CN103687141A

CN103687141A - 一种用于交流led灯的螺旋拓扑结构

Info

Publication number: CN103687141A
Application number: CN201210334411.5A
Authority: CN
Inventors: 刘晓博
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了属于LED光源领域的一种用于交流LED灯的发光二极管螺旋拓扑结构，该结构由4个发光二级管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内4个发光二级管分别做为四边形的四边，N(N＞0)个螺旋两两共用一边，每螺旋至多提供两个对边作为共用边，包含输入或输出节点的螺旋至多有一个共用边，输入或输出节点位于共用的边的对边，该对边的发光二级管可省略。与全桥拓扑结构的交流LED芯片相比，发光面积可增加11％，且任意节点间都具有双边的伏安特性曲线和反向过压保护，解决了普通LED容易被反向击穿的缺陷。是用于照明的节能产品。

Description

一种用于交流LED灯的螺旋拓扑结构

技术领域

本发明属于LED光源领域，特别涉及一种用于交流LED灯的螺旋拓扑结构，具体说是用于照明的发光二极管拓扑结构和基于该结构的高压交流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***。

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AlInGaN。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***。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R_s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用于交流LED灯的螺旋拓扑结构，其特征在于：4个发光二级管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内4个发光二级管分别做为四边形的四边，N(N＞0)个螺旋两两共用一边，每螺旋至多提供两个对边作为共用边，包含输入或输出节点的螺旋至多有一个共用边，输入或输出节点位于共用边的对边，该对边的发光二级管可省略。与采用传统全桥拓扑结构的交流LED芯片相比，相同LED芯片面积下发光面积可增加11％，且任意节点间都具有双边的伏安特性曲线和反向过压保护，解决了普通LED容易被反向击穿的缺陷。

本发明的目的是提供一种基于螺旋拓扑结构的高压交流LED灯，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芯片是按照螺旋割裂集合封装结构或螺旋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。

所述螺旋封装结构为将单个螺旋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螺旋拓扑连接，其螺旋拓扑结构就是4个发光二级管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内4个发光二级管分别做为四边形的四边，N(N＞0)个螺旋两两共用一边，每螺旋至多提供两个对边作为共用边，包含输入或输出节点的螺旋至多有一个共用边，输入或输出节点位于共用的边的对边，该对边的发光二级管可省略；

所述螺旋割裂集合是单个螺旋拓扑结构或多个螺旋拓扑结构级联拓扑的割裂集合，即仅包含1个发光二级管的最小割裂集合；满足串联工作时，在高压交流电压正半周和负半周，割裂集合内都有一半及以上的发光二极管工作的优化割裂集合；

所述割裂集合封装结构是将一个割裂集合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裂集合拓扑连接，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，将多块芯片按照螺旋拓扑级联螺旋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，螺旋与螺旋割裂集合封装结构的LED模块具有双边伏安特性曲线，反向偏压维持为约2～3倍的正向PN结压，不易被反向击穿；割裂集合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***。

附图说明

图1是本发明提供的螺旋拓扑结构图。

图2是本发明提供的含四个旋的螺旋拓扑图。

图3是本发明提供的采用螺旋割裂集合封装结构的模块化交流LED芯片原理图。

图4是本发明提供的多个螺旋拓扑结构的模块化的交流LED芯片级联高压交流LED灯原理电路示意图。

图5是本发明提供的直接替换高频荧光灯的交流LED灯及电子镇流器原理图

图6是本发明提供的用于荧光灯电子镇流器的带变压器的LED灯管电路拓扑图。

具体实施方式

本发明提供一种用于交流LED灯的螺旋拓扑结构和一种基于螺旋拓扑结构的高压交流LED灯；该交流LED灯采用螺旋状封装结构或割裂集合封装结构。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

图1是螺旋拓扑结构图，N为所采用的旋的个数。图1中，3N-1个发光二级管组成含N个旋的螺旋结构交流LED灯，其中，所使用螺旋数N应该与输入的交流电压匹配；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2N-1∶3N-1。

实施例2

图2是含4个旋的螺旋拓扑结构图。其工作过程为：当输入端“+”电压为正向时，发光二级管D1、D2、D4、D5、D7、D8和D10导通发光；当输入端电压反向时，发光二级管D2、D3、D5、D6、D9、D8和D11导通发光；可见无论输入电压在正半周还是负半周，D2、D5、D8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7∶11。任意一个螺旋中任意的发光二极管都与其他2个或3个串联的发光二级管反向并联(例如：D1与串联的D2和D3反向并联。D2与串联的D3和D1反向并联。D6与串联的D2、D4和D5反向并联)，反向电压约为正向PN结压的两倍或三倍，则不易被反向击穿，可见交流LED芯片不易被反向击穿。

实施例3

图3是采用螺旋割裂集合封装结构的模块化交流LED芯片原理图，包括优化割裂集合：割裂集合1、割裂集合2和割裂集合3。割裂集合1、割裂集合4各有三个引出端，割裂集合2和割裂集合3各有四个引出端。割裂集合1由发光二级管D1、D2和D3封装而成，割裂集合2由发光二级管D4、D5和D6封装而成，割裂集合3由发光二级管D7、D8和D9封装而成，割裂集合4由发光二级管D10和D11封装而成；D1和D3的连接点为输入正端，D10和D11的连接点为输入负端；割裂集合1、割裂集合2、割裂集合3和割裂集合4连接为完整的螺旋拓扑电路，组成为一个模块化的交流LED芯片。

实施例4螺旋割裂集合封装的拓扑结构的市电LED灯，

图4是多个螺旋拓扑结构的模块化的交流LED芯片级联高压交流LED灯原理电路示意图。图中，由M级Vi串联组成螺旋割裂集合封装的拓扑结构的市电LED灯，其中Vi代表图3所示的模块化的交流LED芯片，其中，M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I_f、等效串联电阻R_s、并联电阻R_p；该模块11个发光二极管，其参数为：I_amr＝60mA、V_th＝19.0V、R_s＝100Ω、I_fp＝100mA、P＝1.4W。采用6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16W，加滤光罩后约45流明每瓦。

实施例5

图5是直接替换高频荧光灯的交流LED灯及电子镇流器原理图。图中，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fHz有效值为e_s的交流电压，桥臂阻抗为Z_L，并联电容阻抗为Z_c。模块和芯片脉冲电流最大值为I_plu。普通日光灯管电子整流器工作频率f为20KHz-50KHz的特点，利用电子整流器原有感抗Z_L作为镇流电抗，将LED灯串联较小电阻后接入电子整流器，提高光电转换效率。

将11个0.2W的LED灯珠按实施例2所述含4个旋的螺旋拓扑结构图连接作为一组，为降低成本，其中D2、D5和D8采用反向恢复时间较长的普通低频LED灯珠，其余LED采用高频LED灯珠；用两组串联为一串，四串并联为一个高频交流LED。

图6是用于荧光灯电子镇流器的带变压器的LED灯管电路拓扑图。图中，虚线内是完整的直接替换高频荧光灯的交流LED灯管，该灯管一端的两阴极间装有变比n＝3的变压器，另一端两阴极间跨接两个阻值为150Ω的串联电阻R。所述高频交流LED一端跨接在变压器的低压侧，另一端跨接在两个电阻R的中间节点。该灯管额定功率11.5W，加滤光罩后约85流明每瓦；荧光灯电子镇流器具有起辉电路，若LED灯故障呈现高阻抗，采用阴极短接的方法起辉电路会再次工作，在LED灯故障点处形成高压击穿，可造成整个LED电路流过击穿电流而损毁，故障扩大。采用起辉电路串联电阻R的方法，不仅起到限流作用而且消除了起辉电路对LED灯的影响，且无需分辨阴极，直接替换荧光灯。

将变压器变比n提高或采用高内阻的LED芯片，可利用LED芯片的分布式电阻进行限流，无需任何外部限流阻抗。但是由于LED分布式电阻对工作温度较敏感，电流会随温度变化，此处不再实施。

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

1.一种用于交流LED灯的螺旋拓扑结构，其特征在于4个发光二级管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内4个发光二级管分别做为四边形的四边，N(N＞0)个螺旋两两共用一边，每螺旋至多提供两个对边作为共用边，包含输入或输出节点的螺旋至多有一个共用边，输入或输出节点位于共用的边的对边，该对边的发光二级管可省略。

2.一种基于螺旋拓扑结构的高压交流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芯片是按照螺旋割裂集合或螺旋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；

所述螺旋割裂集合是将螺旋或其级联拓扑分割为多个割裂集合，包含：一个发光二级管的最小割裂集合；串联工作时，在高压交流电压正半周和负半周，割裂集合内都有一半及以上的发光二极管工作的优化割裂集合。

3.根据权利要求2所述基于螺旋封装结构的高压交流LED灯，其特征在于，所述螺旋封装结构为将整个螺旋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螺旋拓扑连接，其螺旋拓扑结构就是4个发光二级管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内4个发光二级管分别做为四边形的四边，N(N＞0)个螺旋两两共用一边，每螺旋至多提供两个对边作为共用边，包含输入或输出节点的螺旋至多有一个共用边，输入或输出节点位于共用的边的对边，该对边的发光二级管可省略。

4.根据权利要求2所述基于螺旋拓扑结构的高压交流LED灯，其特征在于，所述割裂集合封装结构是将一个割裂集合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裂集合拓扑连接，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裂集合拓扑结构打线连接；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裂集合拓扑结构连接，将输入端作为引脚，晶片以电性引脚引出，将多块芯片按照螺旋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。

5.一种改进型基于螺旋拓扑结构的高频交流LED灯，其特征是螺旋拓扑结构的续流发光二级管采用低频LED芯片，螺旋拓扑结构的整流桥臂采用高频LED芯片；

所述续流发光二级管是工作时不反向偏置只流过直流脉波的发光二级管；所述整流桥臂是工作时会反向偏置，用于整流的发光二级管。

6.一种用于荧光灯电子镇流器的LED灯管，其特征是所述LED灯具有如下特征：

特征1：采用高频交流LED灯作为发光元件。

特征2：灯管一端的两阴极间跨接变压器原边，另一端两阴极间跨接两个串联电阻，高频交流LED一端跨接在变压器的副边，另一端跨接在两个电阻的中间节点上。

7.一种基于螺旋拓扑结构的直接替换高频荧光的LED灯，其特征是采用权利要求2所述基于螺旋拓扑结构的高压交流LED灯或采用权利要求5所述改进型基于螺旋拓扑结构的高频交流LED灯后，或直接接入电子荧光灯镇流器，或通过变压器直接接入电子荧光灯镇流器，或串联阻抗或小电阻直接接入电子荧光灯镇流器，或采用权利要求6所述荧光灯电子镇流器的LED灯管结构直接接入电子荧光灯镇流器，或串联阻抗采用权利要求6所述荧光灯电子镇流器的LED灯管结构直接接入电子荧光灯镇流器。