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电源世界2015/12|55Columnlecture专栏讲座☆☆☆☆☆☆☆☆专栏讲座☆☆☆☆☆☆☆☆第14讲LED用电解电容器Chapter14ElectrolyticCapacitorUsedforLED陈永真ChenYongzhen1引言随着照明用LED、驱动器的廉价化，LED照明开始在各种照明领域中普及。对于交流供电的LED照明，输入整流滤波电容器是不可缺少的主要元件之一。由于是50Hz整流，电解电容器将是滤波电容器的唯一选择。尽管也出现过无电解电容器方案，从实用化角度，选用105℃/6000h~10000h电解电的容器将是一个好的选择。2最初LED驱动器要求1W/μF几年前，LED照明开始实用化阶段，驱动器的设计与相对应的开关电源拓扑结构与控制模式（除恒流控制外）基本相同。所选用的器件基本参考开关电源。对于100W以下的隔离型驱动器，大多按1W/μF选择电容量。在这种状态下，高压电解电容器可以满足性能要求。随着LED及驱动器价格日益降低，LED驱动器价格逐渐降低成为必然，这就必须降低元器件成本。其中，最容易降低价格的就是高压电解电容器。降低高压电解电容器价格最有效的方法就是降低电容量。3现在LED驱动器要求1.5W/μF现在的隔离型LED驱动器要求高压电解电容器满足1.5W/μF。在这种状态下，一个50W投射灯驱动器需要1颗33μF/400V电解电容器。通过实测，在供电电压为220VAC条件下，该电解电容器流过的电流波形如图1所示。图150W投射灯驱动器中33μF/400V电解电容器电流波形从图1看到，电解电容器流过的电流有效值为979mA。这个电流在所有电解电容器制造商的产品中均没有达到，提别是小体积产品。最好的可以达到900mA（100kHz条件下测试，对应100Hz分量电流还要降低纹波电流值），需要尺寸为φ16×20mm或更大尺寸。56|TheWorldofPowerSupplyDec2015Columnlecture专栏讲座这就是说，现在还一时找不到可以承受30kHz和100Hz、有效值近1A电流的电解电容器。LED驱动器制造商更喜欢小体积，以减小驱动电路的体积，如φ13×20mm。对于现有技术，即便是最好的电解电容器也不会达到1A额定电流，大多为300mA~500mA（30kHz和100Hz混合纹波电流）。实际应用中的温升如图2所示。(a)(b)图2φ13×20mm和φ13×25mm，33μF/400V电解电容器实际应用的热像图：（a）φ13×20mm电解电容器的热像图；(b)φ13×25mm电解电容器热像图图2（a）中电解电容器温升约17℃，考虑外壳到电容器芯子之间的温差，实际温升接近20℃，是105℃电解电容器5℃额定温升的4倍，表明电解电容器处于2倍过电流状态，这会使得电解电容器寿命明显缩短，促成早期失效。图2（b）中电解电容器采用了比较低比容的铝箔，体积略大一些。同时纹波电流承受能力得到改善。从图中看到，电解电容器温升为13℃，芯子实际温升还会高一些，对应的电解电容器流过的纹波电流大约为额定纹波电流的1.8倍，相比图2（a）寿命会有明显的延长，即便如此，也将会导致电解电容器的早期失效。导致电解电容器流过如此大纹波电流的原因可分为两部分：100Hz频率纹波电流和开关频率纹波电流，两者的均方根构成实际的有效值电流。图3为供电电压为220VAC条件的开关频率下电容器纹波电流分量。图3电解电容器流过的开关频率纹波电流图中现实的有效值为680mA，对应的100Hz纹波电流为704mA，峰-峰值电流为3.76A。根据反激式变换器输出功率与开关管峰值电流的关系，对于全电压反激式变换器，对应18W/A。3.76A对应68W，超过输出功率至少20%，也就是说，通过适当的增加开关管占空比可以减小电容器纹波电流10%~15%。其实，最可怕的是全电压供电方式的85V电压时，100Hz纹波电流将超过1.5A。直到现在还没有任何一款33μF/400V电解电容器可以承受1.5A纹波电流。对于国内供货和非100V供电电压国家应用，绝对没有必要搞什么全电压范围。这样可以降低纹波电流近一半。4将来LED驱动器要求2.5W/μF如果LED驱动制造业为了进一步降低驱动器成本，要求电解电容能够提供2.5W/μF的能力，对电解电容器来说至少现有的产品将无法长期承受如此大的纹波电流。除非高压电解电容器来一次革命，将小电容量电解电容器的纹波电流承受能力，在现有的基础上提高一倍，大约为（70~100）mA/μF。5非隔离LED驱动器中的电解电容器如果LED灯珠和对应的散热器可以与环境之间有可靠的绝缘，LED驱动器就可以做成非隔离型，以提高驱动器效率，降低驱动器成本。可以采用非隔离型驱动器的LED灯可以是“陶瓷散热器”球泡、T8LED灯、全塑球泡灯。 电源世界2015/12|57Columnlecture专栏讲座非隔离型LED驱动器输入整流滤波电解电容器，大多选择1.5W/μF。如某15WT8管型LED灯用驱动器的输入整流滤波电容器，电流波形如图4所示。图4非隔离型LED驱动器中输入整流滤波电容器电流波形图4中，所用的电解电容器为10μF/400V/105℃，φ8×17mm，纹波电流有效值为271mA。在这个条件下的热成像图如图5所示,。图5热成像图电解电容器表面温度48℃，温升21℃。很显然，电解电容器严重过电流，过电流程度接近2倍。非隔离型LED驱动器的输出电解电容器选择8W/μF。某10W球泡的输出电解电容器选择2.2μF/400V，φ6×12.5mm。电流波形如图6所示。流过电解电容器的有效值电流约为70mA。对应的热成像图如图7。测试环境温度为25℃，电解电容器热缩管温度47.5℃，温升约22.5℃。属于严重过电流状态。图6输出电解电容器电流波形图7热成像图6总结LED驱动器中的电解电容器工作环境恶劣。主要原因是，为降低成本选择电容量低的电解电容器，造成使用过程中严重过电流，导致早期失效；环境温度过高，例如某10W球泡，在外接环境温度为21℃状态下对应的LED驱动器的环境温度竟达到109℃。LED驱动器需要高纹波电流电解电容器，应用状态与节能灯相近。作者简介陈永真，1956年生，1982年1月毕业于大连工学院工业自动化专业。辽宁工业大学教授、电力电子与电力传动硕士导师，中国电源学会常务理事、编辑工作委员会主任、专家委员会副主席、学术工作委员会委员，中国电工技术学会电力电子学会名誉理事。承担国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”，出版专著10部。主要研究课题：高效率功率变换；新型电力电子器件应用；电力电子电容器应用；超级电容器应用；电池的电源管理。