交流發(fā)光二極管電路拓?fù)溲芯?/h1>
2018-03-19 05:21孫富康
照明工程學(xué)報(bào) 2018年1期
孫富康，竇 秋
(1.安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制與評(píng)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(shù)研究中心, 安徽 合肥 230022; 4.安徽電氣工程學(xué)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(qū)動(dòng)LED模組[1]。而后，首爾半導(dǎo)體、3N和Lynk Labs公司等分別設(shè)計(jì)、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(jīng)被設(shè)計(jì)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(yīng)用于家庭、辦公、室外等照明領(lǐng)域。
目前，已研究、應(yīng)用的交流發(fā)光二極管電路拓?fù)湫问桨ǚ聪虿⒙?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?fù)洳煌喈悺?/p>
我們通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外交流發(fā)光二極管電路拓?fù)浼夹g(shù)領(lǐng)域的相關(guān)論文和專(zhuān)利，闡述和分析不同類(lèi)型交流發(fā)光二極管電路拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)、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(qū)動(dòng)，無(wú)需由變壓器、電感、電解電容等元件組成的電源轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)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(shù)(MCT，Multi-Chip Technology)和多結(jié)技術(shù)(MJT，Multi-Junction Technology)。多芯片技術(shù)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(xiàn)的方式將LED芯片串聯(lián)并封裝在一起[2, 6, 7, 10]。多結(jié)技術(shù)是在材料層面實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED-PN結(jié)，如圖1所示[6, 10-12]。
圖1 交流發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)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?fù)?/h2>
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?fù)鋄13]；2005年，美國(guó)3N公司設(shè)計(jì)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?fù)渲邪粋€(gè)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?fù)鋄15]；2009年，Grigory A提出了一種階梯式交流發(fā)光二極管電路拓?fù)鋄16]。2014年，劉曉博在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了螺旋式交流發(fā)光二極管電路拓?fù)鋵?zhuān)利[7]。此外，海立爾股份有限公司[17]、財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院[18]、福華電子股份有限公司[19]、華南師范大學(xué)[20]和中國(guó)科學(xué)研究院半導(dǎo)體研究所[21]近年來(lái)也在交流發(fā)光二極管電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。
2.1 反向并聯(lián)式拓?fù)?/h3>
反向并聯(lián)式拓?fù)涫怯蓛陕贩聪虿⒙?lián)的發(fā)光二極管燈串(LED string)構(gòu)成，每個(gè)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(gè)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?fù)涫疽鈭D[6, 13]Fig.2 Diagram of the anti-parallel circuit topology
圖3 反向并聯(lián)式拓?fù)潆妷号c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?fù)?/h3>
惠斯通電橋式拓?fù)涫怯奢敵鲭姌蚝驼麟姌驑?gòu)成，每個(gè)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(fù)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(duì)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?fù)涫疽鈭D[6, 15]Fig.4 Diagram of the wheatstone-bridge circuit topology
圖5 惠斯通電橋式電路拓?fù)潆妷号c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?fù)?/h3>
階梯式拓?fù)涫怯尚酒催B接而構(gòu)成的若干個(gè)階梯單元組成，如圖6所示；在正、負(fù)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?fù)涞男酒寐瘦^高，可達(dá)60%以上[6, 16]。
圖6 階梯式拓?fù)涫疽鈭D[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?fù)潆妷号c電流特征圖Fig.7 Voltage and current characteristics of the ladder circuit topology
2.4 螺旋式拓?fù)?/h3>
螺旋式拓?fù)涫怯啥囝w發(fā)光二極管芯片通過(guò)串、并聯(lián)組成的網(wǎng)格狀電路，如圖8所示；與階梯式電路拓?fù)漕?lèi)似，在正、負(fù)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?fù)?m×n)[7]Fig.8 Diagram of the screw circuit topology
圖9 螺旋式拓?fù)潆妷号c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(jié)束語(yǔ)
由于電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用前景。我們通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外交流發(fā)光二極管電路拓?fù)溲芯款I(lǐng)域的論文和專(zhuān)利，闡述了交流發(fā)光二極管電路拓?fù)浒l(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?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特征和電路原理，建立了不同類(lèi)型拓?fù)渲衅骷`屬關(guān)系、導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通電流和導(dǎo)通時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，及電壓與電流特征圖。
[1] TAMURA T, SETOMOTO T, TAGUCHI T. Illumination characteristics of lighting array using 10 candela-class white LEDs under AC 100 V operation[J]. Journal of Luminescence, 2000, 87(89): 1180-1182.
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[19] 福華電子股份有限公司. 高可靠度及長(zhǎng)使用期的交流發(fā)光二極管裝置：200910225912.8[P]. 2009-11-23.
[20] 華南師范大學(xué). 一種交流發(fā)光二極管裝置：201110323351.2[P]. 2011-10-22.
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孫富康，竇 秋
(1.安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制與評(píng)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(shù)研究中心, 安徽 合肥 230022; 4.安徽電氣工程學(xué)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(qū)動(dòng)LED模組[1]。而后，首爾半導(dǎo)體、3N和Lynk Labs公司等分別設(shè)計(jì)、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(jīng)被設(shè)計(jì)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(yīng)用于家庭、辦公、室外等照明領(lǐng)域。
目前，已研究、應(yīng)用的交流發(fā)光二極管電路拓?fù)湫问桨ǚ聪虿⒙?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?fù)洳煌喈悺?/p>
我們通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外交流發(fā)光二極管電路拓?fù)浼夹g(shù)領(lǐng)域的相關(guān)論文和專(zhuān)利，闡述和分析不同類(lèi)型交流發(fā)光二極管電路拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)、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(qū)動(dòng)，無(wú)需由變壓器、電感、電解電容等元件組成的電源轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)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(shù)(MCT，Multi-Chip Technology)和多結(jié)技術(shù)(MJT，Multi-Junction Technology)。多芯片技術(shù)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(xiàn)的方式將LED芯片串聯(lián)并封裝在一起[2, 6, 7, 10]。多結(jié)技術(shù)是在材料層面實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED-PN結(jié)，如圖1所示[6, 10-12]。
圖1 交流發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)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?fù)?/h2>
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?fù)鋄13]；2005年，美國(guó)3N公司設(shè)計(jì)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?fù)渲邪粋€(gè)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?fù)鋄15]；2009年，Grigory A提出了一種階梯式交流發(fā)光二極管電路拓?fù)鋄16]。2014年，劉曉博在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了螺旋式交流發(fā)光二極管電路拓?fù)鋵?zhuān)利[7]。此外，海立爾股份有限公司[17]、財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院[18]、福華電子股份有限公司[19]、華南師范大學(xué)[20]和中國(guó)科學(xué)研究院半導(dǎo)體研究所[21]近年來(lái)也在交流發(fā)光二極管電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。
2.1 反向并聯(lián)式拓?fù)?/h3>
反向并聯(lián)式拓?fù)涫怯蓛陕贩聪虿⒙?lián)的發(fā)光二極管燈串(LED string)構(gòu)成，每個(gè)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(gè)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?fù)涫疽鈭D[6, 13]Fig.2 Diagram of the anti-parallel circuit topology
圖3 反向并聯(lián)式拓?fù)潆妷号c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?fù)?/h3>
惠斯通電橋式拓?fù)涫怯奢敵鲭姌蚝驼麟姌驑?gòu)成，每個(gè)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(fù)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(duì)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?fù)涫疽鈭D[6, 15]Fig.4 Diagram of the wheatstone-bridge circuit topology
圖5 惠斯通電橋式電路拓?fù)潆妷号c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?fù)?/h3>
階梯式拓?fù)涫怯尚酒催B接而構(gòu)成的若干個(gè)階梯單元組成，如圖6所示；在正、負(fù)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?fù)涞男酒寐瘦^高，可達(dá)60%以上[6, 16]。
圖6 階梯式拓?fù)涫疽鈭D[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?fù)潆妷号c電流特征圖Fig.7 Voltage and current characteristics of the ladder circuit topology
2.4 螺旋式拓?fù)?/h3>
螺旋式拓?fù)涫怯啥囝w發(fā)光二極管芯片通過(guò)串、并聯(lián)組成的網(wǎng)格狀電路，如圖8所示；與階梯式電路拓?fù)漕?lèi)似，在正、負(fù)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?fù)?m×n)[7]Fig.8 Diagram of the screw circuit topology
圖9 螺旋式拓?fù)潆妷号c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(jié)束語(yǔ)
由于電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用前景。我們通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外交流發(fā)光二極管電路拓?fù)溲芯款I(lǐng)域的論文和專(zhuān)利，闡述了交流發(fā)光二極管電路拓?fù)浒l(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?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特征和電路原理，建立了不同類(lèi)型拓?fù)渲衅骷`屬關(guān)系、導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通電流和導(dǎo)通時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，及電壓與電流特征圖。
[1] TAMURA T, SETOMOTO T, TAGUCHI T. Illumination characteristics of lighting array using 10 candela-class white LEDs under AC 100 V operation[J]. Journal of Luminescence, 2000, 87(89): 1180-1182.
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