CN103841718A

CN103841718A - 螺旋拓扑及其矩阵整流结构

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Publication number: CN103841718A
Application number: CN201210522576.5A
Authority: CN
Inventors: 刘晓博
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了属于电力电子领域和LED光源领域的一种螺旋拓扑及其矩阵整流结构，其特征在于多个二极管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内的电压节点作为多边形的顶点，二极管作为多边形的边，两个或多个螺旋共用一边，输入或输出节点所在边的二极管可省略。与基于全桥整流结构的交流LED芯片相比，基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的交流LED发光面积可增加约25％，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。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***。是一种新型的整流结构和用于照明的节能产品。

Description

螺旋拓扑及其矩阵整流结构

技术领域

本发明属于电力电子和LED光源领域，特别涉及一种用于整流的螺旋拓扑及其矩阵整流结构，具体说是用于整流的拓扑结构和基于该结构的LED芯片和电路。

背景技术

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.低压直流发光二极管正向导通发光，反向低压有漏电流但不发光，必须将发光二极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极管。

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，需要利用外加一个反向并联的二极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或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***，或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。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋拓扑及其矩阵整流结构，其特征在于多个二极管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内的电压节点作为多边形的顶点，二极管作为多边形的边，两个或多个螺旋共用一边，输入或输出节点所在边的二极管可省略。该结构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及其矩阵整流结构的高压交流LED芯片，其特征在于，所述高压交流LED芯片内或基板上采用一个或多个晶粒或微晶粒串、并或串并联为一个发光二极管，多个发光二极管首尾串联成环为一个螺旋，一个螺旋内的电压节点作为多边形的顶点，发光二极管作为多边形的边，两个或多个螺旋共用一边，输入或输出节点所在边的发光二极管可省略；用于整流的发光二极管采用的晶粒或微晶粒的面积、晶粒或微晶粒并联的数目与工作电流匹配，用于续流的发光二极管正向电压与整流发光二极管的最大反向耐压匹配；位于拓扑边缘的整流的发光二极管工作电流是其他整流的发光二极管工作电流的一半，拓扑边缘的整流的发光二极管电流采用的晶粒或微晶粒的面积、晶粒或微晶粒并联的数目与工作电流匹配。

本发明的目的是提供一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构割裂拓扑的高压交流LED芯片，其特征在于，所述高压交流LED芯片将整个基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高压交流LED芯片分为多块，将多块按照螺旋拓扑及其矩阵整流结构连接为一个整体。芯片内或基板上用于整流的发光二极管采用一个或多个晶粒(或微晶粒)串、并或串并联，晶粒(或微晶粒)的面积、并联的数目与工作电流匹配；芯片内或基板上用于续流的发光二极管采用一个或多个晶粒(或微晶粒)串、并或串并联，其正向电压与整流发光二极管的最大反向耐压匹配；芯片边缘的发光二极管或与另一块芯片边缘的发光二极管共用，或串并联时采用面积较小或较少并联数的晶粒或微晶粒。

本发明的目的是提供一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高压交流LED电路，其特征在于，所述高压交流LED电路采用螺旋拓扑及其矩阵整流结构，用于整流的二极管采用一个或多个发光二极管串、并或串并联，其并联的数目与工作电流匹配；用于续流的二极管采用一个或多个发光二极管串、并或串并联，其正向导通压降与整流的二极管的最大反向耐压匹配；高压交流LED电路边缘的二极管，采用工作电流较小或较少数目并联的发光二极管。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约25％，有效降低了成本。

本发明的目的是提供一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高频LED电路，其特征在于，所述高压交流LED电路采用螺旋拓扑及其矩阵整流结构，用于整流的桥臂采用反向恢复时间短、PN结电容小的整流二极管，用于续流的二极管采用一个或多个发光二极管串、并或串并联后，或直接跨接于整流的桥臂两端，或反向并联稳压二极管后跨接于无源滤波电路输出端，该无源滤波电路的输入端跨接于整流的桥臂两端。与采用全发光二极管的交流LED相比，采用整流二极管的成本低于使用高频整流发光二极管的成本，与采用整流二极管的全桥整流电路相比，整流桥臂约少用37.5％，有效降低了成本。

附图说明

图1是含N×1个旋的发光螺旋拓扑及其矩阵整流结构图。

图2是含N×M个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构图。

图3是含4×2个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构图。

图4是4×4个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构割裂拓扑图。

图5是基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高频LED电路原理图。

具体实施方式

本发明提供一种螺旋拓扑及其矩阵整流结构和一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的LED芯片和电路。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含N×1个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构

图1为含N×1个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构图，N×1为采用N列螺旋，每列1个螺旋组成的螺旋拓扑及其矩阵整流结构。

实施例2含N×M个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构

图2是含N×M个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构图。N为所采用的螺旋的列数，M为每列采用螺旋的个数，N×M个螺旋按照将一个螺旋内的电压节点作为多边形的顶点，二极管做为多边形的边，两个或多个螺旋共用一边，输入或输出节点所在边的二极管可省略的规则组成螺旋拓扑及其矩阵整流结构。

实施例3含4×2个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构

图3是含4×2个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构图。在Diode1、Diode2和Diode3组成的螺旋中，Diode3是整流二极管，流过电流是续流二极管Diode2的两倍，Diode1是整流二极管但位于拓扑上边缘，流过电流与续流二极管Diode2相同，是Diode1的一半，同理该拓扑中流过电流是其他二极管两倍的是Diode3、Diode4、Diode7、Diode10。该拓扑工作过程为：当输入端“In”电压为正向时，二极管Diode1、Diode15、Diode2、Diode5、Diode12、Diode11、Diode8、Diode17、Diode9、Diode13流过的电流是Diode4和Diode10的一半，其余二极管不导通；当输入端“Out”电压为正向时，Diode6、Diode18、Diode9、Diode13、Diode12、Diode11、Diode14、Diode16、Diode5、Diode2流过的电流是Diode7和Diode3的一半，其余二极管不导通。

实施例4基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高压交流LED芯片

将实施例3的含4×2个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构作为LED芯片的封装结构，发光二极管Diode1、Diode14、Diode8、Diode6、Diode15、Diode16、Diode17、Diode18晶粒面积是其他晶粒的一半，其它发光二极管具有相同的晶粒面积，则整流发光二极管Diode3、Diode4、Diode7、Diode10工作电流是续流发光二极管工作电流的两倍，但工作压是续流发光二极管工作电压的一半，固Diode3、Diode4、Diode7、Diode10可看作两并联的二极管，续流发光二极管可看做两串联的二极管；位于拓扑边缘的整流发光二极管Diode1、Diode14、Diode8、Diode6、Diode15、Diode16、Diode17、Diode18工作电流与续流发光二极管工作电流相同，但工作压是续流发光二极管工作电压的一半，可看作单个二极管。瞬时发光面积为导通发光二极管面积与总发光二极管面积之比5∶7，任意一个螺旋中任意的发光二极管都与其他2个或3个串联的发光二极管反向并联(例如：Diode1与串联的Diode2和Diode3反向并联，Diode2与串联的Diode14、Diode12和Diode4反向并联)，整流发光二极管的反向电压约为正向PN结压的3倍至5倍，则反向击穿电压不会超过约15V，续流发光二极管的反向电压约为正向PN结压的2倍至4倍，则反向击穿电压不会超过约12V，可见交流LED芯片不易被反向击穿。

实施例5基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构割裂拓扑的高压交流LED芯片

图4是4×4个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构割裂拓扑图，其中A、B、C、D、E是割裂拓扑1上边缘的电压节点，A’、B’、C’、D’、E’是割裂拓扑2下边缘的电压节点，割裂拓扑2下边缘与割裂拓扑1上边缘共用一组发光二极管。

将4×4个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构分割为割裂拓扑1和割裂拓扑2两块，分别封装在两块芯片中，两芯片间按照4×4个旋的螺旋拓扑及其矩阵整流结构连接，且割裂拓扑2下边缘与割裂拓扑1上边缘共用发光二极管Diode1、Diode14、Diode8、Diode6，即两芯片按照A与A’、B与B’、C与C’、D与D’、E与E’连接。由Diode1、Diode2、Diode3组成的螺旋中，Diode1、Diode3的工作电流是Diode2的两倍、同理该结构中用于整流的发光二极管是用于续流的发光二极管电流的两倍。所有发光二极管采用相同晶粒面积，则瞬时发光面积为导通发光二极管面积与总发光二极管面积之比5∶7。整流发光二极管反向最大电压约9～15V，续流发光二极管反向最大电压约6～12V。

实施例6基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高频LED电路

图5是基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高频LED电路原理图，其中Diode1、Diode2、Diode3、Diode4、Diode5、Diode6、Diode7、Diode8是反向恢复时间短、PN结电容小的整流二极管，滤波采用电容C1、C2、C3作为简单的滤波电路，稳压二极管D1、D2、D3作为直流LED的保护电路。

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

1.一种螺旋拓扑及其矩阵整流结构，其特征在于多个二极管首尾连接成螺旋状，将一个螺旋内的节点作为多边形的顶点，二极管作为多边形的边，两个或多个螺旋共用一边，输入或输出节点所在边的二极管可省略。

2.一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高压交流LED芯片，其特征在于，所述高压交流LED芯片内或基板上采用一个或多个晶粒或微晶粒串、并或串并联为一个发光二极管，多个发光二极管首尾串联成环为一个螺旋，一个螺旋内的电压节点作为多边形的顶点，发光二极管作为多边形的边，两个或多个螺旋共用一边，输入或输出节点所在边的发光二极管可省略；用于整流的发光二极管采用的晶粒或微晶粒的面积、晶粒或微晶粒并联的数目与工作电流匹配，用于续流的发光二极管正向电压与整流发光二极管的最大反向耐压匹配。

3.一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构割裂拓扑的高压交流LED芯片，其特征在于，所述高压交流LED芯片将权利要求2所述基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高压交流LED芯片分为多块，每块分别对应不同的芯片或基板，芯片内或基板上用于整流的发光二极管采用一个或多个晶粒(或微晶粒)串、并或串并联，晶粒(或微晶粒)的面积、并联的数目与工作电流匹配；芯片内或基板上用于续流的发光二极管采用一个或多个晶粒(或微晶粒)串、并或串并联，其正向电压与整流发光二极管的最大反向耐压匹配；芯片边缘的发光二极管或与另一块芯片边缘的发光二极管共用，或串并联时采用面积较小或较少并联数的晶粒或微晶粒。

4.一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高压交流LED电路，其特征在于，所述高压交流LED电路采用权利要求1所述螺旋拓扑及其矩阵整流结构，用于整流的二极管采用一个或多个发光二极管串、并或串并联，其并联的数目与工作电流匹配；用于续流的二极管采用一个或多个发光二极管串、并或串并联，其正向导通压降与整流的二极管的最大反向耐压匹配；高压交流LED电路边缘的二极管，采用工作电流较小或较少数目并联的发光二极管。

5.一种基于螺旋拓扑及其矩阵整流结构的高频LED电路，其特征在于，所述高压交流LED电路采用螺旋拓扑及其矩阵整流结构，用于整流的桥臂采用反向恢复时间短、PN结电容小的整流二极管，用于续流的桥臂采用一个或多个发光二极管串、并或串并联后，或直接跨接于整流的桥臂两端，或反向并联稳压二极管后跨接于无源滤波电路输出端，该无源滤波电路的输入端跨接于整流的桥臂两端。