CN102378447A

CN102378447A - Ac驱动发光装置

Info

Publication number: CN102378447A
Application number: CN2011102420795A
Authority: CN
Inventors: 李永镇; 金亨根; 文敬美
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2012-03-14
Also published as: US20120043896A1; US8736181B2; KR20120018646A; EP2424333A2

Abstract

本申请提供了一种AC驱动发光装置，包括：多个串联连接的LED阵列，每个LED阵列具有这样的结构，其中，多个LED被电连接以形成双端电路并在将AC电压施加至双端电路时通过双向电压发光；以及切换设备，连接至多个LED阵列中的至少一个并相对于多个LED阵列控制总驱动电压。该AC驱动发光装置允许从低驱动电压Vf运行而同时在高电压Vf处具有高的驱动电压，从而在功率因数、THD和能效方面具有优良的特性。

Description

AC驱动发光装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年8月23日在韩国知识产权局提交的第10-2010-0081616号韩国专利的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种交流(AC)驱动发光装置。

背景技术

半导体发光二极管(LED)作为光源在输出、效率和可靠性方面具有优势。人们已经积极开展了能够作为高输出和高效率光源取代发光装置或显示装置的背光的半导体LED的开发研究。

通常，以低DC电压驱动LED。因此，需要提供低DC电压的附加电路(例如AC/DC转换器)以在正常电压(例如AC 220V)下驱动发光二极管。然而，附加电路的引入不仅使得LED模块的配置复杂化，而且在供电转换的过程中，降低了其效率和可靠性。另外，除了光源之外，附加组件增加了制造成本和产品尺寸，并且，由于在模式切换操作(switching-mode operation)过程中的周期分量(periodic component)，导致了电磁干扰(electro-magnetic interference，EMI)特性变差。

为了解决这些问题，已经提出了多种以AC电压驱动而无需使用附加转换器的LED驱动电路。然而，由于LED的二极管特性，仅通过使用LED很难实现双向AC驱动。齐纳二极管可以保护LED，但是其在尺寸、容量和成本方面不能达到要求。单向60Hz驱动使得闪烁特性劣化，从而光的质量可能是有问题的。此外，在使用高压AC电源的情况下，通过使用驱动电压Vf通常为3V至4V的单个LED来实现有效驱动会受到限制。因此，需要允许在120Hz下双向运行并具有高驱动电压Vf的高压LED来设计一种AC驱动发光装置。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种交流(AC)驱动发光装置，所述交流驱动发光装置在允许从低驱动电压Vf运行的同时在高电压处具有高驱动电压Vf，从而在功率因数、总谐波失真(THD)以及能效方面具有优良的特性。

根据本发明的一方面，提供了一种AC驱动发光装置，包括：多个串联连接的LED阵列，每个LED阵列具有这样的结构，其中，多个LED被电连接以形成双端电路并在将AC电压施加至双端电路时通过双向电压发光；以及切换设备，连接至与多个LED阵列中的至少一个并关于多个LED阵列控制总驱动电压。

切换设备可以连接至由多个LED阵列中的至少一个构成的电路的两端。

切换设备可选自由电阻器、电流调节二极管和开关组成的组。

切换设备可以使与其相连的至少一个所述多个LED阵列相对于AC电压的半周期以不发光、发光和不发光的顺序运行。

切换设备可以使得与其相连的至少一个所述多个LED阵列在AC电压的峰值处发光。

AC驱动发光装置的功率因数可以是0.9以上。

AC驱动发光装置的总谐波失真(THD)可以是30％以上。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，可以更加清楚地理解本发明的上述和其他方面、特征和其他优点，其中，

图1为根据本发明示例性实施方式的连接至交流(AC)电源的AC驱动发光装置的等效电路图；

图2为示出了可应用于图1的发光装置的LED阵列的实例的平面图；

图3为图2的LED阵列的等效电路图；

图4A至图4D为图2的LED阵列的侧截面图；

图5示出了图1的切换设备的实例；

图6示出了驱动图1的AC驱动发光装置的实例；

图7示出了根据图6的驱动实例的电压和电流波形图；

图8示出了驱动图1的AC驱动发光装置的另一实例；

图9示出了根据图8的驱动实例的电压和电流波形图；

图10示出了当采用图1的切换设备时的电流和电压波形图；以及

图11和图12为示出了图1所示的示例性实施方式的可选LED阵列的等效电路图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。

然而，本发明可以以多种不同形式来实现而并不应该被解释为限于这里所述的实施方式。而是，提供这些实施方式，使得本发明的内容透彻且完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

在图中，为了清楚起见，形状和尺寸都被放大了，并且在全文中用相同的参考标号表示相同或相似的元件。

图1示出了根据本发明示例性实施方式的连接至交流(AC)电源的AC驱动发光装置的等效电路图。根据本发明该实施方式的AC驱动发光装置100包括多个LED阵列104至107，每个LED阵列均具有多个相互连接的LED 103。每个LED阵列104至107形成一个双端电路。当将来自AC电源101的AC电施加至双端电路时，LED103被连接以通过双向电压而发光。此外，如图1所示，LED阵列104至107以串联的方式彼此电连接，并且每个LED阵列104至107都可以用AC电压驱动，因此，具有这种串联配置的AC驱动发光装置100也可以通过AC电压运行。在该实施方式中，采用了四个LED阵列104至107。然而，可以根据AC电压或LED驱动电压的大小来适当地改变LED阵列的数目。

根据该实施方式，如图1所示，每个LED阵列104至107具有梯状电路结构，使得甚至在没有AC/DC转换器等的情况下也能够进行AC驱动。图2为示出了可应用于图1的发光装置的LED阵列的实例的平面图。在这种情况下，为便于说明，与图1不同，图2示出了具有八个LED的LED阵列。可以理解的是，图1的电路图中的LED在横梯部分中的数目从四个减少至两个，而在连接至横梯部分的节点处，从两个减少至一个(见图3所示的等效电路图)。

图2中所示的LED阵列可以通过上述AC电源来驱动，并且包括具有四个边(即，第一边e1至第四边e4)的矩形基板31。沿着基板31顶面上的第一边e1以行排列三个第一LED单元A1、A2和A3。沿着面对第一边e1的第二边e2以行排列三个第二LED单元B1、B2和B3。在第一和第二LED单元行之间排列两个第三LED单元C1和C2。这样，第一至第三LED单元形成了单个LED阵列结构。

在该实施方式所采用的第一至第三LED单元中，第一电极37或37′和第二电极38被分别设置成与相应的一个LED单元的顶面的相对边相邻。此外，第一电极37、37′和第二电极38每个均具有沿与其相邻的对应边延伸的部分。由于第一电极37、37′和第二电极38分别沿相对边延伸，因此，可以在每个LED单元的整个发光区域上获得均匀的电流分布。结果，可以提高发光效率。

如该实施方式所述，第一位第一LED单元A1可以沿着基板31顶面的第三边e3延伸至第一位第二LED单元B1。此外，第三位第二LED单元B3可以沿着基板31顶面的第四边e4延伸至第三位第一LED单元A3。以这种方式，可以调节LED单元的大小和形状，从而实现更高的集成度。LED阵列可以具有第一外部电极P1和第二外部电极P2。第一外部电极P1连接至第一位第一LED单元A1的第一电极以及第一位第二LED单元B1的第二电极。第二外部电极P2连接至第三位第一LED单元A3的第二电极以及第三位第二LED单元B3的第一电极。如图2所示，第一外部电极P1可以位于第一位第一LED单元A1上，而第二外部电极P2可以位于第三位第二LED单元B3上。由于延伸的LED单元A1和B3具有设计上的优势，从而相对其他LED单元具有更宽的发光区域，因此可以容易地在延伸的LED单元中保证用于外部电极的区域。

图4A至图4D是示出图2的LED阵列的侧截面图。

可以通过在基板31上顺序生长的第一导电型半导体层34、活性层35和第二导电型半导体层36来得到根据该实施方式的LED阵列的第一至第三LED单元。即，第一导电型半导体层34、活性层35和第二导电型半导体层36生长在用于发光结构的基板31的整个顶面上。然后，通过适当的隔离处理以单元为单位隔离所得结构，从而可以实现图2中所示的多个第一至第三LED单元的配置。

图4A为图2的沿着线X1-X1′的LED阵列的截面图。参照图4A，第一位第一LED单元A1和第二位第一LED单元A2可以通过暴露基板31的区域的全隔离处理I1彼此隔离开，而第二位第一LED单元A2和第三位第一LED单元A3可以通过暴露第一导电型半导体层34的区域的半隔离处理I2隔离开。第二位第一LED单元A2和第三位第一LED单元A3可以共用形成在第一导电型半导体层34的暴露的区域上的第一电极37′。在允许实现期望的LED驱动电路的范围内局部地进行半隔离处理，第一电极37′形成在第一导电型半导体层34的暴露的区域上由相邻的单元共用，从而可以简化处理并提高集成度。

图4B为图2的沿着线X2-X2′的LED阵列的截面图。如图4B所示，第一位第一LED单元A1和第三位第二LED单元B3通过全隔离处理I1与第三LED单元C1和C2隔离开，并且第三LED单元C1和C2通过全隔离处理I1相互隔离开。图4C为图2的沿着线Y1-Y1′的LED阵列的截面图。如图4C所示，第一LED单元A2、第二LED单元B1和第三LED单元C1通过全隔离处理I1相互隔离开。如上所述，各单元的电极之间的布线39可以由架空线或导线构成。

图4D为图2的沿着线Y2-Y2′的LED阵列的截面图。如图4D所示，第一位第一LED单元A1和第一位第二LED单元B1通过全隔离处理I1相互隔离开。可理解的是，第三位第一LED单元A3和第三位第二LED单元B3的隔离和连接可以采用类似的方式。

与该实施方式的情况不同，所有的第一至第三LED单元可以通过暴露基板31的区域(即，通过全隔离处理)与相邻的LED单元隔离开。每个单元可以具有独立的第一和第二电极而不用共用。

参照图1，将描述AC驱动发光装置100的运行。如上所述，可以将由多个串联连接的LED阵列104至107中的至少一个构成的电路的两端连接至切换设备108。在该实施方式中，第四LED阵列107的两端连接至切换设备108。切换设备108控制与其相连的LED阵列107发光与否，即，处于发光状态或不发光状态。为了实现上述功能，切换设备108调节输入至LED阵列107中的电流。图5示出了图1所示的切换设备的实例。如图5所示，执行上述功能的切换设备108可以是电阻器、开关、电流调节二极管等。在采用电阻器或电流调节二极管作为切换设备108的情况下，即使没有单独的控制系统，也可以根据施加至AC驱动电路的电压的大小来调节驱动LED阵列的数目，从而可简化电路结构。

当从AC电源101接收到AC电压时，该实施方式中所采用的切换设备108用来调节AC驱动发光装置100中发光的LED 103的数目。参照图6至图9，当施加相对较低的电压时，电流通过切换设备108，因此，如图6所示，AC驱动发光装置100中发光的LED阵列的数目为三个，即，LED阵列104至106。如图7所示，由于所有LED阵列104至107中的LED阵列104至106发光，因此，AC驱动发光装置100的总驱动电压Vf1具有相对较低的电平，电压V和电流I之间的相位差

也很小。图7示出了图6的AC驱动发光装置中的电压和电流波形图。由于该减小的驱动电压，可以改善功率因数和总谐波失真(THD)，并且由于相对AC电压的一个周期延长了LED的驱动时间，因此，也改善了闪烁特性。

然而，在驱动电压Vf1很低的情况下，当将高电压施加至LED时，对其施加了过高的电压，因此需要具有相对高的电阻的外部电阻器(图1的102)。因此，电阻器内的功耗增加，从而使得能效劣化。为了使该问题降到最低，该实施方式采用了切换设备108以在AC驱动发光装置100运行期间增加LED 103的数目。即，切换设备108在AC电压V的峰值附近断开，从而电流被施加至LED阵列107。具体地，如图8所示，AC驱动发光装置100的四个LED阵列104至107都发光。随着发光的LED的数目增加，如图9所示，总驱动电压Vf2和相位差也增加。图9示出了图8的AC驱动发光装置中的电压和电流波形图。

与图6相比，在驱动电压Vf2增加的情况下，电阻器102中的功耗减少，从而提高了能效。然而，功率因数和THD特性劣化。在该实施方式中，根据驱动电压的大小适当地改变发光的LED 103的数目，从而使得功率因数、THD、闪烁特性以及能效都得到提高。具体地，切换设备108用来使得开始以低驱动电压驱动AC驱动发光装置100，从而提高功率因数，并在AC电压的峰值附近具有高驱动电压。其后，切换设备108使得AC驱动发光装置100具有低的驱动电压。即，控制连接至切换设备108的LED阵列107相对于AC电压的半周期以不发光、发光和不发光的顺序运行。在这种情况下，切换设备108可以根据需要控制两个或多个LED阵列。图10示出了当采用根据该实施方式的切换设备时的电流和电压波形图。在采用这种电路结构的AC驱动发光装置100中，可以得到0.9以上的功率因数，30％以上的THD和75％以上的能效。

同时，图11和图12为示出了图1中所示的示例性实施方式的可选的LED阵列的等效电路图。可以适当改变图1的示例性实施方式的梯状电路中连接在独立节点之间的横梯部分和LED的数量。另外，另一能够进行AC驱动的电路，即，图11的被构造为反向并联电路的LED阵列104’或图12的被构造为桥接电路的LED阵列104”，也可以应用于图1的AC驱动发光装置100。

如上所述，根据本发明示例性实施方式的AC驱动发光装置在允许从低驱动电压Vf运行的同时在高压Vf处具有高驱动电压，从而在功率因数、THD以及能效方面具有优良的特性。

尽管已经结合示例性实施方式示出和描述了本发明，然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内，可以对本发明进行各种修改和变形。

Claims

1.一种交流(AC)驱动发光装置，包括：

多个串联连接的LED阵列，每个所述LED阵列具有这样的结构，其中，多个LED被电连接以形成双端电路并在将AC电压施加至所述双端电路时通过双向电压而发光；以及

切换设备，连接至所述多个LED阵列中的至少一个并关于所述多个LED阵列控制总驱动电压。

2.根据权利要求1所述的AC驱动发光装置，其中，所述切换设备连接至由所述多个LED阵列中的至少一个构成的电路的两端。

3.根据权利要求1所述的AC驱动发光装置，其中，所述切换设备选自由电阻器、电流调节二极管和开关组成的组。

4.根据权利要求1所述的AC驱动发光装置，其中，所述切换设备使得与其连接的至少一个所述多个LED阵列相对于AC电压的半周期以不发光、发光和不发光的顺序运行。

5.根据权利要求4所述的AC驱动发光装置，其中，所述切换设备使得与其相连的至少一个所述多个LED阵列在AC电压的峰值处发光。

6.根据权利要求1所述的AC驱动发光装置，其中，所述AC驱动发光装置的功率因数为0.9以上。

7.根据权利要求1所述的AC驱动发光装置，其中，所述AC驱动发光装置的总谐波失真(THD)为30％以上。