刘超英，高 康

（1.肇庆学院 电子与电气工程学院,广东 肇庆 526061；2.国家建筑五金产品质量监督监测中心（广东），广东 肇庆 526000）

0 引言

LED灯具是继白炽灯、日光灯和节能灯之后发展起来的第4代照明光源，其主要优点是电-光转换效率高.根据美国Lumileds公司的实验，一个14 W的红色LED交通信号灯与140 W传统白炽灯的光通量相同，可达2 200 LM.总体上讲，LED灯的耗电仅为传统灯具的1/5～1/10.基于这一优点，LED灯具正在取代传统的白炽灯、日光灯、节能灯等灯具，成为照明灯具的主流.

由于生产技术、生产条件的不同，有些LED灯具的寿命还相对较短，没有充分发挥出LED灯珠寿命长的优势，这一缺陷影响了LED灯具的推广使用.研究影响LED灯具寿命的原因，以及如何通过技术方法消除这些缺陷的方案，可以为开发长寿命的LED灯具提供技术路线；对于建设节能减排、绿色发展社会具有一定的现实意义.

1 LED照明灯具的组成

LED灯具不同于常见的LED器件，它是由以LED发光器件、LED驱动电源、散光板以及必要的支撑架、外观装饰等组成，详见图1.

图1 LED照明灯具的组成框图

LED各部分的作用如下：

1）LED发光器件.它是将电能转换成照明光源的核心器件，要求直流（DC）电驱动.单个LED器件的发光亮度有限，通过多个LED器件的串并联可以组成任意功率的电-光转换光源.

2）LED驱动电源.由于市电提供的电源是电压较高的交流电（我国为220 V），而LED发光器件需要的是特定低压的直流电，驱动电源的作用就是将交流电转换成直流电，同时满足一定电压和电流的要求，使LED器件按一定功率正常发光[1-3].

3）散光板.LED发光器件发出的光是点光源，通过散光板将点光源转换成面光源，同时把LED光谱中刺眼的频率成分滤除，使整个灯具发出柔和的照明光.

4）其他辅助部件，如支撑架和装饰外观等，可以使LED灯具美观大方、便于安装.

上述几个部件中，散光板、支撑架、外饰等都属于无源部件，除非受到机械力量的打击，他们的寿命一般都很长.LED发光器件是一种冷光源，除了电-光转换效率高以外，其寿命也可以达到10万h.

目前LED灯具的寿命主要由驱动电源的寿命决定.LED驱动电源是一种电力电子电路，一般由半导体器件和阻容器件组成.驱动电源中的半导体开关如MOSFET，GTR，IGBT及二极管和电阻器件，都属于无机固态器件，生产过程中都要经过烧结、老化等工艺，因而它们的寿命也可达几十年.唯有电解电容器的电解液属于有机材料，正常情况下电解电容器的寿命可达几千甚至上万小时，但是当电解电容器使用场合的温度过高或者过低时，都会造成电解电容器的快速失效，从而影响整个LED灯具的寿命[4-7].

2 电解电容器失效原因分析

2.1 电解电容器在LED驱动电源中的作用

目前，LED驱动电源种类繁多，简单的有电容/电阻限流型，但这种电路效率低.大部分驱动电源采用具有隔离变压器的开关工作模式电力电子电路，主要结构有反激式（flyback）、前馈式（forwards）等[1-3].为了提高电能转换效率，减小驱动器体积，其工作原理都是先进行工频（50 Hz）整流和滤波，再通过半导体开关进行高频（10～100 kHz量级）堑波，以及高频电压变换、2次高频整流和滤波等几个环节，完成从工频市电到低压直流电的变换，最后驱动LED灯.

图2 电解电容器在LED驱动电源中的作用

电解电容器是电容器的一类，其优点是容积比（容值与体积的比例）很大，因此，电解电容器在电力电子线路中主要作为滤波电容使用.在LED驱动电源中，滤波的位置主要有2处（参见图2）：第1处是工频滤波，也称为1次滤波，电容(C1)的工作频率不高，仅为50 Hz，但要有较高的耐压；第2处是高频滤波，也称为2次滤波，该电容(C2)工作在高频，电压一般不高.

根据LED灯具的功率，图中的参数会有所改动，但容值一般都在数百微法.为什么不用陶瓷电容或钽电容替代电解电容，主要原因是电解电容器的容积比要比其他类型的电容大几十倍到上百倍，在同等容值、同等耐压的情况下，电解电容器的体积最小，从灯具的体积、价格等综合因素考虑，目前还无法用其他电容器取代电解电容器.

有关工频（1次）滤波的研究已经进行了几十年，技术上很成熟.关于2次高频滤波，特别是非正弦波状态下的高频滤波的研究是近几年才开始的.二次滤波的电解电容器由于长期工作在脉动电流、高频纹波电流的冲击情况下，工作状态比较复杂，并不能简单沿用工频滤波的分析和设计方法.

电解电容器除了一般的额定电压、容值等主要技术参数外，对其充放电纹波电流也有严格的限制，这样才能保证整个电路的安全可靠运行[4-5].大量的理论和实践经验都证明，脉动电流和纹波电流对电解电容器最主要的影响是使其发热，引起内部电解液膨胀，甚至蒸发，最后导致电解电容器失效[6-7].电解电容器的缺点是寿命短，影响电解电容器寿命的因素有很多，但最主要的就是环境和工作温度.一个标称1万h/105oC的电解电容器，当工作温度超过105oC后，温度每增加10oC，其寿命就会缩短1/2.如果工作温度长期为155oC，其寿命就会缩短到1 250 h.由此可见，降低工作温度是提高电解电容器以及整个电力电子电路寿命最有效的方法.

2.2 等效串联电阻（ESR）及其热损耗

根据电功率的一般计算理论，功率等于电流与电压的乘积，具体到1个电阻，其功率损耗则等于该电阻与流过该电阻电流的平方之积.可以推出，电解电容器ESR的热损耗除了与ESR本身成正比外，还与流过它的总纹波电流的平方成正比.由于该功率损耗产生的热位居于电解电容器的内部，它比外部传导来的热更具危害性，会明显降低电解电容器的使用寿命.如果电解电容器工作在超出其纹波电流额定值的条件下，就会使电容器因核心（素子）过热而失效或损坏.

电解电容器的ESR相对比较大，一般为数十mΩ到十几Ω，当纹波电流或脉动电流流过ESR时，会产生一定的功率损耗，使电容器发热.其发热原理符合下式：

式中：R即为等效串联电阻ESR，Ω；I是流过电容的总电流的有效值，A；P为ESR产生的热损耗，J.ESR还会降低电容的滤波效果，所以高质量的电源都使用低ESR的电容器.

3 高频纹波电流测试与分析

3.1 高频纹波电流测试与分析

由于LED驱动电源使用的是开关电源工作模式，流过2次滤波电容的电流为10～100 kHz量级的高频电流，其波形是不规则的脉动电流，还有工频电流的叠加.上述几个原因使得高频脉动电流很难用常规手段测出，因而即使知道ESR，也无法判断脉动电流的大小，以及由该脉动电流在电解电容器的ESR上产生的电阻热的大小.这都为驱动电源的散热分析、计算、设计等带来不便.

利用新型示波器的快速傅里叶变换（FFT）功能可以测试计算脉动电流的大小.测试方法如下：将滤波电容一端原来的连线剪断，用尽量短但能接入电流转换钳的导线重新连接该滤波电容.按图3方法，接入1只电流转换钳（current clamp），电流转换钳的另一侧接入示波器.

图3 2次整流侧高频脉动纹波电流测试方法

3.2 高频纹波电流分析

在示波器上即可观察到如图4的纹波电流，该高频纹波电流有下面的特点：高频纹波电流主要呈现锯齿波形状，见图4b.在锯齿形高频纹波电流的基础上，还叠加有同频率的高频正、负脉冲，主要成因是主开关在开通和关断的瞬间由器件的寄生参数引起的.与锯齿形高频纹波电流一起叠加的还有工频电流，表现为图4a中的包络线形状，频率为100 Hz的半波整流形状.

图4 滤波电容电流波形

利用示波器的快速傅里叶变换功能将测定的纹波电流进行FFT变换，即可测量滤波电容的高频纹波电流，图4c中下方线状波形就是该高频脉动电流的FFT结果.可以看出纹波电流主要集中在50,100,150,200,250,1.99,2.09 kHz等分散的频点处.其中前5个是以频率50 kHz为基波的各次谐波，另外一些则是集中在2 kHz附近的谐波.

表1是各主要频点对应的谐波成分数值.将各次谐波取平方根值，就可以得到总的纹波电流大小.

根据理论，总纹波电流等于各次谐波电流的均方根值，经计算总纹波电流至少为

也就是说，式（1）中的I必须用Itotal带入，才能进行正确的分析.

表1 各主要频点高频纹波电流的测试值

4 结论

工作温度是决定电解电容器失效及由其组成的电力电子电路寿命的最关键因素.从外部因素考虑，设计电路时，电解电容器应布置在远离变压器、半导体开关等发热器件，并且通风散热条件较好的位置，必要时也可加装散热风扇.

从内部因素考虑，流过滤波电容的脉动电流和高频纹波电流是产生热损耗的原因之一.目前LED驱动电源都工作在开关模式，因此流过滤波电容的高频纹波电流也不是简单的谐波成分，需要通过傅里叶方法测试纹波电流成分，得到总的纹波电流，为选择滤波电容提供科学依据.

电解电容器的等效串联内阻（ESR）是产生内部热损的另一个原因，选择ESR小的电容器，如利用固态电解电容器替代液态电解电容器，是延长LED驱动电源寿命的发展趋势.