于將電路整合于驅(qū)動IC元件上,整體HV LED光源模組使用的外部元件大幅減少,光源模組的可靠度將能夠提升,使得整體操作壽命更接近于LED操作壽命之理論值。

  HV LED適用中功率光源

  HV LED照明光源有幾個競爭產(chǎn)品,分別是有機發(fā)光二極管(OLED)、被動式有機發(fā)光二極管(PLED)、DC LED和AC LED。

  由于相關(guān)替代性產(chǎn)品如OLED及PLED,挾帶著低直流電壓、均勻面發(fā)光、發(fā)光效率可達80lm/W和60lm/W等優(yōu)點,準(zhǔn)備進攻顯示器及背光源的市場,在技術(shù)及實用性可與現(xiàn)有的LED匹敵。但這類替代產(chǎn)品目前發(fā)光效率尚不及LED,因此整體而言,尚無較明顯的威脅性產(chǎn)生。

DC LED以直流電流源驅(qū)動(圖9),其元件具備體積小、發(fā)光效率高等諸多優(yōu)點,可應(yīng)用于顯示、車用、指示、裝飾及照明等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,惟須外加交直流電源轉(zhuǎn)換電路,使得


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