孫富康，竇 秋

(1.安徽建筑大學節(jié)能研究院, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制與評估工程研究中心, 安徽 合肥 230022; 3.建筑節(jié)能安徽省工程技術研究中心, 安徽 合肥 230022; 4.安徽電氣工程學校, 安徽合肥 230031)

引言

2000年，Tamura等提出一種由直流發(fā)光二極管(DC-LED)組成交流電壓驅動LED模組[1]。而后，首爾半導體、3N和Lynk Labs公司等分別設計、制造了集成的交流發(fā)光二極管芯片(AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode)[2-5]。目前，交流發(fā)光二極管已經被設計成球泡燈、筒燈、射燈、面板燈、T5/T8燈管、路燈等燈具形式，廣泛應用于家庭、辦公、室外等照明領域。

目前，已研究、應用的交流發(fā)光二極管電路拓撲形式包括反向并聯(lián)式(Anti-parallel)、惠斯通電橋式(Wheatstone bridge)、階梯式(Ladder)和螺旋式(Screw)[6-7]。交流發(fā)光二極管的工作特性因電路拓撲不同而相異。

我們通過調研國內外交流發(fā)光二極管電路拓撲技術領域的相關論文和專利，闡述和分析不同類型交流發(fā)光二極管電路拓撲電路結構、工作原理，及電壓和電流工作特性。

1 交流發(fā)光二極管

交流發(fā)光二極管(AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode)可以直接用交流電驅動，無需由變壓器、電感、電解電容等元件組成的電源轉換電路；與傳統(tǒng)的直流發(fā)光二極管(DC-LED)燈具相比較，去除了30%～50%電源損耗，減少了30%～40%成本，電源驅動相對簡單[8-10]。

交流發(fā)光二極管有兩種制造形式，分別是多芯片技術(MCT，Multi-Chip Technology)和多結技術(MJT，Multi-Junction Technology)。多芯片技術又分為兩種，一種是將封裝好的LED器件焊接在電路基板上，另一種是以金屬打線的方式將LED芯片串聯(lián)并封裝在一起[2, 6, 7, 10]。多結技術是在材料層面實現(xiàn)多個LED-PN結，如圖1所示[6, 10-12]。

圖1 交流發(fā)光二極管結構圖[2, 6, 10, 11]Fig.1 Diagram of AC-LED’s structure

2 交流發(fā)光二極管的電路拓撲

2002年，J. E Ao等提出了一種反向并聯(lián)式交流發(fā)光二極管電路拓撲[13]；2005年，美國3N公司設計了一種基于電容式電流控制(C3，Capacitive Current Control)的交流發(fā)光二極管芯片，其電路拓撲中包含一個電容器[14]；2007年，Jaehee Cho等提出了一種橋式交流發(fā)光二極管電路拓撲[15]；2009年，Grigory A提出了一種階梯式交流發(fā)光二極管電路拓撲[16]。2014年，劉曉博在國內申請了螺旋式交流發(fā)光二極管電路拓撲專利[7]。此外，海立爾股份有限公司[17]、財團法人工業(yè)技術研究院[18]、福華電子股份有限公司[19]、華南師范大學[20]和中國科學研究院半導體研究所[21]近年來也在交流發(fā)光二極管電路設計領域申請了發(fā)明專利。

2.1 反向并聯(lián)式拓撲

反向并聯(lián)式拓撲是由兩路反向并聯(lián)的發(fā)光二極管燈串(LED string)構成，每個發(fā)光二極管串再由多顆發(fā)光二極管芯片串聯(lián)而成，如圖2所示；在交流工作周期中，每半個周期僅有一路發(fā)光二極管串發(fā)光[6, 13]。

圖2 反向并聯(lián)式電路拓撲示意圖[6, 13]Fig.2 Diagram of the anti-parallel circuit topology

圖3 反向并聯(lián)式拓撲電壓與電流特征圖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 惠斯通電橋式拓撲

惠斯通電橋式拓撲是由輸出電橋和整流電橋構成，每個電橋都是由多顆發(fā)光二極管芯片串聯(lián)而成，如圖4所示；其中，輸出電橋上的發(fā)光二極管芯片在正、負偏壓下始終保持正向工作的狀態(tài)，整流電橋上的發(fā)光二極管芯片根據(jù)偏壓方向的不同成對地交替發(fā)光。整流電橋電路增加芯片的發(fā)光面積，提高了芯片的利用率[6, 15]。

圖4 惠斯通電橋式拓撲示意圖[6, 15]Fig.4 Diagram of the wheatstone-bridge circuit topology

圖5 惠斯通電橋式電路拓撲電壓與電流特征圖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 階梯式拓撲

階梯式拓撲是由芯片正反連接而構成的若干個階梯單元組成，如圖6所示；在正、負偏壓下，中心橋上的芯片始終保持正向工作的狀態(tài)，而邊路橋上的芯片則是交替發(fā)光。階梯式電路拓撲的芯片利用率較高，可達60%以上[6, 16]。

圖6 階梯式拓撲示意圖[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)

圖7 階梯式拓撲電壓與電流特征圖Fig.7 Voltage and current characteristics of the ladder circuit topology

2.4 螺旋式拓撲

螺旋式拓撲是由多顆發(fā)光二極管芯片通過串、并聯(lián)組成的網格狀電路，如圖8所示；與階梯式電路拓撲類似，在正、負偏壓下，中心橋上的芯片始終保持正向工作的狀態(tài)，而邊路橋上的芯片則是交替發(fā)光[7]。

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

圖9 螺旋式拓撲電壓與電流特征圖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 結束語

由于電源驅動結構簡單，功率因素和諧波失真特性較好，交流發(fā)光二極管有著廣闊的應用前景。我們通過調研國內外交流發(fā)光二極管電路拓撲研究領域的論文和專利，闡述了交流發(fā)光二極管電路拓撲發(fā)展歷程，分析了交流發(fā)光二極管反向并聯(lián)式、惠斯通電橋式、階梯式和螺旋式拓撲的結構特征和電路原理，建立了不同類型拓撲中器件隸屬關系、導通電壓、導通電流和導通時間的數(shù)學模型，及電壓與電流特征圖。

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[5] 高英明,鄒念育，張環(huán)月，等. 交流發(fā)光二極管光源的工作特性研究[J]. 半導體光電, 2011,10, 33(5): 606-609.

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[20] 華南師范大學. 一種交流發(fā)光二極管裝置：201110323351.2[P]. 2011-10-22.

[21] 中國科學研究院半導體研究所. 一種交流發(fā)光二極管：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.