汪 飞 钟元旭 阮 毅

AC-DC LED驱动电源消除电解电容技术综述

汪 飞 钟元旭 阮 毅

（上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072）

电解电容是影响AC-DC LED驱动电源寿命的主要元件，因此，消除电解电容技术成为LED驱动电源研究的关键点。近几年国内外学者从控制策略或者拓扑结构等方面相继提出了一些消除电解电容的方法。本文基于控制策略、优化拓扑结构两方面详述AC-DC LED驱动电源消除电解电容技术的研究现状，总结出AC-DC LED驱动电源消除电解电容方法的基本思想，并阐述了现有方法的技术原理和应用特点。最后，根据各种消除电解电容技术的综合性能给出了其应用意见及研究方向。

AC-DC LED驱动电源 消除电解电容 控制策略 优化拓扑结构

1 引言

高亮度发光二极管（High-Brightness Light-Emitting Diodes，HB LEDs）具有光效高、寿命长、体积小、节能环保和易调光等优点[1-2]。近年来随着LED照明关键技术取得重大突破，LED有望成为新一代高效光源[3-4]。目前，LED照明已应用于城市景观照明、液晶显示背光源、路灯照明、普通照明、医疗和交通等领域[5-6]。

LED照明光源主要由LED芯片、灯具和驱动器三部分构成。与传统发光器件不同，LED芯片具有独特的光-电-热（Photo-Electro-Thermal, PET）特性[7-9]：①LED是低压直流器件，很小的正向电压波动会导致较大电流波动；②LED是电流型器件，LED的光通量、发光强度、色温等光学性能指标与流过 LED的平均电流基本呈线性关系；③LED亮度随PN结温度升高而下降，较大的电流会导致 PN结温度升高，从而造成LED寿命降低；④LED发光波长会随电流变化而发生偏移。因此，为保证LED发光品质及整体照明性能，开发效率高、体积小、寿命长、可靠性高且性能优良的驱动电源是关键。

不同功率AC-DC LED驱动电源按其拓扑结构形式可分为单级拓扑、两级拓扑和多级拓扑[10-14]。在交流供电场合，为了满足IEC 61000-3-2[15]的谐波要求，LED 驱动电源需要进行输入功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）。当输入功率因数PF=1时，瞬时输入功率呈现 2倍输入电压频率的脉动形式。为保证 LED的输出功率恒定，通常会选用容量较大的电解电容来匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡。然而，高质量电解电容在额定温度 105℃下，使用寿命一般在 10kh左右[16]，远低于LED芯片80～100kh的寿命[17]，所以电解电容是影响LED照明光源整体寿命的主要元件[18]。

作为 LED驱动电源领域的研究热点，消除电解电容技术是开发长寿命 LED驱动电源的关键。本文对国内外近年来AC-DC LED驱动电源消除电容技术的各种方法进行总结归类。首先详细分析了消除电解电容的根本思想，然后分别从控制策略和优化拓扑结构两方面指出了消除电解电容的基本思路，最后对现有消除电解电容的方案进行了分析，并根据消除电解电容技术的性能特点，给出了应用意见与研究方向，为开发高效率无电解电容 LED驱动电源的相关研究提供参考。

2 消除电解电容的根本思想

为了便于阐明AC-DC LED驱动电源瞬时输入功率、输出功率和储能电容的关系，下面以单级拓扑AC-DC LED驱动电源为例进行分析。其分析思路和方法同样适用于两级拓扑和多级拓扑的 LED驱动电源。图1所示为单级拓扑AC-DC LED驱动电源框图，其中 PFC变换器可以是隔离型的 Flyback电路、Forward电路、半桥电路和全桥电路，也可以是非隔离型的Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、SEPIC电路、Cuk电路和Zeta电路等，其中Cb为储能电容。

图1 单级拓扑AC-DC LED驱动电源框图Fig.1 Block diagram of single stage topology AC-DC LED driver

当输入功率因数 PF=1时，输入电压、输入电流可表示为

式中，Vm为输入交流电压幅值；Im为输入交流电流幅值；ω 为输入交流电压角频率，ω=2π/TL，其中TL为输入交流电压周期。由式（1）和式（2）可得瞬时输入功率表达式为

假设该单级LED驱动电源效率η =100%，输出功率恒定，即 po(t)=Po，那么平均输入功率等于输出功率，即

因此，瞬时输入功率也可以表示为

图 2所示为当po(t)=Po，PF=1时，输入电压、输入电流、瞬时输入功率、输出功率和储能电容电压的理想波形。其中，ΔVC是储能电容 Cb的纹波电压，ΔVC=VC_max-VC_min，VC_max和 VC_min分别为 Cb电压的最大值和最小值。从图2可以看出当输入电压和输入电流是理想正弦波时(PF=1)，瞬时输入功率和输出功率之间存在一个大小为Pocos2ωt的脉动功率（见图中阴影部分），通常会使用储能电容来平衡该功率脉动。

图2 当po(t)=Po，PF=1时，输入电压、输入电流、瞬时输入输出功率和储能电容电压的波形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]时段内，pin(t)＞po(t)，储能电容Cb充电，其电压从 VC_min上升至 VC_max；在[3TL/8，5TL/8]时段内，pin(t)＜po(t)时，储能电容 Cb放电，其电压从VC_max下降至VC_min。可以计算出在[TL/8，3TL/8]时段内Cb充入的能量ΔE为

式中，ts为储能电容充电开始时刻；te为储能电容充电结束时刻。同时，ΔE也可以表示为

式中，VC_ave为储能电容的平均电压；ΔVC为储能电容的纹波电压。由式（6）和式（7）可得储能电容容值为

也可以表示为

由式（9）可知，为了减小输出纹波电压ΔVC，在Po、VC_ave、ω保持不变的情况下只能增大储能电容容值。考虑到成本因素，大容值储能电容通常选用电解电容，而电解电容使用寿命一般在 10kh左右，远低于LED芯片80～100kh寿命，所以电解电容是影响LED照明光源整体寿命的主要元件。

虽然可以使用感性储能元件替代储能电容[19-20]，但感性元件体积大、损耗大、功率密度低，并不适合 LED驱动电源的发展趋势。通过上述对单级拓扑AC-DC LED驱动电源输入功率、输出功率和储能电容的分析可知，消除电解电容的根本思想包括：①由式（8）可知，减小输入功率与输出功率在半个工频周期中的功率脉动差 ΔE，可以减小储能电容容值；②由式（9）可知，增大储能电容纹波电压ΔVC，可以减小储能电容容值。

基于上述消除电解电容的根本思想，现有消除电解电容的技术手段归为两大类：①基于优化控制策略消除电解电容[21-31]；②基于优化拓扑结构消除电解电容[32-46]。

2 基于优化控制策略消除电解电容

2.1 基于优化控制策略消除电解电容的基本思路

当PF=1，po(t)=Po时，输入功率 pin(t)、输出功率po(t)与ΔE的关系示意图如图3a所示，其中ΔE为输入功率与输出功率在半个周期中的功率脉动差。

图3 输入功率、输出功率波形与ΔE示意图Fig.3 Schematic diagram of input power, output power and ΔE

由式（8）可知，通过减小功率脉动差ΔE可以减小储能电容容值；又由式（6）可知，可以通过减小pin(t)-po(t)的值减小ΔE。因此，减小ΔE值的实现方式有两种：

（1）如图3b所示，若输出功率po(t)=Po恒定不变，减小输入功率pin(t)的脉动大小可以减小 pin(t)-po(t)，进而减小ΔE。

（2）如图 3c所示，若输入功率 pin(t)保持 2倍工频脉动形式不变，控制输出功率po(t)的大小使其尽量同步于输入功率脉动可以减小 pin(t)-po(t)，进而减小ΔE。

从图 3输入功率、输出功率波形与 ΔE的示意图可以看出，基于优化控制策略消除电解电容的基本路是：通过优化控制策略减思小pin(t)-po(t)的值，进而实现减小功率脉动差ΔE，最终摆脱对电解电容的依赖。

2.2 无电解电容AC-DC LED驱动电源控制策略

基于上述优化控制策略消除电解电容的基本思路，结合不同场合对功率等级、照明性能指标以及LED驱动电源输入功率因数等方面的要求，可以采用不同的控制策略消除电解电容。

2.2.1 谐波电流注入法

为减小pin(t)-po(t)，可以通过减小输入功率pin(t)的脉动实现。基于这种思路，文献[20-26]采用谐波电流注入法减小输入功率的脉动，实现消除电解电容的目的。

图4为恒流输出两级AC-DC LED驱动电源框图，由前级功率因数校正电路和后级DC-DC恒流调节器组成。与传统控制方式不同，为了减小输入功率脉动进而减小ΔE，谐波电流注入法通过优化功率因数校正电路的控制策略，在输入电流中注入一定量谐波电流，从而实现减小电容容值的目的。

图4 谐波电流注入LED驱动电源框图Fig.4 Block diagram of LED driver with the harmonic injection

在输入电流中注入谐波虽然可以减小电容容值，但是需要进一步减小电容容值就需要提高注入谐波的幅值，而注入谐波幅值越大，功率因数PF就越小[23]。IEC 1000-3-2中要求输入功率大于 25W 的照明设备，注入的最大 3次谐波应小于0.3I*PF，其中 I*为基波电流标幺值，PF为驱动电源功率因数。所以，受相关标准对照明设备的规定限制，此类无电解电容 LED驱动电源适用于小功率场合。

2.2.2 脉动电流驱动 LED法

为减小 pin(t)-po(t)，可以控制输出功率使其在输入功率的峰值处多消耗能量，在输入功率的谷值处少消耗或者不消耗能量[27-30]。使得输出功率脉动尽量同步于输入功率的变化，从而可使用长寿命的低容值电容（如薄膜电容等）取代短寿命的电解电容。基于这种思路，可以使用频率为100Hz的PWM方波电流驱动 LED芯片，使得输出功率同步于输入功率的变化，从而摆脱了驱动电源对电解电容的依赖。图5所示为PWM方波电流驱动LED电源框图。

图5 PWM方波电流驱动LED驱动电源框图Fig.5 Block diagram of LED driver with PWM square wave output current

在实现方法上，方波电流驱动 LED的电路由前级功率因数校正电路和后级 DC-DC方波电流输出电路组成。这种级联形式的两级AC-DC LED驱动电源整机效率较低，并且当对LED进行深度PWM调光时，储能电容的纹波峰值电压将增高，纹波谷值电压降低。如果前级的PFC电路采用传统的Boost电路，当 Boost电路的输出电压（储能电容上的电压）小于输入电压时，将会影响其正常工作，进而影响功率因数。

更值得注意的是，与恒流驱动LED不同，低频PWM方波电流驱动LED，需要全面考虑其对LED发光品质、可靠性和寿命的影响[47-48]。同时也需要根据LED光-电-热理论，考虑低频PWM方波电流对LED光学性能（包括发光波长、发光强度、色温、发光效率、闪烁和散热等）和热性能（包括结温、热阻等）的影响，建立完善的低频 PWM方波电流驱动LED的综合性能评价体系。

2.2.3 动态调节LED负载功率法

同样是为了在输入功率峰值处多消耗能量，在输入功率谷值处少消耗或者不消耗能量，可以通过动态调节负载功率大小实现。文献[31]根据LED的模组特性，提出了通过动态调节 LED负载功率消除电解电容的方法。根据输入功率的变化动态调节LED负载功率使其同步于输入功率的变化，可以减小 pin(t)-po(t)的值进而减小 ΔE。这种方法不仅可以消除电解电容，而且可以在恒流驱动每一串LED的情况下实现功率因数校正。其实现方式如图 6所示。

图6 动态调整LED负载功率消除电解电容LED驱动电源框图Fig.6 Block diagram of LED driver for eliminating electrolytic capacitor based on load power modulation

为方便对LED负载进行动态功率调节，可以将LED负载分成多个模组，通过控制与每个模组相连的 DC-DC恒流调节器的通断即可控制输出功率的大小。当输入功率增大，工作的LED模组就增加，输入电流也增大。

与传统Boost型PFC电路工作在断续状态下实现功率因数校正不同，通过动态调节负载功率大小来消除电解电容、实现功率因数校正，是一种充分利用 LED模组特性的方法。但是此方案为了达到较高的功率因数，必须增加 LED模组和DC-DC恒流调节器的数量，严重依赖LED模组数量，成本过高，所以相对适合应用在大功率场合。

3 基于优化拓扑结构消除电解电容

3.1 基于优化拓扑结构消除电解电容的基本思路

图7所示为传统的级联式两级AC-DC LED驱动电源功率流动框图。输入功率 Pin经过 PFC变换器后将能量储存在直流母线电容，再经过 DC-DC变换器到达LED负载。

图7 LED驱动电源功率流动框图Fig.7 Block diagrams of power flow inside LED drivers

假设 PF=1，传统级联式驱动电源中 PFC变换器和 DC-DC变换器的效率分别为η1和η2，则驱动电源的整机效率是两级变换器效率的乘积，即

式中，η1＜1, η2＜1。

所以，级联式拓扑结构中输入功率需要经过两次能量变换才能到达 LED负载，整机效率低；虽然通过增大直流母线电容的纹波电压可以在一定程度上减小电解电容容值，但是直流母线纹波电压无限增大会影响 PFC变换器正常工作。所以高效率无电解电容 LED驱动电源可以从以下两方面思考：

（1）提高效率。为了提高效率，一些研究对驱动电路的拓扑结构进行了优化[49-52]。图7b所示为优化拓扑的功率流动框图，这些拓扑为功率的流动提供了两条支路。PFC一次能量变换后的大部分功率经第一条功率支路直接传送到负载；第二条功率流动支路是PFC变换器之外的DC-DC变换器辅助网络，经过 PFC一次能量变换后的小部分功率被储存在电容 Cb上，然后再经过辅助电路进行第二次能量变换传送到负载。功率因数校正电路保证较高的输入功率因数，辅助网络则对LED工作电流进行调节。优化之后的LED驱动电源输出功率表达式为

式中，κ为经过PFC一次能量变换后直接传送到负载的功率占总功率的比例系数，且κ＜1。因此，优化拓扑结构的AC-DC LED驱动电源的整机效率为

对比式（10）和式（12）可以看出，优化拓扑结构的整机效率高于传统的级联式拓扑结构的整机效率，即

（2）消除电解电容。为了彻底摆脱对电解电容的依赖，依据式（9）的原理，可以将优化拓扑结构中储能电容Cb电压设计为含较大纹波的形式，即可减小储能电容容值。

上述思路是高效率无电解电容 LED 驱动电源拓扑结构的基本思路。新型无电解电容 LED驱动电源拓扑结构设计的关键是要根据不同的PFC变换器选择合适的辅助网络进行有机整合。

3.2 无电解电容AC-DC LED驱动电源拓扑结构

基于上述优化拓扑结构的基本思路，结合各种PFC变换器的特点，通过 PFC变换器和辅助网络组合和变形的推演思想可以衍生出不同拓扑的无电解电容 LED驱动电源。图 8所示为部分近年来提出的无电解电容AC-DC LED驱动电源拓扑结构框图。

图8 无电解电容AC-DC LED驱动电源拓扑结构框图Fig.8 Block diagram of the non-electrolytic capacitor AC-DC LED driver topologies

3.2.1 并联辅助网络拓扑结构

虽然单级无电解电容驱动电源可以通过控制LED的平均电流来控制 LED的光通量，但是由于没有电解电容，输出电流脉动大、峰值电流大，容易造成频闪和 LED的损坏。为此，可以在 PFC变换器输出端和 LED负载之间并联一个双向变换器[32-36]，使其输入电流等于脉动电流中的 2倍工频交流分量，这样 LED的驱动电流为恒定电流（见图 8a），该驱动电源只有储存在双向变换器的小部分功率经过了两次的能量变换，所以效率比级联的两极拓扑效率高；为了减小双向变换器输出侧的储能电容，储能电容设计为含有较大电压纹波的形式。为了提高双向变换器对2倍输入频率交流电流吸收的准确性，减小 LED驱动电流脉动，可以采用基于电流基准的前馈控制策略优化该驱动电源的性

能[37]。

同理，也可以在整流桥输出端和主DC-DC变换电路输入端之间并入双向变换器[38]（见图 8b）。双向变换器作用是：①对输入端的电流波形进行补偿，以实现高功率因数；②储能电容设计为含有较大电压纹波的形式，适时地吸收和释放功率，平衡输入、输出之间的瞬时功率以实现无电解电容。因为双向变换器的存在，可以通过在主DC-DC变换电路的输入电流中注入谐波解决输出端的电解电容问题，而不需要考虑功率因数的问题。该方案利用优化拓扑结构弥补了谐波电流注入控制方法消除电解电容受功率因数限制的缺陷，并且提高了效率，特别适合大功率场合下的多个LED负载公共适配驱动电源。

3.2.2 集成辅助网络拓扑结构

图8c所示为基于PFC电路糅合DC-DC变换器组成的 LED驱动电源[45]。PFC变换器工作在电流断续模式，实现功率因数校正；辅助网络中的储能电容设计为大电压纹波形式，当输入功率 pin(t)高于输出功率 po(t)时，多余的能量将存储于储能电容中；而当输入功率 pin(t)低于输出功率 po(t)时，不足的能量将由储能电容提供。通过调节DC-DC辅助网络的工作模式可以为 LED提供恒定工作电流。该驱动电源同样只有小部分功率经过了两次的能量变换，所以效率比级联的两级拓扑效率高；同时，由于储能电容的电压纹波较大，需要的储能电容很小，可以采用其他类型的长寿命电容替代电解电容。

3.2.3 多端口输出拓扑结构

同样是基于减少能量变换环节和提高效率的思想，通过组合两个DC-DC变换器可以实现消除电解电容的目的[46]。其实现框图见图 8d，PFC变换器实现功率因数校正，DC-DC变换器通过变换小部分能量调节LED电流。由于储能电容设计为含有较大电压纹波的形式，所以 PFC变换器输出端的大电压纹波若未消除将会会引发频闪问题，甚至损坏 LED芯片。为了减小PFC变换器输出纹波对LED的影响，该方案通过控制 DC-DC变换器的输出电压对 PFC变换器的低频输出电压纹波进行反相补偿。该方案通过两个 DC-DC变换器的组合优化，利用输出电压纹波反相补偿的方法消除了电解电容。

4 分析与讨论

结合上述各种消除电解电容技术的特点，下表从电路拓扑、是否影响PF、驱动方式、调光方式和适用场合方面进行了对比。

表 各种消除电解电容技术的比较Tab. The comparison between different technologies of eliminating the electrolytic capacitor

从基于控制策略和优化拓扑结构消除电解电容的对比中可看出：前者会影响功率因数，后者不会影响功率因数；由于前者电路拓扑是PFC变换器级联DC-DC变换器，效率较低，而后者电路拓扑是基于提高效率思路优化，所以效率比前者高。因此，从功率因数和效率方面考虑，基于优化拓扑结构消除电解电容值得深入研究。

从驱动方式的对比可看出，脉动电流驱动法采用低频PWM电流驱动LED，而不是恒流驱动。为达到消除电解电容的目的，低频 PWM驱动电流峰值需要高于LED的额定电流，这将影响LED寿命；并且低频PWM电流影响 LED的光效、发光品质和散热等性能[7-8]。为改善此方案，建议基于原方案的基本原理，采用高频 PWM电流或三角波电流驱动LED。不仅可以控制驱动电流在额定电流范围内，而且可以消除低频驱动电流对LED的影响。

从调光方式的对比可看出，除脉动电流驱动方案采用PWM调光外，其他方案均采用模拟调光方式。模拟调光的原理是通过改变流过 LED 的电流幅值改变 LED的发光亮度。然而，LED属于电流驱动型器件，驱动电流变化会引起LED结温变化改变，引起发光材料禁带宽度变化，最终导致发光波长产生偏移[9,53]，导致照明光源的视觉效果发生变化，影响其光学性能和照明质量。虽然可以在此类LED驱动电源后级加入PWM调光电路，但增加了成本。因此，兼容PWM调光技术的无电解电容LED驱动电源值得进一步深入研究。

对于注入谐波电流的无电解电容 LED驱动电路，虽然单个此类驱动电路可以满足相关标准对照明设备谐波抑制的规定，但是在实际应用中，数量众多的此类 LED驱动电源将会给电网带来谐波污染，影响电能质量和电网的稳定性。为抑制此类驱动电源给电网带来的谐波，可以在多个 LED驱动电源的总线和电网之间上加入谐波抑制装置，但会增加成本。

最后，从上述讨论与分析中可看出，虽然现有的一些LED驱动电源方案可以实现消除电解电容，但是缺少一个基于系统性能、电路性能、发光品质及人眼视觉性能等方面的多层次无电解电容 LED驱动电源综合评价体系。若能建立此评价体系，可以根据该体系为不同场合选择LED驱动方案，同时考虑驱动电流、驱动方式、调光方式等因素对LED发光品质、光学性能和人眼视觉舒适性的影响，这将最大程度地发挥LED照明的优势。

5 结论

消除电解电容技术作为目前 LED驱动电源领域研究的热点，是开发优质LED驱动电源的关键。本文在系统地介绍近年来国内外AC-DC LED驱动电源消除电解电容技术研究进展的基础之上，结合现有消除电解电容技术，详细地分析了基于控制策略和优化拓扑结构消除电解电容技术的基本思路。

（1）基于优化控制策略减小输入、输出功率在半个工频周期中的功率脉动差思路，如输入谐波注入法、输出脉动电流驱动法或动态调节 LED负载功率法。

（2）结合优化拓扑转换效率和增大储能电容电压纹波的思路可采用并联辅助网络、集成辅助网络或多端口输出拓扑结构。

最后，从各种消除电解电容技术的效率、功率因数、驱动方式、调光方式等方面进行分析与讨论，并为其推广应用价值给出了建设性意见及研究方向。

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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 飞 男，1981年生，博士，副教授，研究方向为新能源发电与电能质量控制技术，微电网技术，固态照明驱动。

国家自然科学基金（51107078），台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》（DREG2012006）和教育部留学回国科研启动基金资助项目。

2013-11-18 改稿日期 2014-01-18

钟元旭 男，1988年生，硕士研究生，研究方向为LED照明驱动电源、AC-DC变换器，以及DC-DC变换器。