一種LED驅動電源用電解電容器的失效原理分析

文 浩，劉超英，劉泳澎

（1.廣東省肇慶市質量計量監(jiān)督檢測所，廣東肇慶 526070；2.肇慶學院電子信息與機電工程學院，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，它的第一個優(yōu)點是電-光轉換效率高，根據美國Lumileds公司的實驗，用14瓦的紅色LED作為交通信號燈，其產生的光通量與140瓦傳統白熾燈的效果相同，均為2 200流明。隨著科技的進步，綠色、黃色、藍色以及白色的LED燈均已開發(fā)出來，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燈的耗電僅為傳統燈具的四分之一到十分之一[1-3]。正是由于這一優(yōu)點，特別是白光LED的出現，促進了LED研究開發(fā)的新發(fā)展，目前LED燈具正在取代白熾燈、日光燈等傳統照明燈具，進入到需要照明的各個場合以及千家萬戶。

LED的第二個優(yōu)點是壽命長，這里所說的壽命長是指LED發(fā)光單體的壽命，并不是指以LED為發(fā)光器件、包括驅動電源在內的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高壓的交流（AC）電。因此，市場見到的LED燈具均為以LED發(fā)光體為核心、并配備具有一定驅動電流和功率的驅動電源組成的合成體[4-6]。根據調查，目前LED燈具的壽命主要受LED驅動電源壽命的影響。LED驅動電源是一種電力電子電路，一般由半導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驅動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幾千甚至上萬小時，但是使用不當會造成電解電容器的快速失效。本文主要分析一款LED驅動電源中電解電容器失效的原因，為后續(xù)驅動電源設計提供一定的借鑒。

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。因為此特點，電解電容器在電力電子線路中主要作為濾波電容使用。電解電容器的缺點是壽命相對短，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。一個標稱5 000小時/105oC的電解電容器，當工作溫度超過105oC后，溫度每增加10oC，其壽命就會縮短二分之一。如果工作溫度長期為155oC，其壽命就會縮短到625小時。因此降低工作溫度是提高電解電容器以及整個電力電子電路壽命最有效的方法[7-8]。

在濾波過程中，電解電容器需要長期經受脈動電流、高頻紋波電流的沖擊。電解電容器除了一般的額定電壓、容值等主要技術參數外，對其充放電紋波電流也有嚴格的限制，這樣才能保證整個電路的安全可靠運行。大量的理論和實踐經驗都證明，脈動電流和紋波電流對電解電容器最主要的影響是使其發(fā)熱，引起內部電解液膨脹、甚至蒸發(fā)，最后導致電解電容器失效[8]。

等效串聯電阻（Equivalent series resistors/ESR）是衡量電容器以及電池等器件的物理參數，是一個等效的與理想電容器（或電池）以串聯形式聯接在一起的寄生參數，在電池里也叫內阻。電解電容器的ESR相對比較大，一般為數十毫歐姆到十幾歐姆，當紋波電流或脈動電流流過ESR就會產生一定的功率損耗，使電容器發(fā)熱。

根據電功率的一般計算理論，功率等于電流與電壓的乘積，具體到一個電阻，其功率損耗則等于該電阻與流過該電阻電流的平方之積。可以推出，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。由于該功率損耗產生的熱位居于電解電容器的內部，它比外部的傳導來的熱更具危害性，會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，就會使電容器因核心（素子）過熱而導致失效或損壞。

2 測試方法

2.1 測試電路

目前，LED驅動電源種類繁多，簡單的有電容/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工作模式，例如反激（flyback）式、前饋（forwards）式等[9-11]。為了提高電能轉換效率、減小驅動器體積，其工作原理都是先進行工頻（50 Hz）整流和濾波、再通過半導體開關進行高頻（10 kHz～100 kHz量級）塹波、高頻電壓變換、二次高頻整流和濾波等幾個環(huán)節(jié)完成從工頻市電到低壓直流電的變換，最后驅動LED燈。

圖1 測試對象和測試點

電解電容器的作用是進行一次（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容。圖1是一個flyback式LED驅動器經過高頻變換之后的輸出端，其中電解電容器C6并聯在負載兩端起濾波作用。

2.2 測試方法

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

測試方法：驅動器輸出端接上負載LED燈，在額定功率下穩(wěn)定工作半個小時開始測量。

（1）用示波器探頭直接測試C6的電壓波形如圖2（時基每格是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變比的電流轉換探頭測試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特點。

圖3 流過濾波電容電流波形，時基為20μs/div

（1）高頻紋波電流主要呈現鋸齒波形狀，這點與理論分析相同。

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

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

上述幾個原因使得高頻紋波電流很難用常規(guī)手段測量，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雜，諧波成份多。

為了準確的測量濾波電容的高頻紋波電流，利用現代示波器的快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform/FFT）功能，先將測定的紋波電流進行FFT變換，圖4中的下方圖即為圖3的FFT結果。

圖4 紋波電流的FFT結果

調整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個頻點處。其中前5個是以頻率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。

各主要頻點對應的諧波成份大小見表1。

表1 各主要頻點諧波電流成份的測試值

將各次諧波取平方根值，就可以得到總的紋波電流大小。經計算總紋波電流達到：

因使用的是泰克TDS320示波器，對低頻段（50～200 HZ)無法變換測量，但電路里確有其成份存在。

4 結論

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鍵因素。從外部因素考慮，設計電路時，電解電容器應布置在遠離變壓器、半導體開關等發(fā)熱器件，并通風散熱條件較好的位置，必要時也可加裝散熱風扇。

從內部因素考慮，流過濾波電容的脈動電流和高頻紋波電流是產生熱損耗的主要原因。要分析和測試電解電容器在濾波過程中，脈動電流和高頻紋波電流的大小，選擇參數合適電解電容器。避免因脈動電流和高頻紋波電流過大，在等效串聯內阻上產生的內部熱損，縮短LED驅動電源壽命。

目前絕大部分LED驅動電源都工作在開關模式，因此流過濾波電容的高頻紋波電流也不是簡單諧波成份，需要通過傅立葉方法測試紋波電流成份，得到總的紋波電流，為選擇濾波電容提供科學依據，從而延長LED驅動電源和LED燈具壽命。

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