文 浩，劉超英，劉泳澎

（1.廣東省肇慶市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東肇慶 526070；2.肇慶學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東肇慶 526061；3.肇慶綠寶石電子科技有限公司，廣東肇慶 526020）

0 引言

LED是新一代的照明光源，它的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電-光轉(zhuǎn)換效率高，根據(jù)美國(guó)Lumileds公司的實(shí)驗(yàn)，用14瓦的紅色LED作為交通信號(hào)燈，其產(chǎn)生的光通量與140瓦傳統(tǒng)白熾燈的效果相同，均為2 200流明。隨著科技的進(jìn)步，綠色、黃色、藍(lán)色以及白色的LED燈均已開發(fā)出來(lái)，而且發(fā)光效率也逐年提高，總體上講，在相同的光亮度情況下，LED燈的耗電僅為傳統(tǒng)燈具的四分之一到十分之一[1-3]。正是由于這一優(yōu)點(diǎn)，特別是白光LED的出現(xiàn)，促進(jìn)了LED研究開發(fā)的新發(fā)展，目前LED燈具正在取代白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)照明燈具，進(jìn)入到需要照明的各個(gè)場(chǎng)合以及千家萬(wàn)戶。

LED的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，這里所說的壽命長(zhǎng)是指LED發(fā)光單體的壽命，并不是指以LED為發(fā)光器件、包括驅(qū)動(dòng)電源在內(nèi)的LED燈具總成。LED發(fā)光體是一種冷光源，需要直流（DC）低壓供電，而市電提供的是相對(duì)高壓的交流（AC）電。因此，市場(chǎng)見到的LED燈具均為以LED發(fā)光體為核心、并配備具有一定驅(qū)動(dòng)電流和功率的驅(qū)動(dòng)電源組成的合成體[4-6]。根據(jù)調(diào)查，目前LED燈具的壽命主要受LED驅(qū)動(dòng)電源壽命的影響。LED驅(qū)動(dòng)電源是一種電力電子電路，一般由半導(dǎo)體器件和阻容器件組成，其中電解電容器是電源濾波的主要器件，LED驅(qū)動(dòng)電源的壽命又主要受電解電容器壽命的影響。正常情況下電解電容器的壽命可達(dá)幾千甚至上萬(wàn)小時(shí)，但是使用不當(dāng)會(huì)造成電解電容器的快速失效。本文主要分析一款LED驅(qū)動(dòng)電源中電解電容器失效的原因，為后續(xù)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 紋波電流與電解電容器壽命

電解電容器是電容器的一類，電解電容器的優(yōu)點(diǎn)是容積比很大，相同體積下電解電容器的電容值是陶瓷電容器電容值的上百倍。因?yàn)榇颂攸c(diǎn)，電解電容器在電力電子線路中主要作為濾波電容使用。電解電容器的缺點(diǎn)是壽命相對(duì)短，影響電解電容器壽命的因素有很多，但最主要的就是環(huán)境和工作溫度。一個(gè)標(biāo)稱5 000小時(shí)/105oC的電解電容器，當(dāng)工作溫度超過105oC后，溫度每增加10oC，其壽命就會(huì)縮短二分之一。如果工作溫度長(zhǎng)期為155oC，其壽命就會(huì)縮短到625小時(shí)。因此降低工作溫度是提高電解電容器以及整個(gè)電力電子電路壽命最有效的方法[7-8]。

在濾波過程中，電解電容器需要長(zhǎng)期經(jīng)受脈動(dòng)電流、高頻紋波電流的沖擊。電解電容器除了一般的額定電壓、容值等主要技術(shù)參數(shù)外，對(duì)其充放電紋波電流也有嚴(yán)格的限制，這樣才能保證整個(gè)電路的安全可靠運(yùn)行。大量的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都證明，脈動(dòng)電流和紋波電流對(duì)電解電容器最主要的影響是使其發(fā)熱，引起內(nèi)部電解液膨脹、甚至蒸發(fā)，最后導(dǎo)致電解電容器失效[8]。

等效串聯(lián)電阻（Equivalent series resistors/ESR）是衡量電容器以及電池等器件的物理參數(shù)，是一個(gè)等效的與理想電容器（或電池）以串聯(lián)形式聯(lián)接在一起的寄生參數(shù)，在電池里也叫內(nèi)阻。電解電容器的ESR相對(duì)比較大，一般為數(shù)十毫歐姆到十幾歐姆，當(dāng)紋波電流或脈動(dòng)電流流過ESR就會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗，使電容器發(fā)熱。

根據(jù)電功率的一般計(jì)算理論，功率等于電流與電壓的乘積，具體到一個(gè)電阻，其功率損耗則等于該電阻與流過該電阻電流的平方之積?？梢酝瞥?，電解電容器ESR的熱損耗除了與ESR本身成正比外，還和其總的紋波電流的平方成正比。由于該功率損耗產(chǎn)生的熱位居于電解電容器的內(nèi)部，它比外部的傳導(dǎo)來(lái)的熱更具危害性，會(huì)明顯降低電解電容器的使用壽命。如果電解電容器工作在超出其紋波電流額定值的條件下，就會(huì)使電容器因核心（素子）過熱而導(dǎo)致失效或損壞。

2 測(cè)試方法

2.1 測(cè)試電路

目前，LED驅(qū)動(dòng)電源種類繁多，簡(jiǎn)單的有電容/電阻限流型，但這種電路效率低。大部分電路采用具有隔離變壓器的開關(guān)工作模式，例如反激（flyback）式、前饋（forwards）式等[9-11]。為了提高電能轉(zhuǎn)換效率、減小驅(qū)動(dòng)器體積，其工作原理都是先進(jìn)行工頻（50 Hz）整流和濾波、再通過半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行高頻（10 kHz～100 kHz量級(jí)）塹波、高頻電壓變換、二次高頻整流和濾波等幾個(gè)環(huán)節(jié)完成從工頻市電到低壓直流電的變換，最后驅(qū)動(dòng)LED燈。

圖1 測(cè)試對(duì)象和測(cè)試點(diǎn)

電解電容器的作用是進(jìn)行一次（工頻）濾波和二次（高頻）濾波，其中一次濾波比較成熟。二次濾波則屬于高頻非正弦波濾波，是本文主要研究的內(nèi)容。圖1是一個(gè)flyback式LED驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過高頻變換之后的輸出端，其中電解電容器C6并聯(lián)在負(fù)載兩端起濾波作用。

2.2 測(cè)試方法

主要測(cè)試儀器和測(cè)試對(duì)象：具有FFT功能的示波器；1V/1A變比的電流轉(zhuǎn)換探頭；穩(wěn)壓電源。測(cè)試對(duì)象是輸入為工頻交流220V/50Hz市電、輸出為直流38V的一臺(tái)LED燈驅(qū)動(dòng)電源，

測(cè)試方法：驅(qū)動(dòng)器輸出端接上負(fù)載LED燈，在額定功率下穩(wěn)定工作半個(gè)小時(shí)開始測(cè)量。

（1）用示波器探頭直接測(cè)試C6的電壓波形如圖2（時(shí)基每格是10ms/div）。從電壓波形可以看出，該電解電容器濾波性能良好。

圖2 濾波電容電壓波形

（2）利用1V/1A變比的電流轉(zhuǎn)換探頭測(cè)試C6正極端電流波形如圖3，可見明顯的紋波電流。

3 紋波電流分析

分析圖3的高頻電流紋波波形，可以看出主要有下面幾個(gè)特點(diǎn)。

圖3 流過濾波電容電流波形，時(shí)基為20μs/div

（1）高頻紋波電流主要呈現(xiàn)鋸齒波形狀，這點(diǎn)與理論分析相同。

（2）在鋸齒形高頻紋波電流的基礎(chǔ)上，疊加有同頻率、大幅度的高頻正、負(fù)脈沖。其中正脈沖發(fā)生在鋸齒波的波峰處，負(fù)脈沖發(fā)生在鋸齒波的波谷處。正負(fù)脈沖產(chǎn)生的原因主要是主開關(guān)在開通和關(guān)斷的瞬間由器件的寄生參數(shù)引起的。

（3）與鋸齒形高頻紋波電流一起還疊加有工頻電流，在圖中表現(xiàn)為包絡(luò)線形狀，頻率為100 Hz的半波整流形狀。

上述幾個(gè)原因使得高頻紋波電流很難用常規(guī)手段測(cè)量，主要原因是該電流為幾十千赫茲的高頻與工頻的疊加；另外該電流的波形比較復(fù)雜，諧波成份多。

為了準(zhǔn)確的測(cè)量濾波電容的高頻紋波電流，利用現(xiàn)代示波器的快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform/FFT）功能，先將測(cè)定的紋波電流進(jìn)行FFT變換，圖4中的下方圖即為圖3的FFT結(jié)果。

圖4 紋波電流的FFT結(jié)果

調(diào)整X軸比例，可看出紋波電流主要集中在53 kHz，106 kHz，159 kHz，212 kHz，265 kHz，1.99 kHz，2.09 kHz等12個(gè)頻點(diǎn)處。其中前5個(gè)是以頻率53 kHz為基波的各次諧波，另外的一些則是集中在2 kHz附近的諧波。

各主要頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的諧波成份大小見表1。

表1 各主要頻點(diǎn)諧波電流成份的測(cè)試值

將各次諧波取平方根值，就可以得到總的紋波電流大小。經(jīng)計(jì)算總紋波電流達(dá)到：

因使用的是泰克TDS320示波器，對(duì)低頻段（50～200 HZ)無(wú)法變換測(cè)量，但電路里確有其成份存在。

4 結(jié)論

工作溫度是決定電解電容器失效以及由其組成電力電子電路壽命的最關(guān)鍵因素。從外部因素考慮，設(shè)計(jì)電路時(shí)，電解電容器應(yīng)布置在遠(yuǎn)離變壓器、半導(dǎo)體開關(guān)等發(fā)熱器件，并通風(fēng)散熱條件較好的位置，必要時(shí)也可加裝散熱風(fēng)扇。

從內(nèi)部因素考慮，流過濾波電容的脈動(dòng)電流和高頻紋波電流是產(chǎn)生熱損耗的主要原因。要分析和測(cè)試電解電容器在濾波過程中，脈動(dòng)電流和高頻紋波電流的大小，選擇參數(shù)合適電解電容器。避免因脈動(dòng)電流和高頻紋波電流過大，在等效串聯(lián)內(nèi)阻上產(chǎn)生的內(nèi)部熱損，縮短LED驅(qū)動(dòng)電源壽命。

目前絕大部分LED驅(qū)動(dòng)電源都工作在開關(guān)模式，因此流過濾波電容的高頻紋波電流也不是簡(jiǎn)單諧波成份，需要通過傅立葉方法測(cè)試紋波電流成份，得到總的紋波電流，為選擇濾波電容提供科學(xué)依據(jù)，從而延長(zhǎng)LED驅(qū)動(dòng)電源和LED燈具壽命。

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