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CN112397488A - 高压交流led晶片组、高压交流led光源及光照设备 - Google Patents

高压交流led晶片组、高压交流led光源及光照设备 Download PDF

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CN112397488A
CN112397488A CN201910771760.5A CN201910771760A CN112397488A CN 112397488 A CN112397488 A CN 112397488A CN 201910771760 A CN201910771760 A CN 201910771760A CN 112397488 A CN112397488 A CN 112397488A
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CN
China
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voltage
led
chip
light source
sub
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Application number
CN201910771760.5A
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潘翔
李许可
吴永
周泓
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HANGZHOU HANHUI OPTOELECTRONIC Tech CO Ltd
Original Assignee
HANGZHOU HANHUI OPTOELECTRONIC Tech CO Ltd
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Abstract

本发明公开了一种高压交流LED晶片组、高压交流LED光源及光照设备，所述高压交流LED光源包括基板、高压交流LED晶片组和胶粉层；在所述高压交流LED晶片组的子晶片的上方覆盖有胶粉层；所述胶粉层将子晶片固定于所述基板上；通过控制胶粉层的透明胶黏介质和红色荧光粒子的重量比和厚度，使得高压交流LED光源在单位时间内发射的红光∶蓝光的光子数的比例为65～95∶5～35之间。本发明的高压交流LED光源自身工作电压高，容易实现封装成品工作电压接近市电，无需整流变压器，可直接用市电驱动，降低灯具的驱动成本；能用交流(AC)直接驱动植物LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90％以上。

Description

高压交流LED晶片组、高压交流LED光源及光照设备
技术领域
本发明涉及一种高压交流LED晶片组、高压交流LED光源及光照设备，属于设施农业光照技术领域。
背景技术
随着LED在照明领域的深入发展，传统的低压LED越来越暴露出固有的弊端，包括驱动电源寿命短、转换效率低，低压LED散热性不好，不能在大电流下工作等。LED照明装置中，芯片光效、封装方式、驱动效率影响到LED照明装置的发光效率。对于包含LED芯片(和/或一个或多个其他固态发光器件)的设备来说，最佳性能的驱动技术是具有“高电压、低电流”而非“低电压、高电流”。一般的小型LED芯片在20～30mA的电流和3V的电压下运行，但是一般的电源芯片在350mA和3V运行。
由此，现有技术中的低压植物LED灯具存在以下缺点：
一是需外加驱动电源，电能转化效率低。传统的氮化镓基发光二极管工作在直流电压下，电压范围在2.9-3.5V，工作电流通常为20mA。为了让发光二极管达到普通照明所需的亮度，一般要将LED晶片的工作电流提高到100mA以上，目前常用的有100mA，350mA和700mA。由于目前的市用电力系统是以交流高压为主，因此需要使用降压变压器或整流器等电能转换方式来提供稳定的电流源，以控制LED发光。如果采用大电流的高功率LED晶片，驱动装置中需要一个较大的驱动电源，尽管现有技术的驱动电源技术已比较成熟，但驱动电源的可靠性不高(2万小时左右)且寿命一般都低于LED光源(长达5-10万小时)的寿命，成为LED照明装置寿命的主要瓶颈。
并且在交流市电转化为直流电时，会有一部分电力损耗，导致LED的工作效率降低；同时，这些外加的变压器或整流器会增加整体制造成本，占用空间而影响照明工具的外观，产生热量而降低LED长期使用的安全性。而且，外加电路本身的使用寿命较LED为短，因而降低了LED在应用上的整体使用寿命。同时需要通过滤波整流电路将交流电转变成直流电，从而导致整个LED灯具体积较大，寿命也由于电解电容(寿命仅为2000-5000小时)的引入而大大降低。
二是植物LED灯具体积和重量增加。根据国际相关标准普通照明的LED灯具其光照强度为200-500lux，而植物光照灯具其光照强度3000-60000lux，是普通照明的数十倍乃至数百倍。其所需的驱动器和散热器体积和成本大幅增加。此外，DC LED用于植物补光设备时等需要使用交流电源时，必须在交流电源与LED负载之间加上AC/DC变压器才能实现直流驱动，变压器的应用却增加了整个LED灯具的体积和重量，同时在交、直流转化的过程中也不可避免地要产生一定的电力损耗，就降低LED灯具的工作效率。
三是植物LED灯具成品成本增加。采用LED光源+电阻方式，将多颗LED光源串联，再通过串联电阻起限流作用。交流电是市电AC220V，存在电压不稳定现象，电压波动很大，高达有时会在280V以上，而通过电阻限流，电流也会有很大波动，不能有效的恒流而保护LED，并且电阻会发热，消耗电能，降低光效。而且产品的封装应用上增加了电路产品体积及组装、打线、人工等成本。直流电型发光二极管芯片常因其操作电压、尺寸限制及电流丛聚等因素而限制其发光功率及设计，从而导致光效低、稳定性相对较差。
发明内容
本发明目的是提供一种高压交流LED光源，其通过高压LED晶片组使得该高压交流LED光源能够工作在高压下，解决了上述技术问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种高压交流LED晶片组，其包括多个彼此反向并联连接的晶片串，所述晶片串具有不同数目的串联连接的子晶片；所述子晶片包括蓝光LED子晶片和/或紫外LED子晶片；
其中，当将晶片串接入供电电路时，一部分晶片串的正极端连接于第一电源连接端，其负极端连接于第二电源连接端；另一部分晶片串的负极端连接于第一电源连接端，其负极端连接于第二电源连接端。
本发明解决技术问题还采用如下技术方案：一种高压交流LED光源，其包括基板、高压交流LED晶片组和胶粉层；
所述高压交流LED晶片组为权利要求1所述的高压交流LED晶片组；
在所述高压交流LED晶片组的子晶片的上方覆盖有胶粉层；所述胶粉层将子晶片固定于所述基板上，且其为透明胶黏介质和红色荧光粒子的混合物；
通过控制胶粉层的透明胶黏介质和红色荧光粒子的重量比，以及该胶粉层的厚度，使得高压交流LED光源在单位时间内发射的红光∶蓝光的光子数的比例为65～95∶5～35之间；或者在单位时间内发射的红光∶蓝光∶紫外光为70～95∶5～30∶1～5之间。
可选的，由所述蓝光LED子晶片和紫外LED子晶片所发出的蓝光和紫外光，通过胶粉层中的红色荧光粒子，转换为匹配于光合作用曲线的光谱，适用于植物生长的不同生长阶段的光照需求；
所述蓝光LED子晶片发出的光为主波长范围为400nm至480nm的蓝光，且胶粉层的红色荧光粒子受到蓝光激发产生主波长范围为600nm至680nm的红光，未受激发的蓝光和受激发转换的光形成匹配于植物光合作用光谱特征的光谱；
所述紫外LED子晶片发出的光为主波长范围为320nm至400nm的紫外光，且胶粉层的红色荧光粒子受到紫外光激发产生主波长范围为600nm至680nm的红光，未受激发的紫外光和受激发转换的光形成符合植物光合作用曲线特征的光谱。
可选的，所述蓝光LED子晶片为在400nm～480nm范围内具有发光峰的LED子晶片或其不同波长LED子晶片组合，所述紫外LED子晶片为波长在320nm～400nm的范围内拥有发光峰的LED子晶片或其不同波长LED子晶片组合。
可选的，所述的高压交流LED光源还包括整流器电路，电耦接到高压交流LED光源为所述高压交流LED光源提供整流交流电压的交流电压源。
可选的，所述高压交流LED晶片组由外部交流电压驱动，驱动电压等于或接近外接AC工作电压。
本发明解决技术问题还采用如下技术方案：一种光照设备，其包括上述的高压交流LED光源。
可选的，所述高压交流LED光源，通过一电阻器串联到该反向并联子晶片串后，连接到外部电源的第一电源连接端和第二电源连接端。
可选的，所述的光照设备还包括电连接器；所述电连接器与高压LED晶片组连接，所述电连接器与外接AC电源相连通。
可选的，该光源和光照设备在一种或多种下述应用中被使用：人工气候箱、光照培养箱、植物工厂、组培室和设施农业。
本发明具有如下有益效果：本发明的高压交流LED光源自身工作电压高，容易实现封装成品工作电压接近市电，提高了驱动电源的转换效率，降低驱动电源的成本；此外，高压交流LED光源减少了芯片的固晶和键合数量，有利于降低封装的成本。
普通LED必须用直流电来驱动，所以在交流电和LED之间需要增加AC/DC转换器以实现LED的直流驱动。ACLED灯具不需要整流变压器可以直接接入市电，不但减小了LED的体积和重量，提升了空间利用率，降低了整体灯具的成本，还节省了交直流转化时15％～30％的电力损耗，提升了LED灯具的发光效率。
附图说明
图1为本发明的高压交流LED晶片组的结构示意图；
图2为本发明的高压交流LED光源的结构示意图；
图中标记示意为：1-基板；2-子晶片；3-胶粉层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种高压交流LED晶片组，其包括多个彼此反向并联连接的晶片串，所述晶片串具有不同数目的串联连接的子晶片；所述子晶片包括蓝光LED子晶片和/或紫外LED子晶片；
其中，当将晶片串接入供电电路时，一部分晶片串的正极端连接于第一电源连接端，其负极端连接于第二电源连接端；另一部分晶片串的负极端连接于第一电源连接端，其负极端连接于第二电源连接端。
实施例2
本实施例提供了一种高压交流LED光源，尤其是一种植物补光用高压交流LED光源，其包括基板、高压LED晶片组和胶粉层。
所述高压交流LED晶片组采用实施例1所述的高压交流LED晶片组，其中，所述子晶片从包括以下项的组中选择的任一项：半导体发光二极管；有机发光二极管OLED和激光发光二极管QLED；更优选地，所述子晶片为蓝光LED子晶片和/或紫外LED子晶片，所述蓝光LED子晶片为在400nm～480nm范围内具有单发光峰的LED子晶片或至少两个发光峰的LED子晶片组合，所述紫外LED子晶片为波长在320nm～400nm的范围内拥有单发光峰的LED子晶片或至少两个发光峰的LED子晶片组合。其中，本发明中的“高压”指经过LED光源的电压降至少是所述LED光源中的一个LED发光器件的电压阵的二倍以上。
在所述子晶片的上方覆盖有胶粉层；本实施例中，所述胶粉层将子晶片固定于所述基板上，且其为透明胶黏介质和红色荧光粒子的混合物，其中，所述透明胶黏介质和红色荧光粒子的重量比为100∶10-150，并且可以选择100∶50，或者100∶100作为优选方案。
优选地，所述红色荧光粒子为被Mn4+活化的氟锗酸盐荧光体、在组成中具有选自碱土金属元素中的至少一种元素、和选自碱金属元素中的至少一种元素，包含被Eu2+活化的如铝酸盐、硅酸盐、磷酸盐类荧光体、在组成中具有选自Sr和Ca中的至少一种元素和Al，包含被Eu2+活化的氮化硅的荧光体如CaAlSiN3：Eu系荧光体、包含被Eu2+活化的Ca或Sr的硫化物的荧光体、和在组成中具有选自碱金属元素和铵离子NH4 +中的至少一种元素或离子、和选自第4族元素或第14族元素中的至少一种元素，包含被Mn4+活化的氟化物的荧光体如K2SiF6中的至少一种或者其组合。
优选地，所述红色荧光粒子如含Eu2+活氮化物红色荧光粒子和Mn4+掺杂的K2SiF6红色荧光粒子，能够使得其发射主波长为660nm±20nm红光，并且其质量比例为4∶1。
由所述蓝光LED子晶片和紫外LED子晶片所发出的蓝光和紫外光，通过胶粉层中的红色荧光粒子，转换为匹配于光合作用曲线的光谱，适用于植物生长的不同生长阶段的光照需求。
其中，所述蓝光LED子晶片发出的光为主波长范围为400nm至480nm的蓝光，且胶粉层的红色荧光粒子受到蓝光激发产生主波长范围为600nm至680nm的红光，未受激发的蓝光和受激发转换的光形成匹配于植物光合作用光谱特征的光谱。
所述紫外LED子晶片发出的光为主波长范围为320nm至400nm的紫外光，且胶粉层的红色荧光粒子受到紫外光激发产生主波长范围为600nm至680nm的红光，未受激发的紫外光和受激发转换的光形成符合植物光合作用曲线特征的光谱；
本实施例中，通过控制胶粉层的透明胶黏介质和红色荧光粒子的重量比，以及该胶粉层的厚度，使得高压交流LED光源在单位时间内发射的红光∶蓝光的光子数的比例为65～95∶5～35之间；或者在单位时间内发射的红光∶蓝光∶紫外光为70～95∶5～30∶1～5之间。
优选地，所述胶粉层的厚度可以设置为0.6mm-1.0mm，以使得光子通量密度的比例在上述范围内。
而且，所述胶粉层中还掺杂有蓝色荧光粒子，从而使得紫外LED子晶片能够激光蓝色荧光粒子产生主波长范围为400nm至480nm的蓝光，以在紫外LED子晶片占总的子晶片的比例较大时，通过蓝光荧光粒子所产生的蓝光，降低紫外光的光子数，提高蓝光的光子数。
优选地，所述蓝色荧光粒子在胶粉层中的含量可以为胶粉层总重量的10％-30％。
本实施例中，所述子晶片为正装LED晶片，所述正装LED晶片包括衬底层、依次层叠在所述衬底层上的N-GaN层、发光层、P-GaN层和透明导电层；所述正装LED晶片上还设有P电极和N电极，所述P电极设于所述透明导电层上，所述N电极设于所述N-GaN层上，子晶片通过互联电极进行电连接；子晶片间设置有沟槽，以使得LED子晶片之间电隔离，沟槽内设置有绝缘层。
所述正装LED晶片由外部交流电压驱动，驱动电压等于或接近外接AC工作电压。
当所述高压交流LED晶片组的各个子晶片均被固定在所述基板上时，各个子晶片可以为独立的LED芯片，各个LED芯片之间通过基板上的电路或者通过导线电连接。
或者所述高压交流LED晶片组为单一的芯片，此时所述高压交流LED晶片组包括基底以及形成在所述基底上的子晶片，各个子晶片之间通过基底上形成的连接电路进行互联。
衬底层可以是由氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、锂/氧化铝(LiAl2O3)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、或氮化镓(GaN)所制成的基体，且根据将要在衬底上形成的半导体层的材料来选择衬底层。如果形成以氮化镓(GaN)基底的半导体层，则衬底可以是氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)基体。可在衬底与每一晶片之间插入缓冲层。缓冲层可用来在晶体生长时减少衬底层与随后各层间的晶格失配。例如，缓冲层可以是氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)薄膜。
或者所述子晶片为倒装LED晶片，所述倒装LED晶片包括衬底层、依次层叠在所述衬底层下方的N-GaN层、发光层、P-GaN层和透明导电层；所述倒装LED晶片上还设有P电极焊盘和N电极焊盘，且P电极焊盘和N电极焊盘在芯片同一侧，所述P电极焊盘设于所述透明导电层上，所述N电极焊盘设于所述N-GaN层上，且P电极焊盘与N电极焊盘两者间相互电隔离；所述每个LED晶片倒装焊接在基板上，并通过基板上的印刷电路进行互联；而且LED子晶片间设置有沟槽，以使得LED子晶片之间电隔离，沟槽内设置有绝缘层。
本实施例中，考虑到部分荧光粒子需要工作在低温的环境，因此，胶粉层和LED晶片之间可以设置隔热层。
本发明的高压交流LED光源自身工作电压高，容易实现封装成品工作电压接近市电，提高了驱动电源的转换效率，由于工作电流低，其在成品应用中的线路损耗也将明显低于传统LED晶片；植物用LED灯具以交流(AC)直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率能够地达到90％以上；同时降低了植物LED补光用灯具体积和重量。此外，高压交流LED光源减少了芯片的固晶和键合数量，有利于降低封装的成本。
高压交流LED光源相较于一般将多颗发光二极管以打线方式串接实现的高压二极管可得到较低的热阻，在灯具的制作上可采用较小的散热模块。
高压LED晶片采用高压交流进行驱动，提高了高压交流LED器件的可靠性，降低了应用过程中的线路损耗和交流、直流之间转换时电力损耗：同时还可大幅度降低对散热外壳和散热系统的设计要求，降低封装成本。
高压交流LED光源具有两优点：一，植物用LED灯具以交流(AC)直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率能够地达到90％以上，降低变压器的电路损耗；二，有效降低发光二极管照明灯具驱动成本和灯具的重量；对散热系统的要求，灯具结构可以节省散热材料。
同时，高压交流LED光源只需高压线性恒流源就能工作，高压线性恒流电源无变压器、无电解电容器，解决普通LED的驱动电源和电解电容器的寿命问题。
采用高压交流LED光源来开发照明产品，可以直接接入交流电源进行工作，总体功耗也可大幅度降低，从而大幅度降低散热外壳的设计要求，也意味着照明灯具的成本有效降低。
其中，所述高压交流LED光源在一种或多种下述应用中被使用：人工气候箱、光照培养箱、植物工厂、组培室、设施农业等。
实施例3
本实施例提供一种光照设备，其包括实施例1中的高压交流LED光源。
而且，所述光照设备还包括电连接器。
所述基板可以采用氮化铝、铜基板、铜合金基板、氧化铝、环氧树脂模塑料、碳化硅、金刚石、硅、石墨铝基板、铝铁合金基板中、高导热塑料基板或铝包塑基板的一种制备，其中，氮化铝、氮化棚、氧化铝、环氧树脂模塑料、碳化硅、金刚石、硅、石墨或纳米碳材料等材质制备的为不透明基板；透明玻璃、透明蓝宝石、透明石英玻璃、透明陶瓷或透明塑料等材质制备的为透明基板。
所述电连接器与高压LED晶片组连接，所述电连接器与外接AC电源相连通，以通过电连接器从电网等供电设备取电，并直接驱动高压LED晶片组。
其中，所述光照设备在一种或多种下述应用中被使用：人工气候箱、光照培养箱、植物工厂、组培室、设施农业等。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高压交流LED晶片组，其特征在于，包括多个彼此反向并联连接的晶片串，所述晶片串具有不同数目的串联连接的子晶片；所述子晶片包括蓝光LED子晶片和/或紫外LED子晶片；
其中，当将晶片串接入供电电路时，一部分晶片串的正极端连接于第一电源连接端，其负极端连接于第二电源连接端；另一部分晶片串的负极端连接于第一电源连接端，其负极端连接于第二电源连接端。
2.一种高压交流LED光源，其特征在于，包括基板、高压交流LED晶片组和胶粉层；
所述高压交流LED晶片组为权利要求1所述的高压交流LED晶片组；
在所述高压交流LED晶片组的子晶片的上方覆盖有胶粉层；所述胶粉层将子晶片固定于所述基板上，且其为透明胶黏介质和红色荧光粒子的混合物；
通过控制胶粉层的透明胶黏介质和红色荧光粒子的重量比，以及该胶粉层的厚度，使得高压交流LED光源在单位时间内发射的红光∶蓝光的光子数的比例为65～95∶5～35之间；或者在单位时间内发射的红光∶蓝光∶紫外光为70～95∶5～30∶1～5之间。
3.根据权利要求2所述的高压交流LED光源，其特征在于，由所述蓝光LED子晶片和紫外LED子晶片所发出的蓝光和紫外光，通过胶粉层中的红色荧光粒子，转换为匹配于光合作用曲线的光谱，适用于植物生长的不同生长阶段的光照需求；
所述蓝光LED子晶片发出的光为主波长范围为400nm至480nm的蓝光，且胶粉层的红色荧光粒子受到蓝光激发产生主波长范围为600nm至680nm的红光，未受激发的蓝光和受激发转换的光形成匹配于植物光合作用光谱特征的光谱；
所述紫外LED子晶片发出的光为主波长范围为320nm至400nm的紫外光，且胶粉层的红色荧光粒子受到紫外光激发产生主波长范围为600nm至680nm的红光，未受激发的紫外光和受激发转换的光形成符合植物光合作用曲线特征的光谱。
4.根据权利要求3所述的高压交流LED光源，其特征在于，所述蓝光LED子晶片为在400nm～480nm范围内具有发光峰的LED子晶片或其不同波长LED子晶片组合，所述紫外LED子晶片为波长在320nm～400nm的范围内拥有发光峰的LED子晶片或其不同波长LED子晶片组合。
5.根据权利要求4所述的高压交流LED光源，其特征在于，还包括整流器电路，电耦接到高压交流LED光源为所述高压交流LED光源提供整流交流电压的交流电压源。
6.根据权利要求5所述的高压交流LED光源，其特征在于，所述高压交流LED晶片组由外部交流电压驱动，驱动电压等于或接近外接AC工作电压。
7.一种光照设备，其特征在于，包括权利要求1-6之一中的高压交流LED光源。
8.根据权利要求7所述的光照设备，其特征在于，所述高压交流LED光源，通过一电阻器串联到该反向并联子晶片串后，连接到外部电源的第一电源连接端和第二电源连接端。
9.根据权利要求8所述的光照设备，其特征在于，还包括电连接器；所述电连接器与高压LED晶片组连接，所述电连接器与外接AC电源相连通。
10.根据权利要求1所述高压交流LED光源和权利要求7所述的光照设备，其特征在于，该光源和光照设备在一种或多种下述应用中被使用：人工气候箱、光照培养箱、植物工厂、组培室和设施农业。
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