優(yōu)化能源轉換效率HV LED將“大敗”DC驅動(dòng)LED

　　目前主流LED照明應用，仍以直流(DC)驅動(dòng)LED為大宗，實(shí)際上對終端使用者的應用環(huán)境觀(guān)察，照明燈具超過(guò)9成是以連接市電(AC)交流電驅動(dòng)發(fā)光為主，燈具使用DCLED勢必需經(jīng)由AC/DC轉換能源后驅動(dòng)燈具照明，這對燈具不僅增加了應用成本，也增加了產(chǎn)品的復雜度，能源轉換效率亦影響整體節能效益，HVLED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DCLED為主，然而LED想在發(fā)光輸出強化，即必須增加驅動(dòng)電能功率、增加偏壓，而DCLED在驅動(dòng)電壓、電流有一定程度上限，因此導致市電需先透過(guò)AC-DC電路轉換成DCLED所需驅動(dòng)電壓后，才能驅動(dòng)LED光源應用于照明用途。也因為DC-LED的驅動(dòng)電壓小，市電轉換后會(huì )有一定程度損耗，能源轉換效率也會(huì )因此偏低，進(jìn)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(huì )讓燈具或是替換用之LED球泡燈、板燈等照明產(chǎn)品增加額外物料成本，同時(shí)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(wèn)題關(guān)鍵。

　　圖為可支持50伏特、60mA驅動(dòng)之HVLED，HVLED可簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路設計，讓燈具壽命更長(cháng)。

　　驅動(dòng)電源設計影響LED照明應用效益

　　為改善DCLED的使用限制，業(yè)界也針對此發(fā)展了高電壓的LED產(chǎn)品，這類(lèi)產(chǎn)品甚至可在元件端直接以市電(AC)進(jìn)行直接驅動(dòng)，照明光源少了AC-DC轉換電路，等于省下驅動(dòng)電路的物料成本，也由于A(yíng)C直接驅動(dòng)，能源轉換效率亦可大幅提高，發(fā)光效率部分則視設計差異，一般均有較同功率產(chǎn)品更佳的發(fā)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(fā)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60～70lm/W表現水平，但螢光燈管的驅動(dòng)電路如電子安定器、驅動(dòng)電壓轉換電路等會(huì )產(chǎn)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(jīng)燈具反光板折射，光效率損耗也會(huì )有約40%耗損，檢視整體光源使用情境觀(guān)察，螢光燈管燈具的發(fā)光效率約僅達到30～35lm/W水平。

　　再檢視DCLED直流驅動(dòng)LED的光效率表現，一般LED光源的光效率可達到130～150lm/W水平，前文提到DCLED必備的AC-DC能源轉換電路會(huì )產(chǎn)生約30%能源轉換耗損，而與螢光燈管的發(fā)光光型不同的是，貼片型的LED元件發(fā)光光型為扇形輸出，若是吸頂型燈具來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)光輸出幾乎沒(méi)有浪費，DCLED照明光源的能源轉換效率明顯優(yōu)于螢光燈管照明，但期間驅動(dòng)能源轉換耗損部分若能有效改善，將可讓整體產(chǎn)生的節能效益發(fā)揮更高。

　　HVLED燈具之能源利用率相當高

　　若以現有的HVLED高壓LED技術(shù)產(chǎn)品觀(guān)察，目前在以市電110V或是220V直接驅動(dòng)操作已不成問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，功率因素(PF)可達90%以上，能源利用率也能高達95%，單顆元件可以抵上數顆DCLED集成燈具產(chǎn)品，不僅優(yōu)于傳統光源燈具甚多，也較目前主流DCLED具更多技術(shù)導入綜效，為未來(lái)照明光源主流趨勢。

　　另HVLED環(huán)境照明用光源產(chǎn)品，目前在照明應用市場(chǎng)中主要有有機發(fā)光二極管(OLED)、被動(dòng)式有機發(fā)光二極管(PLED)、DCLED和ACLED等競爭技術(shù)環(huán)伺，OLED與PLED具備可利用低直流電壓偏壓驅動(dòng)、發(fā)光面均勻、光效率達80lm/W、60lm/W，一般市場(chǎng)以用于顯示器與背光源應用較多，但發(fā)光效率仍無(wú)法與LED相抗衡，DCLED為以直流電源驅動(dòng)的發(fā)光元件，元件特性具備體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛使用于顯示器、車(chē)用電子、生活照明等應用領(lǐng)域。

　　LED雖具高使用壽命但卻受驅動(dòng)電路壽命限制

　　需注意的是，DCLED的最長(cháng)使用壽命雖在理論可高達30，000小時(shí)，但實(shí)際在A(yíng)C-DC電源轉換電路的平均使用壽命僅5，000小時(shí)上下，DCLED光源產(chǎn)品多半會(huì )在LED為失效前先因為轉換電路故障而使產(chǎn)品失效。至于A(yíng)C-DC變壓與驅動(dòng)電路，也會(huì )增加LED光源模塊設計困擾，例如產(chǎn)品體積需塞入變壓電路，產(chǎn)品也不適合制作中/高功率LED光源產(chǎn)品。ACLED為針對DCLED問(wèn)題改善的進(jìn)階設計，為利用晶粒排列與串接，制作不需AC-DC轉換電路可直接市電驅動(dòng)的光源產(chǎn)品，產(chǎn)品功率因數可以高達80%以上，電源使用效率也超過(guò)90%以上。HVLED為由ACLED技術(shù)延伸擴展的應用設計技術(shù)，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HVLED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(dòng)電路極為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備LED高發(fā)光效率與更高的產(chǎn)品使用壽命優(yōu)點(diǎn)。

　　HVLED與DCLED制程相近多數業(yè)者已擴展產(chǎn)品線(xiàn)

　　仔細觀(guān)察HVLED與DCLED之間的差異，主要是制程中多晶粒間的絕緣設計差異，DCLED為單晶?；蚴遣糠侄嗑Я７绞郊?，但集成難度均遠低于HVLED要求，而HVLED為利用多晶粒串接整體內部電子回路運行關(guān)鍵在于，LED晶粒間的絕緣電性表現穩定，才能使HVLED在使用時(shí)的元件表現正常，這部分絕緣的設計要求，多數HVLED制程會(huì )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HVLED制程關(guān)鍵，但實(shí)際上蝕刻溝槽也會(huì )相對使單位晶?？砂l(fā)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(huì )受限，若利用較細窄的蝕刻溝槽改善LED的發(fā)光面積，但過(guò)窄細的蝕刻槽也會(huì )影響晶粒間的絕緣電性，制作難度高。

　　另外HVLED的介電材料制法也是制程關(guān)鍵處，因為較窄細的絕緣溝槽，會(huì )讓金屬蒸鍍制法的材料不容易進(jìn)入溝槽之中，形成元件內部的金屬導電薄膜產(chǎn)生的厚度或是連續性造成影響，直接影響制程產(chǎn)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(jìn)入溝槽的形狀改善，如使用溝槽開(kāi)口較大梯形槽體就是相當常見(jiàn)的制程改善手段，而使用梯形槽體的絕緣槽設計，其實(shí)也有利于LED晶粒的光輸出效益。同時(shí)，也是為了改善整體光輸出效率，用于連接晶粒的金屬線(xiàn)體，在線(xiàn)體設計也需要針對更低的光遮蔽性與低阻抗問(wèn)題，也能改用透明之金屬氧化物制作導線(xiàn)材料，改善LED的發(fā)光效率表現。