AC-DC LED驅動電源消除電解電容技術綜述

汪 飛 鐘元旭 阮 毅

AC-DC LED驅動電源消除電解電容技術綜述

汪 飛 鐘元旭 阮 毅

（上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072）

電解電容是影響AC-DC LED驅動電源壽命的主要元件，因此，消除電解電容技術成為LED驅動電源研究的關鍵點。近幾年國內外學者從控制策略或者拓撲結構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、優化拓撲結構兩方面詳述AC-DC LED驅動電源消除電解電容技術的研究現狀，總結出AC-DC LED驅動電源消除電解電容方法的基本思想，并闡述了現有方法的技術原理和應用特點。最后，根據各種消除電解電容技術的綜合性能給出了其應用意見及研究方向。

AC-DC LED驅動電源 消除電解電容 控制策略 優化拓撲結構

1 引言

高亮度發光二極管（High-Brightness Light-Emitting Diodes，HB LEDs）具有光效高、壽命長、體積小、節能環保和易調光等優點[1-2]。近年來隨著LED照明關鍵技術取得重大突破，LED有望成為新一代高效光源[3-4]。目前，LED照明已應用于城市景觀照明、液晶顯示背光源、路燈照明、普通照明、醫療和交通等領域[5-6]。

LED照明光源主要由LED芯片、燈具和驅動器三部分構成。與傳統發光器件不同，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致較大電流波動；②LED是電流型器件，LED的光通量、發光強度、色溫等光學性能指標與流過 LED的平均電流基本呈線性關系；③LED亮度隨PN結溫度升高而下降，較大的電流會導致 PN結溫度升高，從而造成LED壽命降低；④LED發光波長會隨電流變化而發生偏移。因此，為保證LED發光品質及整體照明性能，開發效率高、體積小、壽命長、可靠性高且性能優良的驅動電源是關鍵。

不同功率AC-DC LED驅動電源按其拓撲結構形式可分為單級拓撲、兩級拓撲和多級拓撲[10-14]。在交流供電場合，為了滿足IEC 61000-3-2[15]的諧波要求，LED 驅動電源需要進行輸入功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）。當輸入功率因數PF=1時，瞬時輸入功率呈現 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，高質量電解電容在額定溫度 105℃下，使用壽命一般在 10kh左右[16]，遠低于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驅動電源領域的研究熱點，消除電解電容技術是開發長壽命 LED驅動電源的關鍵。本文對國內外近年來AC-DC LED驅動電源消除電容技術的各種方法進行總結歸類。首先詳細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化拓撲結構兩方面指出了消除電解電容的基本思路，最后對現有消除電解電容的方案進行了分析，并根據消除電解電容技術的性能特點，給出了應用意見與研究方向，為開發高效率無電解電容 LED驅動電源的相關研究提供參考。

2 消除電解電容的根本思想

為了便于闡明AC-DC LED驅動電源瞬時輸入功率、輸出功率和儲能電容的關系，下面以單級拓撲AC-DC LED驅動電源為例進行分析。其分析思路和方法同樣適用于兩級拓撲和多級拓撲的 LED驅動電源。圖1所示為單級拓撲AC-DC LED驅動電源框圖，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 單級拓撲AC-DC LED驅動電源框圖Fig.1 Block diagram of single stage topology AC-DC LED driver

當輸入功率因數 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式為

假設該單級LED驅動電源效率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，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，pin(t)＜po(t)時，儲能電容 Cb放電，其電壓從VC_max下降至VC_min。可以計算出在[TL/8，3TL/8]時段內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。考慮到成本因素，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驅動電源的發展趨勢。通過上述對單級拓撲AC-DC LED驅動電源輸入功率、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，現有消除電解電容的技術手段歸為兩大類：①基于優化控制策略消除電解電容[21-31]；②基于優化拓撲結構消除電解電容[32-46]。

2 基于優化控制策略消除電解電容

2.1 基于優化控制策略消除電解電容的基本思路

當PF=1，po(t)=Po時，輸入功率 pin(t)、輸出功率po(t)與ΔE的關系示意圖如圖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，基于優化控制策略消除電解電容的基本路是：通過優化控制策略減思小pin(t)-po(t)的值，進而實現減小功率脈動差ΔE，最終擺脫對電解電容的依賴。

2.2 無電解電容AC-DC LED驅動電源控制策略

基于上述優化控制策略消除電解電容的基本思路，結合不同場合對功率等級、照明性能指標以及LED驅動電源輸入功率因數等方面的要求，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。基于這種思路，文獻[20-26]采用諧波電流注入法減小輸入功率的脈動，實現消除電解電容的目的。

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

圖4 諧波電流注入LED驅動電源框圖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PF就越小[23]。IEC 1000-3-2中要求輸入功率大于 25W 的照明設備，注入的最大 3次諧波應小于0.3I*PF，其中 I*為基波電流標幺值，PF為驅動電源功率因數。所以，受相關標準對照明設備的規定限制，此類無電解電容 LED驅動電源適用于小功率場合。

2.2.2 脈動電流驅動 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。基于這種思路，可以使用頻率為100Hz的PWM方波電流驅動 LED芯片，使得輸出功率同步于輸入功率的變化，從而擺脫了驅動電源對電解電容的依賴。圖5所示為PWM方波電流驅動LED電源框圖。

圖5 PWM方波電流驅動LED驅動電源框圖Fig.5 Block diagram of LED driver with PWM square wave output current

在實現方法上，方波電流驅動 LED的電路由前級功率因數校正電路和后級 DC-DC方波電流輸出電路組成。這種級聯形式的兩級AC-DC LED驅動電源整機效率較低，并且當對LED進行深度PWM調光時，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電路采用傳統的Boost電路，當 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，進而影響功率因數。

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

2.2.3 動態調節LED負載功率法

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，可以通過動態調節負載功率大小實現。文獻[31]根據LED的模組特性，提出了通過動態調節 LED負載功率消除電解電容的方法。根據輸入功率的變化動態調節LED負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，而且可以在恒流驅動每一串LED的情況下實現功率因數校正。其實現方式如圖 6所示。

圖6 動態調整LED負載功率消除電解電容LED驅動電源框圖Fig.6 Block diagram of LED driver for eliminating electrolytic capacitor based on load power modulation

為方便對LED負載進行動態功率調節，可以將LED負載分成多個模組，通過控制與每個模組相連的 DC-DC恒流調節器的通斷即可控制輸出功率的大小。當輸入功率增大，工作的LED模組就增加，輸入電流也增大。

與傳統Boost型PFC電路工作在斷續狀態下實現功率因數校正不同，通過動態調節負載功率大小來消除電解電容、實現功率因數校正，是一種充分利用 LED模組特性的方法。但是此方案為了達到較高的功率因數，必須增加 LED模組和DC-DC恒流調節器的數量，嚴重依賴LED模組數量，成本過高，所以相對適合應用在大功率場合。

3 基于優化拓撲結構消除電解電容

3.1 基于優化拓撲結構消除電解電容的基本思路

圖7所示為傳統的級聯式兩級AC-DC LED驅動電源功率流動框圖。輸入功率 Pin經過 PFC變換器后將能量儲存在直流母線電容，再經過 DC-DC變換器到達LED負載。

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

假設 PF=1，傳統級聯式驅動電源中 PFC變換器和 DC-DC變換器的效率分別為η1和η2，則驅動電源的整機效率是兩級變換器效率的乘積，即

式中，η1＜1, η2＜1。

所以，級聯式拓撲結構中輸入功率需要經過兩次能量變換才能到達 LED負載，整機效率低；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，一些研究對驅動電路的拓撲結構進行了優化[49-52]。圖7b所示為優化拓撲的功率流動框圖，這些拓撲為功率的流動提供了兩條支路。PFC一次能量變換后的大部分功率經第一條功率支路直接傳送到負載；第二條功率流動支路是PFC變換器之外的DC-DC變換器輔助網絡，經過 PFC一次能量變換后的小部分功率被儲存在電容 Cb上，然后再經過輔助電路進行第二次能量變換傳送到負載。功率因數校正電路保證較高的輸入功率因數，輔助網絡則對LED工作電流進行調節。優化之后的LED驅動電源輸出功率表達式為

式中，κ為經過PFC一次能量變換后直接傳送到負載的功率占總功率的比例系數，且κ＜1。因此，優化拓撲結構的AC-DC LED驅動電源的整機效率為

對比式（10）和式（12）可以看出，優化拓撲結構的整機效率高于傳統的級聯式拓撲結構的整機效率，即

（2）消除電解電容。為了徹底擺脫對電解電容的依賴，依據式（9）的原理，可以將優化拓撲結構中儲能電容Cb電壓設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 驅動電源拓撲結構的基本思路。新型無電解電容 LED驅動電源拓撲結構設計的關鍵是要根據不同的PFC變換器選擇合適的輔助網絡進行有機整合。

3.2 無電解電容AC-DC LED驅動電源拓撲結構

基于上述優化拓撲結構的基本思路，結合各種PFC變換器的特點，通過 PFC變換器和輔助網絡組合和變形的推演思想可以衍生出不同拓撲的無電解電容 LED驅動電源。圖 8所示為部分近年來提出的無電解電容AC-DC LED驅動電源拓撲結構框圖。

圖8 無電解電容AC-DC LED驅動電源拓撲結構框圖Fig.8 Block diagram of the non-electrolytic capacitor AC-DC LED driver topologies

3.2.1 并聯輔助網絡拓撲結構

雖然單級無電解電容驅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負載之間并聯一個雙向變換器[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的驅動電流為恒定電流（見圖 8a），該驅動電源只有儲存在雙向變換器的小部分功率經過了兩次的能量變換，所以效率比級聯的兩極拓撲效率高；為了減小雙向變換器輸出側的儲能電容，儲能電容設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確性，減小 LED驅動電流脈動，可以采用基于電流基準的前饋控制策略優化該驅動電源的性

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行補償，以實現高功率因數；②儲能電容設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的問題。該方案利用優化拓撲結構彌補了諧波電流注入控制方法消除電解電容受功率因數限制的缺陷，并且提高了效率，特別適合大功率場合下的多個LED負載公共適配驅動電源。

3.2.2 集成輔助網絡拓撲結構

圖8c所示為基于PFC電路糅合DC-DC變換器組成的 LED驅動電源[45]。PFC變換器工作在電流斷續模式，實現功率因數校正；輔助網絡中的儲能電容設計為大電壓紋波形式，當輸入功率 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。通過調節DC-DC輔助網絡的工作模式可以為 LED提供恒定工作電流。該驅動電源同樣只有小部分功率經過了兩次的能量變換，所以效率比級聯的兩級拓撲效率高；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 多端口輸出拓撲結構

同樣是基于減少能量變換環節和提高效率的思想，通過組合兩個DC-DC變換器可以實現消除電解電容的目的[46]。其實現框圖見圖 8d，PFC變換器實現功率因數校正，DC-DC變換器通過變換小部分能量調節LED電流。由于儲能電容設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行反相補償。該方案通過兩個 DC-DC變換器的組合優化，利用輸出電壓紋波反相補償的方法消除了電解電容。

4 分析與討論

結合上述各種消除電解電容技術的特點，下表從電路拓撲、是否影響PF、驅動方式、調光方式和適用場合方面進行了對比。

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

從基于控制策略和優化拓撲結構消除電解電容的對比中可看出：前者會影響功率因數，后者不會影響功率因數；由于前者電路拓撲是PFC變換器級聯DC-DC變換器，效率較低，而后者電路拓撲是基于提高效率思路優化，所以效率比前者高。因此，從功率因數和效率方面考慮，基于優化拓撲結構消除電解電容值得深入研究。

從驅動方式的對比可看出，脈動電流驅動法采用低頻PWM電流驅動LED，而不是恒流驅動。為達到消除電解電容的目的，低頻 PWM驅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、發光品質和散熱等性能[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動LED。不僅可以控制驅動電流在額定電流范圍內，而且可以消除低頻驅動電流對LED的影響。

從調光方式的對比可看出，除脈動電流驅動方案采用PWM調光外，其他方案均采用模擬調光方式。模擬調光的原理是通過改變流過 LED 的電流幅值改變 LED的發光亮度。然而，LED屬于電流驅動型器件，驅動電流變化會引起LED結溫變化改變，引起發光材料禁帶寬度變化，最終導致發光波長產生偏移[9,53]，導致照明光源的視覺效果發生變化，影響其光學性能和照明質量。雖然可以在此類LED驅動電源后級加入PWM調光電路，但增加了成本。因此，兼容PWM調光技術的無電解電容LED驅動電源值得進一步深入研究。

對于注入諧波電流的無電解電容 LED驅動電路，雖然單個此類驅動電路可以滿足相關標準對照明設備諧波抑制的規定，但是在實際應用中，數量眾多的此類 LED驅動電源將會給電網帶來諧波污染，影響電能質量和電網的穩定性。為抑制此類驅動電源給電網帶來的諧波，可以在多個 LED驅動電源的總線和電網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，雖然現有的一些LED驅動電源方案可以實現消除電解電容，但是缺少一個基于系統性能、電路性能、發光品質及人眼視覺性能等方面的多層次無電解電容 LED驅動電源綜合評價體系。若能建立此評價體系，可以根據該體系為不同場合選擇LED驅動方案，同時考慮驅動電流、驅動方式、調光方式等因素對LED發光品質、光學性能和人眼視覺舒適性的影響，這將最大程度地發揮LED照明的優勢。

5 結論

消除電解電容技術作為目前 LED驅動電源領域研究的熱點，是開發優質LED驅動電源的關鍵。本文在系統地介紹近年來國內外AC-DC LED驅動電源消除電解電容技術研究進展的基礎之上，結合現有消除電解電容技術，詳細地分析了基于控制策略和優化拓撲結構消除電解電容技術的基本思路。

（1）基于優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、輸出脈動電流驅動法或動態調節 LED負載功率法。

（2）結合優化拓撲轉換效率和增大儲能電容電壓紋波的思路可采用并聯輔助網絡、集成輔助網絡或多端口輸出拓撲結構。

最后，從各種消除電解電容技術的效率、功率因數、驅動方式、調光方式等方面進行分析與討論，并為其推廣應用價值給出了建設性意見及研究方向。

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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電與電能質量控制技術，微電網技術，固態照明驅動。

國家自然科學基金（51107078），臺達環境與教育基金會《電力電子科教發展計劃》（DREG2012006）和教育部留學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照明驅動電源、AC-DC變換器，以及DC-DC變換器。