高压LED的优缺点探讨

最近很多网站都大肆报道一种“高压LED”，认为它是一种全新的LED品种，而且具有很多优点，甚至认为它将使“今天的低压LED将淡出未来的LED通用照明市场”而高压LED将“主导未来的LED通用照明”，真的是这样吗?

　　我们知道，LED的中文是“发光二极管”，它从根本上来讲只是一种“二极管”。而且是工作在正向的二极管。过去只有高反压二极管，那是指高的反向击穿电压。如果工作在正向的话，那么一定是电压越高，电流越大。可是这种高压LED的最大特点却是高电压、小电流。那又是怎么一回事呢?

　　一. 什么是高压LED

　　再仔细了解一下，原来它只是很多20mA的小功率LED串联起来，变成了所谓的高压LED。把很多小功率LED串联起来并不是什么新鲜事，其实在很多灯具里早就这样用了。唯一不同的是过去灯具厂商都是把已经封装好了的小功率LED串联起来。例如图1就是上海龙兴公司将80颗表面贴装的0.1W小功率LED全部串联起来以得到高电压小电流的特性，用于LED球泡灯中。

　　图1. 80颗0.1W小功率LED的串联

　　现在则是由LED生产厂家提供一种串联好了的小功率LED，并把它称之为“高压LED”而已。它只是集成LED中的一种。其实过去早就有各种集成的LED，以不同数量的LED串并联起来，得到各种不同功率和电压的LED。可以说最早是美国的普瑞(Bridgelux)公司就已经推出了这种集成LED了。也就是把很多小功率LED在基板上就串并联起来，以得到一颗大功率LED。他们称之为LED阵列，例如他们在2009年推出的一颗30W的LED阵列BXRA-C2000实际上是把25个1W的LED在芯片上5并5串而得来，其尺寸为25.3x22.3mm发光面的直径为17.5mm(图2)，正向电压16.6V，正向电流1.75A，热阻0.5°C/W。

　　图2. 美国普瑞公司的集成LED

　　高压LED和这种集成LED的主要差别在于高压LED是全部串联，而集成LED则是串并联。集成LED的特点是在一个大晶片上采用开槽的方法，将其切割成为很多小的LED，沟槽的深度约在4-8μm，沟槽不能太宽以免减小发光面积。在开出沟槽以后，为了敷设连接各个LED的导线，还要用绝缘层把这些沟槽填平，再按照串联或并联的要求而敷上相应的铝线。

　　二.高压LED的性能指标

　　目前只知道台湾的晶元光电正在生产这种高压LED其指标如下表所示：

　　晶元光电HVLED指标三.高压LED的优缺点

　　那么我们来看一下到底这种高压LED有何优缺点。

　　1、功率耗散和散热器大小：有的报道宣称1W的高压LED的电压为50V，电流为20mA;而普通低压的1W LED电压为3V，电流为350mA，所以“同样输出功率的高压LED在工作时耗散的功率要远低于低压LED，这意味着散热铝外壳的成本可大大降低。”，这个说法显然是不成立的。耗散功率的大小主要由LED的发光效率决定，而不是由其标称功率决定。标称功率不等于输入功率。如果要决定散热器的大小，应当是在同样的发光效率来计算。通常认为对于目前100lm/W的发光效率来说，其真正的电光效率(就是由电能变成光能的效率)只有30%左右，就是只有30%的电能转换为光能，其余的70%的电能都转换为热能而需要经过散热器散去。所以对于具有同样发光效率的1W高压LED和普通低压LED来说，其变成热能的部分都是0.7W，需要通过散热器散去。所以这种高压LED所需要的散热器大小在同样的输入功率和同样的驱动电源效率的情况下是不会有什么差别的。

　　2、AC/DC转换器的效率：在同文中认为“输入和输出压差越低，AC到DC的转换效率就越高”。该文还认为因为220V输入时，高压LED只要4个串联就是200V，和220V只差20V。而用低压LED，即使是10个串联正向压降也只有30V，和220V相差很大。所以“如采用高压LED，变压器的效率就可以得到大大提高，从而可大幅降低AC-DC转换时的功率损失，这一热耗减少又可进一步降低散热外壳的成本。” 实际上做过AC/DC恒流驱动的人都知道，AC/DC转换器的效率几乎是和最后的输出电压没有什么关系。可能变压器次级的电流大了会增加一些铜损，但是这是很小的，还不至于影响到散热器的设计。真正影响AC/DC转换器的效率的因素还有很多，例如非隔离的转换器效率就比隔离型转换器的效率要高很多(因为通常非隔离转换器根本就不用变压器，只要采用了变压器，不管变比是多少，都会大大降低效率);此外，隔离型反激式的输出整流二极管的损耗也会影响效率，为了提高整流二极管的效率最好采用肖特基二极管，而如果输出是200V高电压，那么是很难买到这种高压肖特基二极管，即使买到其价格也是很高的，如果采用同样低效的普通整流二极管，那么其效率也不可能提高。。所以认为输出电压高，可以大大降低转换器的功率损失，甚至也能降低散热器的成本的说法也是不确切的。

　　3、“高压LED减小了LED的面积”，的确如此。例如：对于一个36W的LED，如果采用36个1W的LED那么就会占据很大的面积，而如果做一个集成的36W高压LED，那么就只要很小的面积(图3)。这个看上去是优点，但如果从散热的观点来看就未必是优点。因为假如二者的发光效率相同的话，那么它们将要散发的热量是相同的。而在一个很小的面积里要散发出大量的热量，这在散热器的设计中将是一个大难题。

　　图3.集成LED和普通LED在面积上的差别

　　实际上，集成LED的生产厂商已经注意到这个问题，而且做了很多改进。首先是减小其热阻。一般的1WLED的热阻大约在6-9°C/W，而集成LED的热阻可以减小到2°C/W甚至更小。其次它的背板改用紫铜，以改进其导热。然而这些措施并不能从根本上改善小面积高热量这个基本状况。为了快速地将热量导出，唯一的办法是采用热管。而这反而会增加散热器的成本。同样，由于高压LED的底板采用了紫铜，那么和它直接接触的散热器部分也必须采用紫铜而不能采用铝，因为二者的膨胀系数不同，直接接触会产生缝隙而影响导热。如果采用紫铜散热器就会增加成本。所以这种高压LED不仅不会降低散热器的成本，反而会增加散热器的成本。

　　4、“高压LED可以根本不需要变压器”。在不少的报道中都把高压LED和AC-LED相提并论。所以认为高压LED可以根本不需要恒流电源(图4)。

　　图4.通常把高压LED和AC-LED相提并论