汪 飛 鐘元旭 阮 毅

AC-DC LED驅(qū)動電源消除電解電容技術(shù)綜述

汪 飛 鐘元旭 阮 毅

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院 上海 200072）

電解電容是影響AC-DC LED驅(qū)動電源壽命的主要元件，因此，消除電解電容技術(shù)成為LED驅(qū)動電源研究的關(guān)鍵點。近幾年國內(nèi)外學(xué)者從控制策略或者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面相繼提出了一些消除電解電容的方法。本文基于控制策略、優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面詳述AC-DC LED驅(qū)動電源消除電解電容技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)出AC-DC LED驅(qū)動電源消除電解電容方法的基本思想，并闡述了現(xiàn)有方法的技術(shù)原理和應(yīng)用特點。最后，根據(jù)各種消除電解電容技術(shù)的綜合性能給出了其應(yīng)用意見及研究方向。

AC-DC LED驅(qū)動電源 消除電解電容 控制策略 優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 引言

高亮度發(fā)光二極管（High-Brightness Light-Emitting Diodes，HB LEDs）具有光效高、壽命長、體積小、節(jié)能環(huán)保和易調(diào)光等優(yōu)點[1-2]。近年來隨著LED照明關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，LED有望成為新一代高效光源[3-4]。目前，LED照明已應(yīng)用于城市景觀照明、液晶顯示背光源、路燈照明、普通照明、醫(yī)療和交通等領(lǐng)域[5-6]。

LED照明光源主要由LED芯片、燈具和驅(qū)動器三部分構(gòu)成。與傳統(tǒng)發(fā)光器件不同，LED芯片具有獨特的光-電-熱（Photo-Electro-Thermal, PET）特性[7-9]：①LED是低壓直流器件，很小的正向電壓波動會導(dǎo)致較大電流波動；②LED是電流型器件，LED的光通量、發(fā)光強(qiáng)度、色溫等光學(xué)性能指標(biāo)與流過 LED的平均電流基本呈線性關(guān)系；③LED亮度隨PN結(jié)溫度升高而下降，較大的電流會導(dǎo)致 PN結(jié)溫度升高，從而造成LED壽命降低；④LED發(fā)光波長會隨電流變化而發(fā)生偏移。因此，為保證LED發(fā)光品質(zhì)及整體照明性能，開發(fā)效率高、體積小、壽命長、可靠性高且性能優(yōu)良的驅(qū)動電源是關(guān)鍵。

不同功率AC-DC LED驅(qū)動電源按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式可分為單級拓?fù)?、兩級拓?fù)浜投嗉壨負(fù)鋄10-14]。在交流供電場合，為了滿足IEC 61000-3-2[15]的諧波要求，LED 驅(qū)動電源需要進(jìn)行輸入功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）。當(dāng)輸入功率因數(shù)PF=1時，瞬時輸入功率呈現(xiàn) 2倍輸入電壓頻率的脈動形式。為保證 LED的輸出功率恒定，通常會選用容量較大的電解電容來匹配瞬時輸入功率和輸出功率的不平衡。然而，高質(zhì)量電解電容在額定溫度 105℃下，使用壽命一般在 10kh左右[16]，遠(yuǎn)低于LED芯片80～100kh的壽命[17]，所以電解電容是影響LED照明光源整體壽命的主要元件[18]。

作為 LED驅(qū)動電源領(lǐng)域的研究熱點，消除電解電容技術(shù)是開發(fā)長壽命 LED驅(qū)動電源的關(guān)鍵。本文對國內(nèi)外近年來AC-DC LED驅(qū)動電源消除電容技術(shù)的各種方法進(jìn)行總結(jié)歸類。首先詳細(xì)分析了消除電解電容的根本思想，然后分別從控制策略和優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面指出了消除電解電容的基本思路，最后對現(xiàn)有消除電解電容的方案進(jìn)行了分析，并根據(jù)消除電解電容技術(shù)的性能特點，給出了應(yīng)用意見與研究方向，為開發(fā)高效率無電解電容 LED驅(qū)動電源的相關(guān)研究提供參考。

2 消除電解電容的根本思想

為了便于闡明AC-DC LED驅(qū)動電源瞬時輸入功率、輸出功率和儲能電容的關(guān)系，下面以單級拓?fù)銩C-DC LED驅(qū)動電源為例進(jìn)行分析。其分析思路和方法同樣適用于兩級拓?fù)浜投嗉壨負(fù)涞?LED驅(qū)動電源。圖1所示為單級拓?fù)銩C-DC LED驅(qū)動電源框圖，其中 PFC變換器可以是隔離型的 Flyback電路、Forward電路、半橋電路和全橋電路，也可以是非隔離型的Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、SEPIC電路、Cuk電路和Zeta電路等，其中Cb為儲能電容。

圖1 單級拓?fù)銩C-DC LED驅(qū)動電源框圖Fig.1 Block diagram of single stage topology AC-DC LED driver

當(dāng)輸入功率因數(shù) PF=1時，輸入電壓、輸入電流可表示為

式中，Vm為輸入交流電壓幅值；Im為輸入交流電流幅值；ω 為輸入交流電壓角頻率，ω=2π/TL，其中TL為輸入交流電壓周期。由式（1）和式（2）可得瞬時輸入功率表達(dá)式為

假設(shè)該單級LED驅(qū)動電源效率η =100%，輸出功率恒定，即 po(t)=Po，那么平均輸入功率等于輸出功率，即

因此，瞬時輸入功率也可以表示為

圖 2所示為當(dāng)po(t)=Po，PF=1時，輸入電壓、輸入電流、瞬時輸入功率、輸出功率和儲能電容電壓的理想波形。其中，ΔVC是儲能電容 Cb的紋波電壓，ΔVC=VC_max-VC_min，VC_max和 VC_min分別為 Cb電壓的最大值和最小值。從圖2可以看出當(dāng)輸入電壓和輸入電流是理想正弦波時(PF=1)，瞬時輸入功率和輸出功率之間存在一個大小為Pocos2ωt的脈動功率（見圖中陰影部分），通常會使用儲能電容來平衡該功率脈動。

圖2 當(dāng)po(t)=Po，PF=1時，輸入電壓、輸入電流、瞬時輸入輸出功率和儲能電容電壓的波形Fig.2 Waveforms of input voltage, input current, instantaneous input power, output power and storage capacitor voltage when po(t)=Po，PF=1

在[TL/8，3TL/8]時段內(nèi)，pin(t)＞po(t)，儲能電容Cb充電，其電壓從 VC_min上升至 VC_max；在[3TL/8，5TL/8]時段內(nèi)，pin(t)＜po(t)時，儲能電容 Cb放電，其電壓從VC_max下降至VC_min?？梢杂嬎愠鲈赱TL/8，3TL/8]時段內(nèi)Cb充入的能量ΔE為

式中，ts為儲能電容充電開始時刻；te為儲能電容充電結(jié)束時刻。同時，ΔE也可以表示為

式中，VC_ave為儲能電容的平均電壓；ΔVC為儲能電容的紋波電壓。由式（6）和式（7）可得儲能電容容值為

也可以表示為

由式（9）可知，為了減小輸出紋波電壓ΔVC，在Po、VC_ave、ω保持不變的情況下只能增大儲能電容容值?？紤]到成本因素，大容值儲能電容通常選用電解電容，而電解電容使用壽命一般在 10kh左右，遠(yuǎn)低于LED芯片80～100kh壽命，所以電解電容是影響LED照明光源整體壽命的主要元件。

雖然可以使用感性儲能元件替代儲能電容[19-20]，但感性元件體積大、損耗大、功率密度低，并不適合 LED驅(qū)動電源的發(fā)展趨勢。通過上述對單級拓?fù)銩C-DC LED驅(qū)動電源輸入功率、輸出功率和儲能電容的分析可知，消除電解電容的根本思想包括：①由式（8）可知，減小輸入功率與輸出功率在半個工頻周期中的功率脈動差 ΔE，可以減小儲能電容容值；②由式（9）可知，增大儲能電容紋波電壓ΔVC，可以減小儲能電容容值。

基于上述消除電解電容的根本思想，現(xiàn)有消除電解電容的技術(shù)手段歸為兩大類：①基于優(yōu)化控制策略消除電解電容[21-31]；②基于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除電解電容[32-46]。

2 基于優(yōu)化控制策略消除電解電容

2.1 基于優(yōu)化控制策略消除電解電容的基本思路

當(dāng)PF=1，po(t)=Po時，輸入功率 pin(t)、輸出功率po(t)與ΔE的關(guān)系示意圖如圖3a所示，其中ΔE為輸入功率與輸出功率在半個周期中的功率脈動差。

圖3 輸入功率、輸出功率波形與ΔE示意圖Fig.3 Schematic diagram of input power, output power and ΔE

由式（8）可知，通過減小功率脈動差ΔE可以減小儲能電容容值；又由式（6）可知，可以通過減小pin(t)-po(t)的值減小ΔE。因此，減小ΔE值的實現(xiàn)方式有兩種：

（1）如圖3b所示，若輸出功率po(t)=Po恒定不變，減小輸入功率pin(t)的脈動大小可以減小 pin(t)-po(t)，進(jìn)而減小ΔE。

（2）如圖 3c所示，若輸入功率 pin(t)保持 2倍工頻脈動形式不變，控制輸出功率po(t)的大小使其盡量同步于輸入功率脈動可以減小 pin(t)-po(t)，進(jìn)而減小ΔE。

從圖 3輸入功率、輸出功率波形與 ΔE的示意圖可以看出，基于優(yōu)化控制策略消除電解電容的基本路是：通過優(yōu)化控制策略減思小pin(t)-po(t)的值，進(jìn)而實現(xiàn)減小功率脈動差ΔE，最終擺脫對電解電容的依賴。

2.2 無電解電容AC-DC LED驅(qū)動電源控制策略

基于上述優(yōu)化控制策略消除電解電容的基本思路，結(jié)合不同場合對功率等級、照明性能指標(biāo)以及LED驅(qū)動電源輸入功率因數(shù)等方面的要求，可以采用不同的控制策略消除電解電容。

2.2.1 諧波電流注入法

為減小pin(t)-po(t)，可以通過減小輸入功率pin(t)的脈動實現(xiàn)?；谶@種思路，文獻(xiàn)[20-26]采用諧波電流注入法減小輸入功率的脈動，實現(xiàn)消除電解電容的目的。

圖4為恒流輸出兩級AC-DC LED驅(qū)動電源框圖，由前級功率因數(shù)校正電路和后級DC-DC恒流調(diào)節(jié)器組成。與傳統(tǒng)控制方式不同，為了減小輸入功率脈動進(jìn)而減小ΔE，諧波電流注入法通過優(yōu)化功率因數(shù)校正電路的控制策略，在輸入電流中注入一定量諧波電流，從而實現(xiàn)減小電容容值的目的。

圖4 諧波電流注入LED驅(qū)動電源框圖Fig.4 Block diagram of LED driver with the harmonic injection

在輸入電流中注入諧波雖然可以減小電容容值，但是需要進(jìn)一步減小電容容值就需要提高注入諧波的幅值，而注入諧波幅值越大，功率因數(shù)PF就越小[23]。IEC 1000-3-2中要求輸入功率大于 25W 的照明設(shè)備，注入的最大 3次諧波應(yīng)小于0.3I*PF，其中 I*為基波電流標(biāo)幺值，PF為驅(qū)動電源功率因數(shù)。所以，受相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對照明設(shè)備的規(guī)定限制，此類無電解電容 LED驅(qū)動電源適用于小功率場合。

2.2.2 脈動電流驅(qū)動 LED法

為減小 pin(t)-po(t)，可以控制輸出功率使其在輸入功率的峰值處多消耗能量，在輸入功率的谷值處少消耗或者不消耗能量[27-30]。使得輸出功率脈動盡量同步于輸入功率的變化，從而可使用長壽命的低容值電容（如薄膜電容等）取代短壽命的電解電容?；谶@種思路，可以使用頻率為100Hz的PWM方波電流驅(qū)動 LED芯片，使得輸出功率同步于輸入功率的變化，從而擺脫了驅(qū)動電源對電解電容的依賴。圖5所示為PWM方波電流驅(qū)動LED電源框圖。

圖5 PWM方波電流驅(qū)動LED驅(qū)動電源框圖Fig.5 Block diagram of LED driver with PWM square wave output current

在實現(xiàn)方法上，方波電流驅(qū)動 LED的電路由前級功率因數(shù)校正電路和后級 DC-DC方波電流輸出電路組成。這種級聯(lián)形式的兩級AC-DC LED驅(qū)動電源整機(jī)效率較低，并且當(dāng)對LED進(jìn)行深度PWM調(diào)光時，儲能電容的紋波峰值電壓將增高，紋波谷值電壓降低。如果前級的PFC電路采用傳統(tǒng)的Boost電路，當(dāng) Boost電路的輸出電壓（儲能電容上的電壓）小于輸入電壓時，將會影響其正常工作，進(jìn)而影響功率因數(shù)。

更值得注意的是，與恒流驅(qū)動LED不同，低頻PWM方波電流驅(qū)動LED，需要全面考慮其對LED發(fā)光品質(zhì)、可靠性和壽命的影響[47-48]。同時也需要根據(jù)LED光-電-熱理論，考慮低頻PWM方波電流對LED光學(xué)性能（包括發(fā)光波長、發(fā)光強(qiáng)度、色溫、發(fā)光效率、閃爍和散熱等）和熱性能（包括結(jié)溫、熱阻等）的影響，建立完善的低頻 PWM方波電流驅(qū)動LED的綜合性能評價體系。

2.2.3 動態(tài)調(diào)節(jié)LED負(fù)載功率法

同樣是為了在輸入功率峰值處多消耗能量，在輸入功率谷值處少消耗或者不消耗能量，可以通過動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載功率大小實現(xiàn)。文獻(xiàn)[31]根據(jù)LED的模組特性，提出了通過動態(tài)調(diào)節(jié) LED負(fù)載功率消除電解電容的方法。根據(jù)輸入功率的變化動態(tài)調(diào)節(jié)LED負(fù)載功率使其同步于輸入功率的變化，可以減小 pin(t)-po(t)的值進(jìn)而減小 ΔE。這種方法不僅可以消除電解電容，而且可以在恒流驅(qū)動每一串LED的情況下實現(xiàn)功率因數(shù)校正。其實現(xiàn)方式如圖 6所示。

圖6 動態(tài)調(diào)整LED負(fù)載功率消除電解電容LED驅(qū)動電源框圖Fig.6 Block diagram of LED driver for eliminating electrolytic capacitor based on load power modulation

為方便對LED負(fù)載進(jìn)行動態(tài)功率調(diào)節(jié)，可以將LED負(fù)載分成多個模組，通過控制與每個模組相連的 DC-DC恒流調(diào)節(jié)器的通斷即可控制輸出功率的大小。當(dāng)輸入功率增大，工作的LED模組就增加，輸入電流也增大。

與傳統(tǒng)Boost型PFC電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下實現(xiàn)功率因數(shù)校正不同，通過動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載功率大小來消除電解電容、實現(xiàn)功率因數(shù)校正，是一種充分利用 LED模組特性的方法。但是此方案為了達(dá)到較高的功率因數(shù)，必須增加 LED模組和DC-DC恒流調(diào)節(jié)器的數(shù)量，嚴(yán)重依賴LED模組數(shù)量，成本過高，所以相對適合應(yīng)用在大功率場合。

3 基于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除電解電容

3.1 基于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除電解電容的基本思路

圖7所示為傳統(tǒng)的級聯(lián)式兩級AC-DC LED驅(qū)動電源功率流動框圖。輸入功率 Pin經(jīng)過 PFC變換器后將能量儲存在直流母線電容，再經(jīng)過 DC-DC變換器到達(dá)LED負(fù)載。

圖7 LED驅(qū)動電源功率流動框圖Fig.7 Block diagrams of power flow inside LED drivers

假設(shè) PF=1，傳統(tǒng)級聯(lián)式驅(qū)動電源中 PFC變換器和 DC-DC變換器的效率分別為η1和η2，則驅(qū)動電源的整機(jī)效率是兩級變換器效率的乘積，即

式中，η1＜1, η2＜1。

所以，級聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中輸入功率需要經(jīng)過兩次能量變換才能到達(dá) LED負(fù)載，整機(jī)效率低；雖然通過增大直流母線電容的紋波電壓可以在一定程度上減小電解電容容值，但是直流母線紋波電壓無限增大會影響 PFC變換器正常工作。所以高效率無電解電容 LED驅(qū)動電源可以從以下兩方面思考：

（1）提高效率。為了提高效率，一些研究對驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[49-52]。圖7b所示為優(yōu)化拓?fù)涞墓β柿鲃涌驁D，這些拓?fù)錇楣β实牧鲃犹峁┝藘蓷l支路。PFC一次能量變換后的大部分功率經(jīng)第一條功率支路直接傳送到負(fù)載；第二條功率流動支路是PFC變換器之外的DC-DC變換器輔助網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過 PFC一次能量變換后的小部分功率被儲存在電容 Cb上，然后再經(jīng)過輔助電路進(jìn)行第二次能量變換傳送到負(fù)載。功率因數(shù)校正電路保證較高的輸入功率因數(shù)，輔助網(wǎng)絡(luò)則對LED工作電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。優(yōu)化之后的LED驅(qū)動電源輸出功率表達(dá)式為

式中，κ為經(jīng)過PFC一次能量變換后直接傳送到負(fù)載的功率占總功率的比例系數(shù)，且κ＜1。因此，優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC-DC LED驅(qū)動電源的整機(jī)效率為

對比式（10）和式（12）可以看出，優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整機(jī)效率高于傳統(tǒng)的級聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整機(jī)效率，即

（2）消除電解電容。為了徹底擺脫對電解電容的依賴，依據(jù)式（9）的原理，可以將優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中儲能電容Cb電壓設(shè)計為含較大紋波的形式，即可減小儲能電容容值。

上述思路是高效率無電解電容 LED 驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本思路。新型無電解電容 LED驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是要根據(jù)不同的PFC變換器選擇合適的輔助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)整合。

3.2 無電解電容AC-DC LED驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于上述優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本思路，結(jié)合各種PFC變換器的特點，通過 PFC變換器和輔助網(wǎng)絡(luò)組合和變形的推演思想可以衍生出不同拓?fù)涞臒o電解電容 LED驅(qū)動電源。圖 8所示為部分近年來提出的無電解電容AC-DC LED驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖。

圖8 無電解電容AC-DC LED驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Block diagram of the non-electrolytic capacitor AC-DC LED driver topologies

3.2.1 并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雖然單級無電解電容驅(qū)動電源可以通過控制LED的平均電流來控制 LED的光通量，但是由于沒有電解電容，輸出電流脈動大、峰值電流大，容易造成頻閃和 LED的損壞。為此，可以在 PFC變換器輸出端和 LED負(fù)載之間并聯(lián)一個雙向變換器[32-36]，使其輸入電流等于脈動電流中的 2倍工頻交流分量，這樣 LED的驅(qū)動電流為恒定電流（見圖 8a），該驅(qū)動電源只有儲存在雙向變換器的小部分功率經(jīng)過了兩次的能量變換，所以效率比級聯(lián)的兩極拓?fù)湫矢?；為了減小雙向變換器輸出側(cè)的儲能電容，儲能電容設(shè)計為含有較大電壓紋波的形式。為了提高雙向變換器對2倍輸入頻率交流電流吸收的準(zhǔn)確性，減小 LED驅(qū)動電流脈動，可以采用基于電流基準(zhǔn)的前饋控制策略優(yōu)化該驅(qū)動電源的性

能[37]。

同理，也可以在整流橋輸出端和主DC-DC變換電路輸入端之間并入雙向變換器[38]（見圖 8b）。雙向變換器作用是：①對輸入端的電流波形進(jìn)行補(bǔ)償，以實現(xiàn)高功率因數(shù)；②儲能電容設(shè)計為含有較大電壓紋波的形式，適時地吸收和釋放功率，平衡輸入、輸出之間的瞬時功率以實現(xiàn)無電解電容。因為雙向變換器的存在，可以通過在主DC-DC變換電路的輸入電流中注入諧波解決輸出端的電解電容問題，而不需要考慮功率因數(shù)的問題。該方案利用優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了諧波電流注入控制方法消除電解電容受功率因數(shù)限制的缺陷，并且提高了效率，特別適合大功率場合下的多個LED負(fù)載公共適配驅(qū)動電源。

3.2.2 集成輔助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8c所示為基于PFC電路糅合DC-DC變換器組成的 LED驅(qū)動電源[45]。PFC變換器工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)功率因數(shù)校正；輔助網(wǎng)絡(luò)中的儲能電容設(shè)計為大電壓紋波形式，當(dāng)輸入功率 pin(t)高于輸出功率 po(t)時，多余的能量將存儲于儲能電容中；而當(dāng)輸入功率 pin(t)低于輸出功率 po(t)時，不足的能量將由儲能電容提供。通過調(diào)節(jié)DC-DC輔助網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以為 LED提供恒定工作電流。該驅(qū)動電源同樣只有小部分功率經(jīng)過了兩次的能量變換，所以效率比級聯(lián)的兩級拓?fù)湫矢?；同時，由于儲能電容的電壓紋波較大，需要的儲能電容很小，可以采用其他類型的長壽命電容替代電解電容。

3.2.3 多端口輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

同樣是基于減少能量變換環(huán)節(jié)和提高效率的思想，通過組合兩個DC-DC變換器可以實現(xiàn)消除電解電容的目的[46]。其實現(xiàn)框圖見圖 8d，PFC變換器實現(xiàn)功率因數(shù)校正，DC-DC變換器通過變換小部分能量調(diào)節(jié)LED電流。由于儲能電容設(shè)計為含有較大電壓紋波的形式，所以 PFC變換器輸出端的大電壓紋波若未消除將會會引發(fā)頻閃問題，甚至損壞 LED芯片。為了減小PFC變換器輸出紋波對LED的影響，該方案通過控制 DC-DC變換器的輸出電壓對 PFC變換器的低頻輸出電壓紋波進(jìn)行反相補(bǔ)償。該方案通過兩個 DC-DC變換器的組合優(yōu)化，利用輸出電壓紋波反相補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ穗娊怆娙荨?/p>

4 分析與討論

結(jié)合上述各種消除電解電容技術(shù)的特點，下表從電路拓?fù)?、是否影響PF、驅(qū)動方式、調(diào)光方式和適用場合方面進(jìn)行了對比。

表 各種消除電解電容技術(shù)的比較Tab. The comparison between different technologies of eliminating the electrolytic capacitor

從基于控制策略和優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除電解電容的對比中可看出：前者會影響功率因數(shù)，后者不會影響功率因數(shù)；由于前者電路拓?fù)涫荘FC變換器級聯(lián)DC-DC變換器，效率較低，而后者電路拓?fù)涫腔谔岣咝仕悸穬?yōu)化，所以效率比前者高。因此，從功率因數(shù)和效率方面考慮，基于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除電解電容值得深入研究。

從驅(qū)動方式的對比可看出，脈動電流驅(qū)動法采用低頻PWM電流驅(qū)動LED，而不是恒流驅(qū)動。為達(dá)到消除電解電容的目的，低頻 PWM驅(qū)動電流峰值需要高于LED的額定電流，這將影響LED壽命；并且低頻PWM電流影響 LED的光效、發(fā)光品質(zhì)和散熱等性能[7-8]。為改善此方案，建議基于原方案的基本原理，采用高頻 PWM電流或三角波電流驅(qū)動LED。不僅可以控制驅(qū)動電流在額定電流范圍內(nèi)，而且可以消除低頻驅(qū)動電流對LED的影響。

從調(diào)光方式的對比可看出，除脈動電流驅(qū)動方案采用PWM調(diào)光外，其他方案均采用模擬調(diào)光方式。模擬調(diào)光的原理是通過改變流過 LED 的電流幅值改變 LED的發(fā)光亮度。然而，LED屬于電流驅(qū)動型器件，驅(qū)動電流變化會引起LED結(jié)溫變化改變，引起發(fā)光材料禁帶寬度變化，最終導(dǎo)致發(fā)光波長產(chǎn)生偏移[9,53]，導(dǎo)致照明光源的視覺效果發(fā)生變化，影響其光學(xué)性能和照明質(zhì)量。雖然可以在此類LED驅(qū)動電源后級加入PWM調(diào)光電路，但增加了成本。因此，兼容PWM調(diào)光技術(shù)的無電解電容LED驅(qū)動電源值得進(jìn)一步深入研究。

對于注入諧波電流的無電解電容 LED驅(qū)動電路，雖然單個此類驅(qū)動電路可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對照明設(shè)備諧波抑制的規(guī)定，但是在實際應(yīng)用中，數(shù)量眾多的此類 LED驅(qū)動電源將會給電網(wǎng)帶來諧波污染，影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為抑制此類驅(qū)動電源給電網(wǎng)帶來的諧波，可以在多個 LED驅(qū)動電源的總線和電網(wǎng)之間上加入諧波抑制裝置，但會增加成本。

最后，從上述討論與分析中可看出，雖然現(xiàn)有的一些LED驅(qū)動電源方案可以實現(xiàn)消除電解電容，但是缺少一個基于系統(tǒng)性能、電路性能、發(fā)光品質(zhì)及人眼視覺性能等方面的多層次無電解電容 LED驅(qū)動電源綜合評價體系。若能建立此評價體系，可以根據(jù)該體系為不同場合選擇LED驅(qū)動方案，同時考慮驅(qū)動電流、驅(qū)動方式、調(diào)光方式等因素對LED發(fā)光品質(zhì)、光學(xué)性能和人眼視覺舒適性的影響，這將最大程度地發(fā)揮LED照明的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

消除電解電容技術(shù)作為目前 LED驅(qū)動電源領(lǐng)域研究的熱點，是開發(fā)優(yōu)質(zhì)LED驅(qū)動電源的關(guān)鍵。本文在系統(tǒng)地介紹近年來國內(nèi)外AC-DC LED驅(qū)動電源消除電解電容技術(shù)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)之上，結(jié)合現(xiàn)有消除電解電容技術(shù)，詳細(xì)地分析了基于控制策略和優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除電解電容技術(shù)的基本思路。

（1）基于優(yōu)化控制策略減小輸入、輸出功率在半個工頻周期中的功率脈動差思路，如輸入諧波注入法、輸出脈動電流驅(qū)動法或動態(tài)調(diào)節(jié) LED負(fù)載功率法。

（2）結(jié)合優(yōu)化拓?fù)滢D(zhuǎn)換效率和增大儲能電容電壓紋波的思路可采用并聯(lián)輔助網(wǎng)絡(luò)、集成輔助網(wǎng)絡(luò)或多端口輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

最后，從各種消除電解電容技術(shù)的效率、功率因數(shù)、驅(qū)動方式、調(diào)光方式等方面進(jìn)行分析與討論，并為其推廣應(yīng)用價值給出了建設(shè)性意見及研究方向。

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A Review of Eliminating Electrolytic Capacitor in AC-DC Light-Emitting Diode Drivers

Wang Fei Zhong Yuanxu Ruan Yi

（School of Mechatronic Engineering and Automation Shanghai University Shanghai 200072 China）

The electrolytic capacitor is the key component that limit the lifetime of AC-DC light-emitting diodes(LEDs) driver. Therefore, eliminating the electrolytic capacitor in LED driver has been a key problem. In the recent years, a great number of solutions have been proposed based on control strategies and topology optimization. In this paper, the research status of eliminating electrolytic capacitor in AC-DC LED driver is detailed in terms of control strategies and optimized topologies. The fundamental thoughts on the methods of eliminating electrolytic capacitors in AC-DC LED drivers based on control strategies and topology optimization are summarized. The technical principles of the existing methods are presented, including application features. Finally，we propose application advice and the direction of research based on the performance of different technologies for eliminating the electrolytic capacitor.

AC-DC LED driver, eliminating the electrolytic capacitor, control strategies, topology optimization

TM46

汪 飛 男，1981年生，博士，副教授，研究方向為新能源發(fā)電與電能質(zhì)量控制技術(shù)，微電網(wǎng)技術(shù)，固態(tài)照明驅(qū)動。

國家自然科學(xué)基金（51107078），臺達(dá)環(huán)境與教育基金會《電力電子科教發(fā)展計劃》（DREG2012006）和教育部留學(xué)回國科研啟動基金資助項目。

2013-11-18 改稿日期 2014-01-18

鐘元旭 男，1988年生，碩士研究生，研究方向為LED照明驅(qū)動電源、AC-DC變換器，以及DC-DC變換器。