张 能，张 波，丘东元

(华南理工大学电力学院，广东 广州510640)

1 引言

LED制造工艺以及制造材料发展迅猛，它在景观照明、建筑装饰、电子产品背光等领域已经得到了广泛应用。然而在普通照明以及路灯照明等领域，LED的应用还没有得到大规模的推广，其瓶颈主要在于:一是LED发热量大，温升高，导致寿命缩短;二是易损坏的电解电容在驱动电源中得到使用限制了驱动电源的寿命，导致LED照明系统的寿命进一步缩短。

基于目前的LED绝大多数都是电流驱动型的现状，本文在分析过程中只考虑电流型驱动LED。对于此类型的LED，其光通量几乎与流过它的电流平均值成正比，然而电流越大其发热量也越大，温升越高，会导致其寿命缩短，因此实际使用中，在保证光通量足够大的同时，适当降低电流可以有效地提高照明系统寿命。在进行系统设计的时候，综合分析LED的光－电－热特性，可以在一定程度上解决上述的第一个推广瓶颈。

针对第二个推广瓶颈，可以尝试在驱动电源中应用新技术，避免使用电解电容。许多研究表明，通过对电路拓扑进行改进或者使用新的控制方法，均可实现LED驱动电源的无电解电容化，延长驱动电源寿命，拓展LED的应用领域。

本文分析了电解电容在LED驱动电源中的用途，剖析了现有无电解电容LED驱动电源的研究技术。本文第二部分比较了不同电容的寿命;第三部分分析了电解电容在LED驱动电源中的作用;第四部分介绍了避免使用电解电容的方法;结论在第五部分给出。

2 不同电容的预期寿命

表1比较了三种常见电容，即电解电容、聚酯电容、陶瓷电容在环境温度为50oC时的寿命、使用范围、相同电压等级条件下单位体积最大电容值等性能。

表1 三种不同电容性能比较Tab.1Comparison among three types of capacitors

参考表1可以发现，在相同条件下电解电容可以达到的电容值最大，因此它们在电力电子系统中得到了广泛应用。电解电容的预期使用寿命为［1，2］:式中，Lb是额定电压和温度下的预期寿命;Mv是电压变化系数;Tm是正常工作时的电容最高允许温度;Ta是电容工作时的实际温度。

根据式(1)可知，电解电容工作过程中，在最高工作温度允许范围内，虽然当实际温度每降低10oC时，其使用寿命将增加一倍。然而在LED照明领域，实际温度一般会达到60oC以上，此时，电解电容寿命只有10000h左右，与LED自身寿命差距悬殊。因此，当电解电容在环境温度较高的场合应用时，它将严重影响整个系统的寿命。

图1给出了不同电容随环境温度变化时的寿命变化趋势。参考图1可知，从使用寿命及使用范围方面考虑，聚酯电容是最佳选择。最常用的聚酯电容为聚酯薄膜电容，它具有耗散因数低，适用范围合适，允许通过大的交流电流等优点。

图1 不同电容寿命比较Fig.1 Expected lifetime of three types of capacitors

3电解电容在驱动电路中的作用分析

LED驱动电源大多数都是交流供电，因此需要AC/DC、DC/DC两部分构成。根据美国能源之星［3］等标准的要求，驱动电源功率因数须高于0.9，因此通常要加入功率因数校正(PFC)电路，常用的LED驱动电源电路结构如图2所示。

设输入电压为:假设功率因数为1，则输入电流为:式中，Vm是输入电压的最大值;Im是输入电流的最大值;ω是输入电压的角频率。

由式(2)和式(3)可得瞬时输入功率为:

图2 传统驱动电源电路结构Fig.2 Schematic diagram of conventional LED driver

从式(4)中可以看出，瞬时输入功率由恒定功率VmIm/2和变化功率VmImcos(2ωt)/2两部分组成，平均值为:

对于LED负载，导通后两端电压基本保持不变，设为Vo，用Io表示流过负载的电流，则输出功率保持恒定，为:

比较式(4)和式(6)可知，LED驱动电源的瞬时输入功率和输出功率并不相等，因此需要一个储能元件来平衡输入输出功率，通常这个储能元件都是电解电容。

图3给出了LED驱动电源电路中几个主要参数的波形。从图中可以很清晰地看出在T/8～3T/8时间段内，输入功率一直大于输出功率，此时电解电容吸收多余的能量，其两端电压上升。在3T/8～5T/8时间段内，输入功率一直小于输出功率，此时电解电容释放能量，其两端电压下降。

根据电容自身的储能特性，可以得到:

式中，ΔE表示电容吸收(或释放)的能量，即瞬时输入功率与输出功率之间的差值;VC_max(VC_min)表示电容储能(或释放能量)过程中其两端的最大(最小)值。

由式(7)可得:式中，ΔVC=VC_max－VC_min，表示电容两端电压纹波;VC_av=(VC_max+VC_min)/2，表示电容两端电压平均值。

根据前面的分析可知，只要对电路作适当改善，减小电容值，即可在电路中用其他电容代替电解电容。

图3 LED驱动电源电路中的主要波形图Fig.3 Key waveforms of LED driver

根据式(8)，可以得到如下结论:

(1)在保持ΔE和ΔVC不变的条件下，增大电容两端电压的平均值VC_av，即可减小电容值;

(2)在保持ΔE和VC_av不变的条件下，增大电容两端的纹波电压ΔVC，即可减小电容值;

(3)在保持VC_av和ΔVC不变的条件下，减小瞬时输入功率与输出功率之间的差值ΔE，即可减小电容值。

实际上，在驱动电源设计过程中如果VC_av设计过高，对器件的要求也越高，会造成常用器件不再适用。因此，通常将VC_av设计为400V，依靠结论(2)和结论(3)达到避免使用电解电容的目的。

4 去电解电容的方法

从前面的分析可以看出，LED驱动电源去掉电解电容之后存在的问题主要是如何平衡输入功率与输出功率。很多专家学者为此进行研究，并提出了不同的方法。香港大学的许树源教授率先提出用电感代替电解电容作为储能元件，南京航空航天大学的阮新波教授提出了增大纹波法和向输入电流加入三次和五次谐波等方法，还有其他专家提出了新的电路拓扑。虽然这些方法各不相同，但都是对现有控制方法或功率电路进行改进，其思想大致可以分两类:一是保留原来的拓扑，对控制方法进行改进，后面简称改进控制法;二是构造新的电路拓扑。改进控制方法有两种方法，即允许存在较大的电压纹波和减小输入功率与输出功率之间的差值。构造新电路拓扑有三种方法，分别为用电感代替电容进行储能;在现有电路拓扑中加入辅助电路;加入功率解耦电路。

4.1 增大电压纹波ΔVC

根据前面分析的结论(2)，适当地增大电压纹波，即可减小电容值，用其他电容代替电解电容。文献［4］率先提出了这种方法，并给出了详细的推导过程。经过推导，可以得到电容两端电压平均值、最大值、最小值以及电容值之间的关系，并以此作为电路参数设计的参考。式中，Vm_max表示输入电压最大值。

如图4所示，当电容最小值小于整流后的输入电压时，电路将不能正常工作。因此，利用此方法实现无电解电容时，电容两端电压不能过于小。

图4 电容两端电压与输入电压图Fig.4 Waveforms of voltage of capacitor and input voltage

4.2 减小ΔE

根据前面分析的结论(3)，可以知道减小ΔE，即可减小所需的电容值。文献［4］首次提出了向输入电流注入三次谐波的方法。

注入谐波之前，输入功率与输出功率之间的差值为:

向输入电流注入三次谐波后，输入电流表达式为:

随着输入电流的变化，输入功率也会发生相应的变化:

此时，输入功率与输出功率差值为:

式中，tc表示穿过1的时刻。将式(15)代入式(16)，可以得到:

在文献［4］的基础上，用类似的方法，文献［5］又提出了向输入电流同时注入3次谐波和5次谐波的方法，减小输出电流的峰均比。但是注入谐波的幅值会影响系统的性能，文献［6］详细阐述了选择合适的谐波幅值的方法。

实际上，除了可以向输入电流注入谐波以减小输入功率与输出功率差值外，向输出电流注入谐波［7］也能达到同样的目的。

向输出电流注入谐波后，可以使LED负载在输入功率的最大值附近消耗更多能量，在输入功率最小值附近消耗较少能量，以此减小输入功率与输出功率之间的差值。

4.3 用电感代替电解电容储能

对于电流驱动型LED，要求驱动电源输出恒定电流，但通常用的PFC电路，属于恒压输出结构。文献［8］利用对偶原理，用Buck电路作为PFC电路，提出了用电感代替电解电容储能的电路拓扑，如图5所示。该电路不仅结构简单，寿命长，还能通过调节Buck电路的占空比方便地调节输出电流大小，实现调光。但是由于采用电感作为储能元件，因此电感的电感量很大，电感体积增大，驱动电源的体积也相应增大，功率密度降低。基于上述特性，此拓扑只适用于对可靠性要求较高且对体积要求较低的场合。

图5 文献［8］提出的拓扑Fig.5 Topology proposed in ref.［8］

4.4 增加辅助电路

文献［9］提出了如图6所示的电路拓扑。该拓扑采用峰值电流控制，用数字控制实现自适应频率变化。其最大特点是在输出端采用了Buck－Boost电路结构。

图6 文献［9］提出的拓扑Fig.6 Topology proposed in ref.［9］

文献［10］提出了如图7所示的拓扑，该拓扑虽然结构简单，但是需要严格的设计参数才能实现无电解电容化。

图7 文献［10］提出的拓扑Fig.7 Topology proposed in ref.［10］

结合LED的光－电－热原理［11，12］，文献［13］提出了如图8所示的电路拓扑，该拓扑完全由无源元件构成，结构简单，对环境适应性强，可靠性高。但是此电路拓扑由于需要电感具有较大的电感量，因此造成电源体积增大，功率密度降低。此电路中的填谷电路与通常用于提高电路的功率因数的填谷电路不同，它在电路中的作用是降低输出电压纹波，以此减小输出滤波电感的体积。

图8 文献［13］提出的拓扑Fig.8 Topology proposed in ref.［13］

文献［13］作者在图8所示拓扑的基础上进行改进，提出了一系列类似的电路拓扑，并将它们的性能进行了比较［14］。这类电路都具有体积大、功率密度低的缺陷，只适合用在对体积要求低的场合。

文献［15］在文献［16］的基础上进行改进，提出了如图9所示的电路。

图9 文献［15］提出的拓扑Fig.9 Topology proposed in ref.［15］

该电路在输出端采用twin－bus buck电路结构，效率和功率因数都较高。

在图9所示拓扑的基础上，文献［15］作者进一步提出了如图10所示的电路［17］。

图10 文献［17］提出的拓扑Fig.10 Topology proposed in ref.［17］

该拓扑与图9拓扑相比，多了填谷电路结构。加入填谷电路后，有效地阻断了低频谐波回路，并降低了嵌入电容和输出二极管的电压应力。

通过将Boost电路和反激变换器结合在一起，文献［18］提出如图11所示的电路拓扑。该电路设计的理论基础为:式中，C为电容的容值，其中变化的参数为Po。可以看出，当Po较小时，所需的电容值也相应变小。因此，此电路拓扑只适用于很小功率的场合。

图11 文献［18］提出的拓扑Fig.11 Topology proposed in ref.［18］

文献［19］提出了由功率因数校正、不对称半桥和同步整流三级电路构成的电路拓扑。该拓扑不仅具有电路输出电压低，输出电流大，不含低频纹波的优势，而且在输入电压或者负载变化时，电路可以不受干扰，保持正常工作。此外该拓扑还实现了软开关，能量损耗小，效率可达90%以上。

文献［20］提出了一种适用于路灯照明的无电解电容LED驱动电路拓扑结构。该拓扑采用三级电路结构，其中第一级电路为常见的用Boost电路构成的PFC电路，第二级为电子变压器，第三级为TIBUCK电路。

除了上述方法之外，还可通过利用多个小电容并联［21］，避免使用大电解电容。

4.5 添加功率解耦电路

除上述方法之外，利用功率解耦技术［25］也可以实现无电解电容。根据前面的分析式(4)，可得:令式中，pD(t)为功率解耦电路的功率。则

式(22)可以通过图12清晰地反映出来。功率解耦电路添加方法有两种，如图13所示。文献［22］提出了如图14所示的电路拓扑。该拓扑在反激变换器的输出端并联一个双buck－boost电路，实现功率解耦。

文献［23］提出了如图15所示的电路拓扑。

该拓扑在反激变换器的输入端加上功率解耦电路。电路中开关管工作过程为:主关管Q1保持恒定频率和恒定占空比工作。当输入功率大于输出功率时，开关管Q2保持关闭，开关管Q3工作。当输入功率小于输出功率时，开关管Q2工作，开关管Q3一直导通。

图12功率关系图Fig.12 Waveforms of different power

图13添加功率解耦电路后的电路结构Fig.13 Schematic diagram of driver with power decoupling circuit

图14 文献［22］提出的拓扑Fig.14 Topology proposed in ref.［22］

图15 文献［23］提出的拓扑Fig.15 Topology proposed in ref.［23］

5 结论

本文详细剖析了无电解电容LED驱动电源的现有研究技术，并将上述新拓扑从电路结构复杂程度、电路体积、功率因数、效率等方面进行了比较，如表2所示;将上述通过减小ΔE和增大ΔV实现无电解电容的方法进行了比较，如表3所示。

表2 不同新拓扑性能比较Tab.2 Performance comparison of various topologies

表3 减小ΔE和增大ΔV方法性能比较Tab.3 Performance comparison ofmethods of reducingΔE and increasingΔV

通过比较可以看出目前还没有一种完美的技术实现LED驱动电源无电解电容化。向输入电流注入谐波的方法［4－6］虽然实现了无电解电容化，但是降低了电路的功率因数。向输出电流注入谐波的方法［7］虽然提高了电路的功率因数，但是其输出电流为PWM波形，而用PWM波形电流驱动LED会降低LED的发光效率［24］。不同新拓扑中，有的电路虽然可靠性高，但是体积增大;有的电路虽然性能稳定，但是只适用于小功率等级;有的电路效率高，但是电路结构复杂。

在未来应用中，考虑到从控制电路角度出发，向电路中注入电流谐波可能会对电网造成不可与之的干扰，因此应该尽量寻求使用新电路拓扑实现LED驱动电源的无电解电容化，功率解耦技术将在构造无电解电容驱动电源过程中得到进一步应用。

［1］Maddula SK，Balda JC.Lifetime of electrolytic capacitors in regenerative induction motor drives［A］.PESC’05［C］.2005.153－159.

［2］Parler SG.Application guide:aluminum electrolytic capacitors［ON］.www.cornell－dubilier.com.

［3］ENERGY STAR Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires［S］.Washington，D.C.:U.S.Environmental Protection Agency and U.S.Department of Energy，2007.

［4］Gu Linlin，Ruan Xinbo，Xu Ming，etal.Means of eliminating electrolytic capacitor in AC/DC power supplies for LED lightings［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(5):1399－1408.

［5］Wang Beibei，Ruan Xinbo，Yao Kai，et al.A method of reducing the peak－to－average ratio of LED current for electrolytic capacitor－less AC–DC drivers［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(3):592－601.

［6］Ruan Xinbo，Wang Beibei，Yao Kai，et al.Optimum injected currentharmonics tominimize peak－to－average ratio of LED current for electrolytic capacitor－less AC–DC drivers［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(7):1820－1825.

［7］Ni Jianjun，Zhang Fanghua，Yu Yijie，et al.High power factor，low voltage stress，LED driver without electrolytic capacitor［A］.International Conference on Power Engineering，Energy and Electrical Drives(POWERENG)［C］.2011.1－6.

［8］Qin Y X，Chung H SH，Lin D Y，et al.Current source ballast for high power lighting emitting diodes without electrolytic capacitor［A］.IECON 2008［C］.2008.1968－1973.

［9］Garcia J，Calleja A J，Corominas E L，et al.Electronic driver without electrolytic capacitor for dimming high brightness LEDs［A］.IECON'09［C］.2009.3518－3523.

［10］Zhang Bo，Yang Xu，Xu Ming，et al.Design of Boostflyback single－stage PFC converter for LED power supply without electrolytic capacitor for energy－storage［A］.IPEMC'09［C］.2009.1668－1671.

［11］Hui S Y R，Qin Y X.A general photo－electro－thermal theory for LED systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(8):1967－1976.

［12］Qin Y X，Hui SY R.Comparative study on the structural designs of LED devices and systems based on the general photo－electro－thermal theory［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(2):507－513.

［13］Hui SY R，Li SN，Tao X H，etal.A novel passive offline light－emitting diode(LED)driver with long lifetime［A］.APEC［C］.2010.594－600.

［14］Chen W，Li SN，Hui SY R.A comparative study on the circuit topologies for offline passive light－emitting diode(LED)drivers with long lifetime＆high efficiency［A］.ECCE［C］.2010.724－730.

［15］Ma Hongbo，Yu Wensong，Zheng Cong，et al.A universal－input high power factor PFC pre－regulatorwithoutelectrolytic capacitor for PWM dimming LED lighting application［A］.ECCE［C］.2011.2288－2295.

［16］Schenk K，Cuk S.A single－switch single－stage active power factor corrector with high quality input and output［A］.PESC’97［C］.1997.

［17］Ma Hongbo，Lai Jih Sheng，Feng Quanyuan，etal.A novel valley－fill SEPIC－derived power supply withoutelectro－lytic capacitors for LED lighting application［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6):3057－3071.

［18］Li Yan Cun，Chen Chern Lin.Single－stage electrolyticcapacitors－free AC－to－DC LED driving circuit with highpower－factor［A］.APPEEC［C］.2012.1－4.

［19］Arias M，Fernández Diaz M，Lamar D G，etal.High－efficiency asymmetrical half－bridge converter without electrolytic capacitor for low－output－voltage ac－dc LED drivers［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5):2539－2550.

［20］Arias M，Lamar D G，Sebastian J，et al.High－efficiency LED driver without electrolytic capacitor for street lighting［A］.APEC［C］.2012.1224－1231.

［21］Myunghyo Ryu，Jonghyun Kim，Juwon Baek，et al.New multi－channel LEDs driving methods using current transformer in electrolytic capacitor－less AC－DC drivers［A］.APEC［C］.2012.2361－2367.

［22］Wang Shu，Ruan Xinbo，Yao Kai，etal.A flicker－free electrolytic capacitor－less AC–DC LED driver［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(11):4540－4548.

［23］Chen Wu，Hui S Y R.Elimination of an electrolytic capacitor in AC/DC light－emitting diode(LED)driver with high input power factor and constant output current［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(3):1598－1607.

［24］Simone Buso，Giorgio Spiazzi，Matteo Meneghini，et al.Performance degradation of high－brightness light emitting diodes under DC and pulsed bias［J］.IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，2008，8(2):312－322.

［25］Krein P T，Balog R S.Cost－effective hundred－year life for single－phase inverters and rectifiers in solar and LED lighting applications based on minimum capacitance requirements and a ripple power port［A］.APEC［C］.2009.620－625.