AC LED產品壽命、節能效益表現更佳

AC/DV Converter是DC LED綠能固態照明耗能技術瓶頸。TDK-Lambda

源自半導體元器件製程科技而來的LED照明應用，多數採DC電源驅動光源器件，而單一器件照明應用透過提升驅動電壓、電流提高亮度，但AC/DC驅動電路電力轉換損失反而成為LED照明提升光？電轉換效率的瓶頸，AC直接驅動LED設計方案正可改善此問題…

即便全球環保意識逐漸抬頭，但日常照明多數還使用高耗能燈具，而具備明顯電能節約效益的LED固態照明產品即成為熱門節能選項，從政策補助、大型公眾照明的路燈更換專案大量導入LED照明方案，都可看出LED導入日常照明已成為節約照明耗能的重要手段。

DC LED仍為照明應用主流  AC LED具技術發展潛力

LED主要光源元件為運用半導體科技製成的固態照明元件，並使用低電壓搭配大電流運作，常規LED發光元件必須搭配直流(DC)電源驅動AC/DV Converter才能正常發光使用。為了提升LED照明應用的實用價值，直流DC驅動LED光源的發光技術日趨成熟，在提升照明光效、能源效能方面，因為日常用電所使用的市電來源為交流(AC)電110~220V，LED發光元器件使用的電壓遠低於市電，驅動LED固態光源勢必須經過高壓->低壓轉換過程、再透過交流(AC)電->直流(DC)電力轉換過程，變換成直流恆流電源驅動LED發光。

提升光？電效率方面在元器件上有各種技術整合進行改善，例如利用光學原理提升元器件的輸出光型、輸出光量，或透過晶片材料科技改善元件各方面效能，甚至從封裝、LED晶片等半導體特性進行效能優化，元器件各方面優化手段已有大量專利與對應手法。

但直流驅動的LED發光元器件最大的效能問題仍在市電轉換成低壓直流？恆流的能源損耗方面，因為在高壓轉換至低壓、同時處理整流與恆流輸出過程，電力轉換系統的系統效率很難做到90%以上(理想轉換效率為100%，即轉換過程無損耗能量)，但實際在照明設備上電源轉換的效率通常僅有80%上下，這表示有將近20%的電力能源在毫無效用的電力轉換過程中被浪費。

小型化燈具AC LED具整合優勢

尤其是在E27這類標準螺口球泡LED燈產品方面，這種能源損耗的問題會更趨嚴重。因為E27燈具本身在LED光源產品上為了達到可以直接替代傳統燈具的效益，E27球泡燈的LED款式產品體積也被要求必須與傳統球泡燈相當，在不更換燈具接口的前提下，LED光源驅動電源的電力轉換線路設計就被限制在極小的空間設置對應電路模組，一方面空間極為有限，另一方面轉換線路產生的能源轉換過程的廢熱，也成為相關電路或燈殼機構的設計難題。

而電源模組使用電子變壓器或交換式電源處理降壓，礙於電力轉換設計電子電路受限機構體積、產品終端成本要求限制，這類電源轉換線路都趨於精簡、低成本設計，電力轉換系統都會有一定程度的能源耗損，這會導致LED照明應用有高達15%~30%驅動電能在轉換過程被消耗掉了，能直接轉換成照明的驅動電力僅70%左右電能，也讓實際導入LED綠能固態照明的效益因此受限。而AC LED設計的目標為免額外的電能轉換線路、或LED驅動器加以驅動，即以市電直接驅動LED固態照明元器件的概念，即可直接在電力轉換部分技術瓶頸獲得改善，等於是整體LED照明應用節省了近30%電能消耗。

國際大廠積極切入AC LED產品與技術研發

基本上AC LED技術在2005年韓國Seoul Semiconduct已有對應技術發明，即使用交流電就能直接驅動AC LED發光，不需額外電力轉換成直流？恆流驅動LED元器件；另美國III-N Technology也運用MOCVD(metal organic chemical-vapor deposition)有機金屬化學氣相沉積技術，應用金屬有機物、化工原料(如三甲基鎵、三甲基鋁…等)與特殊氣體(砷化氫、磷化氫…等)透過特殊載體氣流送至高溫之矽晶片上於高溫反應器內進行化學反應，使反應物沉積在晶片上得到磊晶片的生產技術產製發光二極體等，而III-N Technology也發展自家AC LED專利組合保護相關產品設計。

檢視AC LED燈具優點，一是原本LED固態光源帶來的綠能照明材料節能特性，二是由元器件可達到免電壓轉換、恆流器驅動支持直接使用交流電驅動的驅動電能優化效益。也就是說原本LED固態光源本身就在發光的節能表現上優於傳統白熾燈、鹵素燈、螢光型日光燈、螢光節能燈等，同時LED可AC交流電直接驅動設計方案因為省掉驅動電路的能源消耗，在節能效益表現方面更加顯著。

AC LED設計更精簡

甚至一般如E27這類小型LED燈具，因為電壓轉換電路必須壓低成本、電力轉換與恆流設計的電子元件與線路較簡陋，相關電子電路成本要求下耐用度也會受到影響，因此這類燈具常見的狀況往往是電壓轉換模組故障而導致LED燈具不得不整個更新換用，而實際上燈具的LED光源可能還沒達到元器件的使用壽命就被浪費汰換了，導致LED光源的能源節約效益、成本優勢都受到影響。而採用AC LED元器件的LED照明應用因為免除電壓轉換與恆流器設置，整體成本跟壽命表現都可因此相對提升產品效益。

檢視AC LED製作技術，其實並不是單純的LED發光器件的元件整合，因為LED固態光源基本上驅動條件並未大幅改變，而是利用積體電路製程方法將AC LED光源運用超細晶粒採行特別的陣列排佈方式整合，原本DC LED必要的外部電壓轉換與恆流驅動線路，在AC LED中為利用LED本身的二極體P/N結構特性處理AC/DC轉換的整流工作，而AC LED的元器件則運用半導體製程將大量LED晶片進行整合與陣列組合，不僅解決LED照明問題，同時也處理了必備的驅動電路需求。

應用半導體或模組整合  強化AC LED應用價值

AC LED為了達到更好的產品使用條件，因應AC交流電應用中元器件的雙向導通特性，也在LED元器件封裝中加入橋式整流電路，讓AC LED元器件本身還可達到任意裝設方向都可順利發光工作，即僅需接入交流電就能進行發光照明應用。為了讓AC LED元器件性能(發光效率、耐用度)提升，各家使用的整流？恆流處理、發光機制對應的LED陣列排佈設計、積體電路封裝方案，就成為不同廠商的開發重點。

例如，在AC LED元器件內部LED陣列中的橋式整流晶片排佈上，運用交錯式矩陣排列再搭配成組的整流橋式設計，在直接連接交流電時透過交流電本身的正半周？負半周輸入進行往復點亮不同橋式LED陣列組合，以AC 110V, 60Hz電力輸入為例，等於正半周作用的橋式電路下的LED陣列與負半周作用下的在每秒產生60發光效果，由於LED本身光亮在斷電後仍會因為封裝材料中的螢光粉產生餘輝的持續光特性，在60Hz閃爍下人眼也會體驗燈具為持續發光狀態，但元器件達到的效用是LED壽命至少延長一倍(因同樣時間內單位LED發光光源僅一半時間為點亮狀態)，LED元器件散熱處理也會少掉近40%。

在實際使用AC LED時，由於不需整流、恆流器輔助，LED元器件僅需搭配簡單的元件(如正溫度係數熱敏電阻PTC(Positive Temperature Coefficient)、限流電阻)搭配組構安全電路，避免元件故障打穿時造成元器件短路、避免電力線短路問題即可完成節能燈具設計方案，不僅讓整個節能照明的線路設計更加簡潔，同時在亮度表現不減前提下又能達到壽命增長、發熱降低、整體成本降低、組裝便利等多項優點。

現階段因為DC LED仍為主流產品，較顯著亮度改善、大功率驅動的相關LED照明技術仍以DC LED產品為主，AC LED在發光效率方面並沒有高亮度的DC LED高。其次是AC LED本身為AC電力直接驅動，在照明應用若搭配散熱片或金屬燈殼設計，金屬料件組裝結構沒處理好是會產生觸電風險，AC LED元器件使用時若無法避免搭配散熱片設計，也應避免散熱片裸露設計。