CN102638926A - 一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流led灯 - Google Patents

一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流led灯 Download PDF

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陈铭华
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Abstract

本发明公开了属于LED光源领域的一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，将多个具有全桥结构的交流LED芯片或模块串联，通过串联一个限流电抗或传统的镇流电路，能同时工作于交流电压的正半周和负半周，直接使用高压交流供电。本发明具有全桥结构的交流LED芯片或模块具有双边的伏安特性曲线和反向过压保护，解决了普通LED容易被反向击穿和仅具有单边伏安特性的缺陷，不仅可与传统荧光灯镇流电路兼容，还可采用调频、双极性脉宽调制等控制技术，容易实现可调光和智能化的照明系统。是用于照明的节能产品。

Description

一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯
技术领域
本发明属于LED光源领域，特别涉及一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，具体说是用于照明的高压交流LED灯。
背景技术
直流LED为封装产业的研究主流，研究方向以改善芯片与SLUG之间的热阻为方向，如覆晶与基板封装等，芯片部分则是提升内外部量子效率或光萃取，一般以LED材料的角度作为研究方向，直流LED具有以下缺点：
1.目前的直流LED仅能承受低压直流，高压或交流都可能使得发光二极管损坏，故使用上都必须配合直流转换电路才能用于市电系统。
2.低压直流发光二级管正向导通发光，反向低压有漏电流但不发光，必须将发光二级管元件串并联使用提高反向击穿电压，以防止反向电压过高损坏发光二级管。该结构单个LED损坏将严重影响回路，造成同一串联组的发光二级管不亮。为减少该情况，需要减少串联二极管数目，但是相对的会使得电路变长，损耗变大，往往造成末端电压不足，亮度不均匀。
3.大功率低压直流的LED芯片易因为静电(ESD)使得瞬间逆向电压升高造成损坏，例如                                                
Figure 738705DEST_PATH_IMAGE001
。美国第6547249B2号专利，利用外加一个反向并联的二级管来产生保护电路的作用。
4.将多个直流LED串联可直接接到220V交流，但仅具有单边伏安特性曲线；且由于上述2、3所述缺点，串入交流中，易被反向击穿。
高功率LED分为两种封装方式：方式一为晶粒使用矩阵方式排列于金属板基或陶瓷板基上固晶打线，但这种方式需要贵金属材料作为连接线，及强大的主动散热系统。方式二为采用将一个晶圆分割为多个微晶粒，各晶粒间绝缘，利用导电材料串并联。一个晶圆分割为微晶粒后，正向等效电阻提高约h倍（h为晶圆面积比上微晶粒面积），再通过串联，大大提高了正向区工作电阻(提高h2倍)。利用该特殊结构，直接接于高压交流。但该芯片具有成本过高、晶粒间绝缘困难、过于集中的封装方式导致散热困难等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，其特征在于，所述高压交流LED灯为一个或多个交流LED芯片串联，所述交流LED芯片是按照全桥割集封装结构或全桥封装结构进行封装的LED芯片。该高压交流LED灯可串联镇流电路接入高压交流电源。
所述全桥封装结构为将单个全桥拓扑的发光二极管封装在一块芯片内，该芯片内发光二极管用电路按全桥拓扑连接，其单个全桥拓扑结构就是在全桥的两个桥臂顶点上跨接一个发光二极管。
所述全桥割集是单个桥式或多个桥式级联拓扑的割集，即至少包含1个发光二级管的最小割集；满足串联工作时，在高压交流电压正半周和负半周，割集内都有一半及以上的发光二极管工作的优化割集，所述割集封装结构是将一个割集内的发光二级管封装在1块芯片内，芯片内发光二极管分别用电路按该割集拓扑连接，封装方式包括：晶粒按拓扑排列于金属板基或陶瓷板基上固晶打线；单体封装方式，将晶片分割为多个晶粒或微晶粒，各晶粒按拓扑结构连接，将输入端作为引脚，晶片以电性引脚引出，将多块芯片按照桥式或其级联拓扑结构连接完整做为一个模块，可将该模块灌装为一个模块组。
本发明有益效果是：解决了普通低压直流LED灯由于串联数目不足容易被反向击穿和仅具有单边伏安特性的缺陷，全桥与全桥割集封装结构的LED模块具有双边伏安特性曲线，反向偏压维持为约2倍的正向PN结压，不易被反向击穿；割集封装的多芯片连接以及多芯片多模块串联，解决了传统单芯片高压交流LED过于集中的封装导致散热困难、晶粒间绝缘困难的问题。改变了LED驱动电路设计为恒流恒功率电路的直流驱动模式，不仅可与传统荧光灯镇流电路兼容，还可采用调频、双极性脉宽调制等控制技术，容易实现可调光和智能化的照明系统。
附图说明
图1是全桥封装的拓扑结构的高压交流LED灯原理电路示意图。
图2是两种全桥割集封装的拓扑结构原理电路示意图。
图3是全桥割集封装的拓扑结的高压交流LED灯原理电路示意图。
图4是单串高压交流LED正向工作等效电路。
具体实施方式
  本发明提供一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，是一种用于照明的高压交流LED灯；该交流LED灯采用桥式封装结构或割集封装结构。下面结合附图对该结构的工作过程做详细说明。下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1  全桥封装拓扑结构的 220V市电压LED灯
图1为全桥封装的拓扑结构的高压交流LED灯原理电路示意图。图1中，由m个交流LED芯片串联，采用电阻和电感限流的采用桥式封装结构的交流LED灯，其中，m为交流LED芯片串联的级数，m值应该与输入的交流电压匹配；其工作过程为：当输入端电压为正向时，发光二级管D1、D4和D5导通发光；当输入端电压反向时，发光二级管D2、D3和D5导通发光；可见无论输入电压在正半周还是负半周，D5始终正向导通发光，所以该结构具有双边的伏安特性曲线。瞬时发光面积为导通发光二级管与总发光二级管数目之比3/5。D1、D2、D3、D4与串联的两发光二级管反向并联（例如：D1与串联的D5和D3反向并联。D2与串联的D5和D4反向并联），反向电压约为两倍正向PN结压，则不易被反向击穿，且D5始终置于正向，可见交流LED芯片不易被反向击穿。
实施例2 
图2是两种全桥割集封装的拓扑结构原理电路示意图。
图2(a)中，采用桥式割集封装结构的模块化交流LED芯片，包括优化割集：割集1、割集2和割集3，割集1和割集2各有三个引出端，割集1由发光二级管D1和D2割集封装而成，割集2由发光二级管D3和D4割集封装而成，割集3由发光二级管D5割集封装而成；D1和D3的连接点为输入正端，D2和D4的连接点为输入负端；割集1、割集2和割集3连接为完整的全桥拓扑电路，组成为一个模块化的交流LED芯片，该模块工作过程为：当输入端电压为正向时，交流LED芯片中的D1、D4和D5导通发光；当输入端电压反向时，交流LED芯片中的D2、D3和D5导通发光；可见无论输入电压在正半周还是负半周，D5始终正向导通发光，该模块具有双边的伏安特性曲线。割集1和割集2的瞬时发光面积为1/2，割集3瞬时发光面积为1。D1、D2、D3、D4反向时与串联的两LED并联（例如：D1与串联的D5和D3反向并联。D2与串联的D5和D4反向并联），反向电压约为两倍正向PN结压，则不易被反向击穿；且D5始终正向导通；可见交流LED芯片不易被反向击穿。
图2(b)中，采用桥式割集封装结构的模块化交流LED芯片，包括优化割集：割集1、割集2和割集3，割集1和割集2各有三个引出端，割集1由发光二级管D1和D3割集封装而成，割集2由发光二级管D2和D4割集封装而成，割集3由发光二级管D5割集封装而成；D1和D3的连接点为输入正端，D2和D4的连接点为输入负端；割集1、割集2和割集3连接为完整的全桥拓扑电路，组成为一个模块化的交流LED芯片，该模块工作过程为：当输入端电压为正向时，交流LED芯片中的D1、D4和D5导通发光；当输入端电压反向时，交流LED芯片中的D2、D3和D5导通发光；可见无论输入电压在正半周还是负半周，D5始终正向导通发光，该模块具有双边的伏安特性曲线。割集1和割集2 的瞬时发光面积为1/2，割集3瞬时发光面积为1。D1、D2、D3、D4反向时与串联的两正向LED并联（例如：D1与串联的D5和D3反向并联。D2与串联的D5和D4反向并联），反向电压约为两倍正向PN结压，则不易被反向击穿；且D5始终正向导通；可见交流LED芯片不易被反向击穿。
实施例3  全桥割集封装的拓扑结构的市电LED灯，
图3是全桥割集封装的拓扑结的高压交流LED灯原理电路示意图。图中，由1-N级Vi串联组成全桥割集封装的拓扑结构的市电LED灯，其中Vi代表图2(a)或图2(b)所示的全桥割集封装的LED芯片连接成完整的全桥电路的交流LED模块，其中，N为交流LED模块串联的级数，应该与输入的交流电压匹配；工作电流
Figure 718162DEST_PATH_IMAGE003
、等效串联电阻
Figure 497899DEST_PATH_IMAGE002
、并联电阻；该模块包含5个发光二极管，其参数为：
Figure 893109DEST_PATH_IMAGE005
、、
Figure 532249DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 2012101236421100002DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 417028DEST_PATH_IMAGE009
。采用14个模块与2.3K电阻串联为一组，四组并联，直接接到220V工频电压上。该灯管额定功率17W，加滤光罩后约45流明每瓦。
实施例4
图4为电感限流的高压交流LED灯。
图4中，设普通日光灯管的电子整流器的逆变器输出等效为额定频率为
Figure 2012101236421100002DEST_PATH_IMAGE010
有效值为
Figure 684062DEST_PATH_IMAGE011
的交流电压，桥臂阻抗为
Figure 2012101236421100002DEST_PATH_IMAGE012
，并联电容阻抗为
Figure 696011DEST_PATH_IMAGE013
。模块和芯片脉冲电流最大值为
Figure 2012101236421100002DEST_PATH_IMAGE014
。由于在工频电压下电感感抗较小，利用普通日光灯管电子整流器工作频率
Figure 364890DEST_PATH_IMAGE015
为20KHz-50KHz的特点，将LED灯和电感串接入电子整流器，以提高电感感抗，减小电感体积。
采用实施例3所述交流LED模块；用5个模块串联0.5K电阻为一组，6组并联后串接2.1mH电感，直接接入电子起辉器日光灯座，替换21W高频荧光灯；该灯管额定功率8W，加滤光罩后约60流明每瓦；以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1. 一种基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，其特征在于，所述高压交流LED灯为一个或多个交流LED芯片串联，所述交流LED芯片是按照全桥割集封装结构或全桥封装结构进行封装的LED芯片；所述高压交流LED灯串联镇流电路后接入高压交流电源；
所述全桥割集是将单个桥式拓扑或多个桥式级联拓扑分割为多个割集，即包含1个及1个以上发光二级管的最小割集；多个割集串联工作时，在高压交流电压正半周和负半周，割集内都有一半及以上的发光二极管工作的优化割集。
2.根据权利要求1所述基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，其特征在于，所述全桥封装结构为将单个全桥拓扑的发光二极管封装在一块芯片内，该芯片内发光二极管用电路按全桥拓扑连接，其单个全桥拓扑结构就是在全桥的两个桥臂顶点上跨接一个发光二极管。
3.根据权利要求1所述基于全桥拓扑封装结构的高压交流LED灯，其特征在于，所述割集封装结构是将一个割集内的发光二级管封装在1块芯片内，芯片内发光二极管分别用电路按该割集拓扑连接，封装方式包括：晶粒排列于金属板基或陶瓷板基上固晶以后，一个或多个晶粒串联作为一个发光二极管，各发光二极管按该割集拓扑结构打线连接；单体封装方式，将晶片分割为多个晶粒或微晶粒，一个或多个晶粒串联作为一个发光二极管，各发光二极管按该割集拓扑结构连接，将输入端作为引脚，晶片以电性引脚引出，将多块芯片按照桥式或其级联拓扑结构连接完整做为一个模块，将该模块灌装为一个模组。
 
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