摘要：传统LED用直流电驱动，因此为DC LED。韩国首尔半导体发明的AC LED，可由100V/110V或220V/230V的AC电源直接驱动，彻底颠覆了传统DC LED照明及相关应用解决方案。本文介绍了AC LED的结构、工作原理、电学和光学参数及其应用。
关键词：AC LED；交流直接驱动；可插拔；立体导热
1、引言
在世界各国都在重视节能减排和大力推行半导体照明的形势下，韩国首尔半导体（Seoul Semi-Conductor）于2005年1月推出全球首款用交流市电直接驱动的“Acriche”AC LED。我国台湾地区的工业技术研究院很快实现了AC LED的产业化生产，并在芯片技术和封装技术上有重大创新，发明了“低热阻立体导热插拔封装技术”，并于2008年9月，获美国R&D 100 Awards国际大奖。
利用工频（100V/110V和220V/230V）市电直接驱动的AC LED的发明，完全颠覆了传统DC LED的照明应用方案，是LED发展史上的一次重大突破，为半导体照明增加了一个光彩夺目的新秀。
2、AC LED利用交流市电直接驱动，颠覆了传统应用
于20世纪60年代问世目前被广泛应用的LED，都由直流（DC）电驱动，因此系DC LED。当DC LED用于户外大屏幕显示、建筑照明、景观照明和道路照明等领域时，通常需使用工频（50Hz/60Hz）市电（110V/220V等）供电。为使DC LED正常工作，需将AC电源进行AC-DC转换，并需要附加DC-DC变换电路，为LED提供合适的工作电压和恒定工作电流，具体的方案如图1所示。
在AC-DC和DC-DC转换过程中，电力损耗达20%-30%，致使电路效率难以超过80%。如果不在桥式整流电路之后配置功率因数校正（PFC）级电路，线路功率因数难以达到0.6以上，电源利用率是很低的。在电源变换过程中，需使用十几个乃至几十个元器件，有的元件（如变压器、电感器、铝电解电容器、功率晶体管或MOSFET）又是大而笨重的，并且LED本身的散热铝基板又较大，因此在设计LED灯泡造型时，非常有限的空间难以容纳这些元件。所使用的元件越多，占位面积也就越大，体积和重要也越大，成本也越高，可靠性也相应降低。目前DC LED的寿命，都达3万小时以上。在使用过程中，LED不能再点亮，其实LED本身并没有损坏，而是其驱动电路中元件失效所致。
AC LED仅需串接一个限流电阻就可利用交流市电直接驱动，不必进行AC-DC转换，也不需要DC-DC降压式恒流源驱动电路，完全颠覆了传统LED的应用，给人们一个全新的设计和应用概念，对传统LED照明及其相关应用是一个不小的冲击。
3、AC LED的工作原理
AC LED核心技术是超细LED晶粒在封装时的排列和组合，同时利用LED PN结的单向导通特性兼作整流。在AC LED制程中，将一堆LED微晶粒采用交错矩阵排列工艺进行排列，并加入桥式整流电路设计，如图2所示。当在两个引脚上施加交流市电时，AC电流可以双向流动，使LED晶粒发光。AC LED的工作原理如图3所示。
在图3（a）中，共有5串LED晶粒（每串有两个LED晶粒），其中4串LED晶粒组成一个整流桥，还有1串LED晶粒安置在一个对角线bd上，AC电源加至整流桥的a、c两点。在交流电的正半周（即AC电源左正右负时），电流从a点流入，经b、d和c点，返回到电源（负端）；在交流电的负半周（即AC电源左负右正时），电流从c点流入，经b、d和a点，返回到电源（负端）。当电流通过LED晶粒时，则会发光。当一对平行桥臂上的LED晶粒导通时，另一对平行桥臂上的LED晶粒则截止。LED晶粒断电后其余辉长达几十微秒（μs），故人眼观察不到已经断电的LED晶粒熄灭。整流桥上的LED晶粒有一半时间不工作，因而发热量可减少20%~40%，使AC LED的寿命较DC LED长。但是，位于对角线bd上的LED晶粒始终是导通的。与普通桥式整流电路一样，当输入一个正弦AC电压Vin时，则产生一个直流脉动电压Vout[见图3（b）]。
4、AC LED的封装
首尔半导体的白光AC LED外形封装与一般白光大功率DC LED相类似，如图4所示，尺寸见图5。台湾工业技术研究院采用创新的立体导热可插拔封装，如图6所示。国际上的接口热阻封装安规标准要求≤3℃/W，台湾工业技术研究院光电所将AC LED导热的接触面积增大到先前同类器件的10倍，散热体积也增加，使接口热阻降至0.3℃/W，大大改善了令人烦恼的散热问题。搭配插拔式外形，可直接在一般交流电的插槽更换使用，给AC LED应用增添了极大的便利性。台湾工业技术研究院改进了LED微晶粒制程，在1mm2的面积上排列出约100颗微晶粒，从而有效提升了AC LED芯片的发光效率。
目前台湾市面上由艾尔莎（ELSA）代理销售的AC LED，主要是液光固态公司（LIQUIDLEDS）生产，产品规格以2W和4W为主，选用首尔半导体的芯片，搭配特殊液态绝缘油散热，光源经由液体的光折射后能更为均匀射出，在外观上则选用玻璃封装，有着良好的耐酸碱性能。
5、AC LED的光电参数及其特性曲线
5.1 AC LED的光电参数
目前台湾工业技术研究院的AC LED以5W为主，8W和10W的产品正在开发中。韩国首尔半导体的AC LED规格有2W和4W，工作电压分100V/110V和220V/230V两类，表1列示了4W AC LED的型号和电子光学参数。
表1 首尔半导体4W AC LED代表性产品电子光学参数
5.2 AC LED的特性曲线
AC LED的色谱特性曲线如图7所示。图8为AC LED相对亮度与定向角之间的关系曲线。图9所示为AC LED相对光通量与工作电压之间的关系。
大家知道，白光DC LED的工作电压VF为3~4V（大功率白光DC LED的VF约为3.5V），工作电流从几十个mA到1.5A甚至更大。而目前AC LED的工作电压为100V/110V和220V/230V，工作电流为20mA/40mA。图10所示为AC 220V的AW3220/AN3220的电流—电压特性曲线。
6、AC LED的应用
6.1 AC LED驱动电路
AC LED只要串联一个限流电阻R，就可由AC电源直接驱动，如图11所示。
AC LED生产厂家为用户提供了工作电压VF分档和限流电阻值（见表2）。
表2 AW3200/AN3200和AW3220/AN3220的VF分档和限流电阻值
两个100V/110V的AC LED可以串联在一起，再加上限流电阻，用220V/230V的AC电源直接驱动，如图12所示。在图12中，限流电阻R值见表3。
6.2 AC LED的应用
目前AC LED的主要应用是一般照明、出入口照明、道路照明、家具照明、产品展示照明、招牌照明、建筑照明和景观照明。台湾工业技术研究院已将AC LED用于42寸LCD TV背光模块，并完成样机示范。图13示出的是AC LED灯泡。
用AC LED制作的台灯，比传统台灯更加轻巧，在一些展览会中早已登场亮相。
表4列示了AC LED与DC LED对比，表5为AC LED与DC LED和白炽灯照明应用比较。
表4 AC LED与DC LED光源特性比较
表5 ITR1 5W AC LED与5W DC LED及20W钨丝灯照明应用比较
AC LED是半导体照明领域中的新秀，这一全新型的固态光源必将在照明应用中大放光彩。但是，AC LED不可能取代传统DC LED，在电池和太阳能供电的场合，DC LED依然是最适合的选择。
7、结束语
利用工频市电直接驱动的AC LED光色分纯白和暖白色两类，工作电压为AC 100V/110V和AC 220V/230V（50Hz/60Hz），工作电流为AC 20mA和AC 40mA，寿命为35,000h以上，产品规格以2W、4W和5W为主，8W和10W的产品正在开发中。AC LED不需用变压器和驱动电路，仅需一个限流电阻，在应用中成本低、效率高、体积小，易做灯具造型设计，可插拔结构给应用带来极大的便利。随着AC LED光效的提高、功率的增加和生产成本的降低，其在半导体照明方面将充当重要角色，势必对传统LED造成冲击。
参考文献
[1] 解析AC LED应用与发展趋势。拓扑产业研究所焦点报告[R/OF]（2008-12-4）。http://www.ledxm.com.
[2] 首尔半导体量产40lm/W AC LED创全球首例。韩国经济日报，2006/11。
[3] Seoul Semiconductor. AX32XO Specification, 2009/1.
[4] 毛兴武等。新一代绿色光源LED及其应用技术[M]，北京：人民邮电出版社，2008/8。
