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干货!LED领域最新技术进展盘点

2019-10-03 

  氮化镓(GaN)化合物半导体曾经被推广到LED芯片当作衬底,尽管LED已属成熟市场,但这些技术在功率电子和LED照明仍具备很大增长空间。

  当前LED灯的驱动电路是由用各种分立元件组装而成,如功率晶体管、电容器和逻辑控制IC等,在印刷电路板(PCB)上组装连接在一起,由于通常的PCB板体积较大,它会像LED灯一样需要占据相当的空间;但未来,固态照明完美的解决方案是在单个芯片上将LED器件、功率晶体管和控制器IC进行单片集成。由于固态照明灯中的LED器件是基于GaN材料,所以其他全部器件也都必须采用宽禁带的半导体材料来进行制造。

  采用这种方法将可以消除驱动电路板和LED芯片之间互连的寄生的电感、电容和电阻,从而使整个照明系统可以在更高的开关速度下运行,这样可以提高整个照明系统的效率,并且可以缩小无源元件的尺寸,而小尺寸的电感器和电容器就能够工作在更高的频率下,形成一个尺寸更为精巧、性能更好的驱动器电路。

  采用GaN这种材料体系来制作LED驱动IC的技术也已经成熟。LED驱动IC可以用GaN材料进行制造,并表现出了优异的性能:与传统的Si晶体管相比,它们具有更高的击穿电压,更低的导通电阻和更高的工作频率。

  Power Integrations资深技术经理阎金光解释道,为什么GaN技术可以在把尺寸做小同时,又能兼顾效率?相比于传统硅更有优势的是,GaN材料得以增大了输出功率范围和击穿电压范围。

  他举例,例如使用GaN技术安全隔离型LED驱动器,使用PowiGaN技术的大功率密度器件,可通过反激拓扑实现110 W输出功率和94%转换效率的设计,这也就是,为何PI近期宣布推出LYTSwitch-6系列安全隔离型LED驱动器IC最新成员LYT6079C、LYT6070C,他们和最新功率器件一样采用GaN技术同样能够增加效率和功率。此外,和传统LED驱动器方案相比,采用GaN技术后大幅简化了电路。

  新的LYTSwitch-6 IC无需使用散热片,减小了镇流器的尺寸和重量,并降低对驱动器周边风冷环境的要求,和采用PowiGaN初级开关的InnoSwitch3器件一样,可通过低RDS(ON)降低开关损耗。“相较于常规方案,这一改进结合LYTSwitch-6现有的诸多特性,可使功率转换效率提高3%,进而减少三分之一以上的热能浪费,还可提供无损耗电流检测来提高效率。”阎金光介绍到,“保留快速动态响应可为并联LED灯串提供交叉调整率,并且无需额外的二次稳压电路,同时还支持无闪烁系统工作。更加易于实现使用脉宽调制(PWM)接口的调光应用。”

  现代设备对视觉效果的要求越来越高,近眼显示设备的亮度要求在增加,电池供电的消费电子设备对高分辨率和高亮度的需求也在增加,正在进一步推动GaN Micro LED增长。

  研究表明,2018年,中等功率的GaN Micro LED在所有GaN Micro LED中占据了75%的市场份额,并将成为未来几年照明应用的主流。另一方面,为了在整个照明器件保持全亮度而且并不明显损失显示亮度,低功率的GaN Micro LED需求可能会进一步释放。

  若从地区分布来看,2018年,北美贡献了GaN Micro LED 26%的市场份额,并将继续处于该市场的最前沿,欧洲地区紧随美国之后,亚太市场也处于萌芽阶段。

  宾夕法尼亚州立大学的工程师已经研发了一种实用的方法,可以使用行业标准的制造工艺将氮化镓LED及其电源电路集成到同一芯片上。其结果是一个照明芯片直接从壁挂式插座提供的交流电源供电,不需要在单独的硅芯片和其他组件上进行将电转换为低压直流电的中间步骤。

  宾夕法尼亚州立大学的工程师们将详细的工作流程发表在了IEEE Transaction上。

  据宾夕法尼亚州立大学工程系教授Jian Xu介绍,将LED驱动系统集成到氮化镓芯片上可以降低LED照明的制造成本和维持照明的成本。他说,高达60%的LED灯泡成本来自驾驶电子设备。而且,由于这些硅驱动电子器件通常不如氮化镓那么坚固,它们往往在发光二极管本身失效之前就失效了。

  LED灯中现有的驱动电路有三个主要功能:将交流电转换为直流电(整流),消除由此产生的直流电中的波纹,并将电压降低到更适合LED的水平。

  Xu的团队构建的片上驱动系统只执行第一功能(整流),而不需要第三功能(降低电压)。

  驱动器由四个肖特基势垒二极管(SBD)组成,它们被布置成一个桥式整流电路。SBD是由金属和半导体之间的结形成的二极管。它们在电力电子设备中很常见,因为它们的正向电压降很低。氮化镓是制造它们的一种特别好的材料,因为它具有很高的击穿电压,阻止电流反向流动。东方不败论坛

  为了给LED提供合适的电压,这些设备被构建成一个阵列,并以每台整流器22到40像素的像素串级。这样,总的电压降是110-120伏从墙上插座,但每个LED像素只能看到几伏。

  一个使用集成芯片原型的白色LED灯产生了相当可观的89流明每瓦。然而,由于SBD电桥输出的是一个经过整流的交流输入,而不是一个大致恒定的电压,因此LED具有120赫兹的闪烁,这将使其更适合室外照明应用,如停车场和道路的灯具,在这些应用中,低维护成本是至关重要的。但是光的质量不那么重要。

  集成一个LED灯的驱动电路似乎是一个显而易见的想法,但直到最近它还是遥不可及。“氮化镓是一种全新的材料体系,”Xu说。“这项技术最近才变得成熟,这就是为什么单芯片集成是一个非常新的想法。”之前的尝试要求使用专门的LED结构或制造工艺,这些结构过于复杂,无法扩大规模或对LED效率造成太大损害。

  解决最后一个问题是Xu的实验室取得成就的关键。在硅片制造中,可以用“湿”化学方法(如氢氟酸处理)将材料蚀刻成器件。但是氮化镓太难工作,徐解释说。因此,取而代之的是“干蚀刻”感应耦合等离子体蚀刻。不幸的是,这一过程可能会在表面留下效率下降的缺陷。

  尽管湿蚀刻不足以去除大部分半导体表面,但在一定时间内,它可以帮助去除干蚀刻留下的缺陷层。他的团队最终发现了一系列干法蚀刻和湿法蚀刻,它们产生了低缺陷、高质量的设备。Xu说,更好的是,这种“循环蚀刻”方法可以用来提高显示器用微型LED的效率。(来源:IEEE电气电子工程师学会)

  人眼对绿色特别敏感,对蓝色和红色不敏感。因斯布鲁克大学Hubert Huppertz领导的化学家开发出一种新的红色荧光粉,其光线能被人们所感知。这使高显色白色LED的光效增加了大约六分之一,显着提高照明系统的能量效率。

  这种红色荧光粉化学式为Sr [Li2Al2O2N2]:Eu2 +,由研究人员命名为SALON,满足荧光粉光学性能的所有要求。这种荧光粉可追溯到拜罗伊特大学的休伯特胡珀茨(Hubert Huppertz)所进行的研究,作为博士论文的一部分,他开发了掺杂萤光的氮化物。然后由慕尼黑的工作组进一步优化,现在已被广泛使用。SALON荧光粉虽然在可见光范围内发出红光,但很大一部分能量会进入红外范围,人眼无法察觉。

  “最初的实验,我们只能在非常不均匀的样品中得到少量非常小的可用颗粒,因此难以优化合成,”博士生Gregor Hoerder说。目前研究人员已经能够分离出单晶,从而确定新材料的结构时,取得了重大突破。休伯特胡珀茨说:“这种物质的合成方式使得它的发射峰向左移动,减少了红外的发射,能量损失更少。”

  欧司朗光电半导体是一家强大的工业合作伙伴,位于哈勒的弗劳恩霍夫材料与系统微结构研究所和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的Dirk Johrendt研究小组也参与了新材料的进一步表征。该开发已经注册了专利。(信息来源:nature官网;编辑:LED新看点)

  夏季是啤酒高消耗的时节,为了确保高质量啤酒的清洁水,酿造公司在其酿造设备的上游安装紫外线(UV)系统,目的是保持饮用水不含细菌。使用紫外线是因为它非常有效地杀死细菌,病毒和细菌--遗传物质(DNA)被紫外线纳米的紫外光特别适合这项任务。到目前为止,这种紫外线灯是使用汞蒸汽灯,汞灯发出254纳米的光。然而汞是一种破坏环境的重金属。弗劳恩霍夫光电子研究所先进系统技术(AST)分部的研究人员,希望用紫外发光二极管(UV LED)取代传统的含汞灯。

  “传统的汞蒸汽灯发出254纳米的光。由于这低于265纳米的最佳波长,消毒性能并不理想,“Fraunhofer IOSB-AST的科学家Thomas Westerhoff说。这种传统消毒灯还存在其他缺点:它们的预热阶段长,使用寿命短以及庞大的设计结构。“出于这些原因,我们更喜欢UV-LED,它们的最大波长为265纳米。特别感兴趣的是UV-C LED,因为它们的辐射更有效地破坏了病原体的DNA。紫外线在DNA的核酸中产生共振并破坏分子的键合。

  UV-LED不需要任何预热阶段直接可以达到全功率。此外,它们具有高机械稳定性,无毒,可在低电压下运行。另一个优点是LED是聚光灯,凭借其特殊的辐射模式,设计师可以有多种创新。

  经过多次实际测试,研究人员现在能够直接在水中操作UV-LED,而无需用管子来密封保护。这种创新设计消除了反射,进一步提高了辐射源的性能。工业合作伙伴PURION GmbH,Fraunhofer IOSB-AST的专家开发了一种特殊模块,可以在瓶子装满啤酒之前在生产过程中对啤酒瓶盖内部进行消毒。这确保了在生产过程中没有细菌进入瓶子。“我们能够以4瓦的紫外线功率照射帽子的内表面。在如此小的表面上用汞蒸汽灯这样做几乎是不可能的,“工程师说。

  这项新技术用途广泛,由于其体积小,辐射强度高,UV-C LED也可用于医疗设备,以便有针对性地对液体,难以触及的区域进行消毒。例如,尽管有复杂的照射几何形状,但使用特殊配置的LED装置可以有效地消毒内窥镜和超声波探头。

  该技术项目得到了德国联邦教育与研究部(BMBF)的支持,作为其2020年“生命先进紫外线”倡议的一部分。(信息来源:弗劳恩霍夫官网;编译:LED新看点)


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