主导未来通用照明市场的高压LED

作者：颜重光 高工

最近几年 LED 照明的迅猛发展，特别是景观照明、北京奥运、上海世博会的大量应用LED 照明灯具，唯美的电光空前的震撼了世人的感官，在全世界普及了LED 照明，LED 照明的节能、高效、长寿、环保理念深入人心。由于目前的LED 照明灯具的成本还居高不下，LED 灯具与荧光节能灯的市场占有率大约分别是5%和95%，LED 照明灯具走进千家万户还需要3—5 年的时间。

目前的 LED 照明大多使用低压LED 光源（LV LED），它的正向工作电压VF 低，一般为3.2±0.2V，正向工作电流IF 大，标称电流为350mA/1W 或700mA/3W。因此，需要特殊的开关恒流源供电，由此导致系统电路功率因数损耗，系统电路纹波增加；传统灯具留给我们的空间很小，LED 光源的驱动电源在狭小空间里很难做好；LED 照明灯具内都必须附加交流转直流（AC/DC）的电源转换系统，在整流后需要有较大的降压才能给低压LED 光源供电，电能损耗很大，整个电源的效率很难提高；系统电路中变压器耦合及电阻精度的误差，以及与驱动IC 的配合度，往往使变压器制造参数与理论值相差很大；驱动电源的纹波去除和电能储能需要铝电解电容器，而铝电解电容器的低寿命又成了LED灯具长寿命难于逾越的鸿沟；LED 光珠无辐射散热功能，需要传导散热，必须使用散热器，因空间有限而散热困难，LED 整灯散热至今还是一个巨大的瓶颈；LED 光珠散热不畅、不及时将导致LED 光珠早期光衰；大量的使用散热器将增加LED 照明灯具的成本和自身重量。。。虽然，诸如此类的种种困难均在我们LED 灯具设计工程师的努力改进之中，但是追求优良的产品性能和产品的成本控制一直是在矛盾之中。

HV LEDs 模组原理

高压 LEDs 光源的成功生产为LED 照明灯具开辟了一个新的视野，开创了一片新天地。高压LEDs 模组光源（HV LEDs），它的正向工作电压VF 相比LVLED 是高压的，可以人为的在生产时设计控制，HV LEDs 是在同一芯片上的模组，它在生产时已完成PN 结的片上串联，因此整个模组的VF 比较高，可设计成25V、35V、45V、50V。。。270V/DC，是LV LED 的十倍、几十倍。正向工作电IF=20mA，与LV LED 的350-700mA 相比，工作电流减少百多倍，HVLEDs 发热量因此大大降低，基本解决LV LED 散热的瓶颈，大大减少散热铝的使用量。系统电路不需要专门的AC/DC 的开关恒流源，有效降低功耗和成本。

以HV45 为例，技术参数比较理想，VF=46.9V、IF=20mA、Pin=0.94W、Flux=126 lm、CIEx=0.3524、CIEy=0.4332、CCT=5000K、Efficacy=134 lm/W。HV45 是一颗在同一芯片上生成的LEDs 模组，芯片结构如图1 所示，图中可见有16 颗LED 的PN 结在同一芯片上串联，是芯片在生产时生成。片中黄色箭头是LED 的PN 结间的互联端，将16 颗LED 的PN 结串联，所以HV45 的VF=46.9V-DC 是16 颗LED 的PN 结的VF 值相加。左下端和右上端分别是整个LEDs 模组的二个引出线端。


图 1 HV45 LEDs 模组芯片结构图

HV LEDs 光源可以是蓝色的、红色的或白色的，按实际需要设计生产。在LED 灯具设计时，可以考虑各种颜色HV LEDs 光源的搭配组合，以求需要的发光效果，LED 灯具设计师的自主空间和产品变换空间相当大。如将四个1W 的蓝光HV45 的HV LEDs 与二个0.7W 的红光HF25B 的HV LEDs 串联，即可设计成5.4W 的光源，VF=270V-DC，IF=20mA，发光效率 105 lm/W@5.4W、3000K，色温指数90。较采用传通的红色荧光粉提高30%的发光效率。高压、超高亮度紅光LEDs(HF25B) + 高压蓝光LEDs (HV45) 合成高显色、超高亮度暖白光（图2）。加入红光LED 后的高显色暖白光光谱如图3 所示。


图 2 六个HV LEDs 串联应用


图3 加入红光LED 后的高显色暖白光光谱

HV LEDs 基本结构及关键技术

HV LEDs 基本架构和AC LED 相同，即是将晶片面积分割成多个细小单元PN 结之后串联而成。其特色在于，晶片能够依照不同输入之电压的需求而决定其细小单元PN 结数量与大小等，等同于做到客制化的服务。由于可以针对每颗细小单元PN 结加以优化，因此能够得到较佳的电流分布，进而提高发光效率。

HV LEDs 和一般LV LED 在技术上最主要的差异有叁，第一为开沟槽(Trench)，沟槽的目的在于将N 颗的细小单元PN 结独立开来，因此其沟槽下方需要达到绝缘的基板，其深度依不同的外延结构而异，一般约在4~8um，沟槽宽度方面虽无一定的限制，但是沟槽太宽代表着有效发光区域的减少，将影响HVLED 的发光效率，因此需要开发高深宽比的制程技术，缩小制程线宽以增加发光效率。

第二为绝缘层(Isolation)，若绝缘层不具备良好的绝缘特性，将使整个设计失败，其困难点在于必须在高深宽比的沟槽上披覆包覆性良好、膜质紧密及绝缘性佳的膜层，这也是单晶AC LED 制程上的关键。

第三个是细小单元PN 结晶片间的互连导线(Interconnect)。一般而言，要做到良好的连结，导线在跨接时需要一个相对平坦的表面，一个深邃的阶梯状结构将使得导线结构薄弱，在高电压、高电流驱动下容易产生毁损，造成晶片的失效，因此平坦化制程的开发就变得十分重要。理想的状态是在做绝缘层时，能一併将深邃的沟槽予以平坦化，使互连导线得以平顺连接。此外，HV LEDs 在应用上和一般低压LV LED 最主要的不同点为，它不仅仅能够应用于恒流(Constant DC)的系统电路中，也可以外接桥式整流器，直接应用于交流环境，非常具有弹性。在HV LEDs 中，外部整流器捨弃AC LED 採用同质氮化镓的做法而改採用硅整流器，不仅使得耗能少，更可防止逆向偏压过大对晶片所造成的影响；HV LEDs 较AC LED 少了内部桥整流的发光区，使发光效率相对较高，耐用度也较好。