電解電容器對LED照明燈具壽命的影響

劉超英，高 康

（1.肇慶學院 電子與電氣工程學院,廣東 肇慶 526061；2.國家建筑五金產(chǎn)品質量監(jiān)督監(jiān)測中心（廣東），廣東 肇慶 526000）

0 引言

LED燈具是繼白熾燈、日光燈和節(jié)能燈之后發(fā)展起來的第4代照明光源，其主要優(yōu)點是電-光轉換效率高.根據(jù)美國Lumileds公司的實驗，一個14 W的紅色LED交通信號燈與140 W傳統(tǒng)白熾燈的光通量相同，可達2 200 LM.總體上講，LED燈的耗電僅為傳統(tǒng)燈具的1/5～1/10.基于這一優(yōu)點，LED燈具正在取代傳統(tǒng)的白熾燈、日光燈、節(jié)能燈等燈具，成為照明燈具的主流.

由于生產(chǎn)技術、生產(chǎn)條件的不同，有些LED燈具的壽命還相對較短，沒有充分發(fā)揮出LED燈珠壽命長的優(yōu)勢，這一缺陷影響了LED燈具的推廣使用.研究影響LED燈具壽命的原因，以及如何通過技術方法消除這些缺陷的方案，可以為開發(fā)長壽命的LED燈具提供技術路線；對于建設節(jié)能減排、綠色發(fā)展社會具有一定的現(xiàn)實意義.

1 LED照明燈具的組成

LED燈具不同于常見的LED器件，它是由以LED發(fā)光器件、LED驅動電源、散光板以及必要的支撐架、外觀裝飾等組成，詳見圖1.

圖1 LED照明燈具的組成框圖

LED各部分的作用如下：

1）LED發(fā)光器件.它是將電能轉換成照明光源的核心器件，要求直流（DC）電驅動.單個LED器件的發(fā)光亮度有限，通過多個LED器件的串并聯(lián)可以組成任意功率的電-光轉換光源.

2）LED驅動電源.由于市電提供的電源是電壓較高的交流電（我國為220 V），而LED發(fā)光器件需要的是特定低壓的直流電，驅動電源的作用就是將交流電轉換成直流電，同時滿足一定電壓和電流的要求，使LED器件按一定功率正常發(fā)光[1-3].

3）散光板.LED發(fā)光器件發(fā)出的光是點光源，通過散光板將點光源轉換成面光源，同時把LED光譜中刺眼的頻率成分濾除，使整個燈具發(fā)出柔和的照明光.

4）其他輔助部件，如支撐架和裝飾外觀等，可以使LED燈具美觀大方、便于安裝.

上述幾個部件中，散光板、支撐架、外飾等都屬于無源部件，除非受到機械力量的打擊，他們的壽命一般都很長.LED發(fā)光器件是一種冷光源，除了電-光轉換效率高以外，其壽命也可以達到10萬h.

目前LED燈具的壽命主要由驅動電源的壽命決定.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.驅動電源中的半導體開關如MOSFET，GTR，IGBT及二極管和電阻器件，都屬于無機固態(tài)器件，生產(chǎn)過程中都要經(jīng)過燒結、老化等工藝，因而它們的壽命也可達幾十年.唯有電解電容器的電解液屬于有機材料，正常情況下電解電容器的壽命可達幾千甚至上萬小時，但是當電解電容器使用場合的溫度過高或者過低時，都會造成電解電容器的快速失效，從而影響整個LED燈具的壽命[4-7].

2 電解電容器失效原因分析

2.1 電解電容器在LED驅動電源中的作用

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.大部分驅動電源采用具有隔離變壓器的開關工作模式電力電子電路，主要結構有反激式（flyback）、前饋式（forwards）等[1-3].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（10～100 kHz量級）塹波，以及高頻電壓變換、2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2 電解電容器在LED驅動電源中的作用

電解電容器是電容器的一類，其優(yōu)點是容積比（容值與體積的比例）很大，因此，電解電容器在電力電子線路中主要作為濾波電容使用.在LED驅動電源中，濾波的位置主要有2處（參見圖2）：第1處是工頻濾波，也稱為1次濾波，電容(C1)的工作頻率不高，僅為50 Hz，但要有較高的耐壓；第2處是高頻濾波，也稱為2次濾波，該電容(C2)工作在高頻，電壓一般不高.

根據(jù)LED燈具的功率，圖中的參數(shù)會有所改動，但容值一般都在數(shù)百微法.為什么不用陶瓷電容或鉭電容替代電解電容，主要原因是電解電容器的容積比要比其他類型的電容大幾十倍到上百倍，在同等容值、同等耐壓的情況下，電解電容器的體積最小，從燈具的體積、價格等綜合因素考慮，目前還無法用其他電容器取代電解電容器.

有關工頻（1次）濾波的研究已經(jīng)進行了幾十年，技術上很成熟.關于2次高頻濾波，特別是非正弦波狀態(tài)下的高頻濾波的研究是近幾年才開始的.二次濾波的電解電容器由于長期工作在脈動電流、高頻紋波電流的沖擊情況下，工作狀態(tài)比較復雜，并不能簡單沿用工頻濾波的分析和設計方法.

電解電容器除了一般的額定電壓、容值等主要技術參數(shù)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[4-5].大量的理論和實踐經(jīng)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[6-7].電解電容器的缺點是壽命短，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1萬h/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1/2.如果工作溫度長期為155oC，其壽命就會縮短到1 250 h.由此可見，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.

2.2 等效串聯(lián)電阻（ESR）及其熱損耗

根據(jù)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1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，還與流過它的總紋波電流的平方成正比.由于該功率損耗產(chǎn)生的熱位居于電解電容器的內部，它比外部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）過熱而失效或損壞.

電解電容器的ESR相對比較大，一般為數(shù)十mΩ到十幾Ω，當紋波電流或脈動電流流過ESR時，會產(chǎn)生一定的功率損耗，使電容器發(fā)熱.其發(fā)熱原理符合下式：

式中：R即為等效串聯(lián)電阻ESR，Ω；I是流過電容的總電流的有效值，A；P為ESR產(chǎn)生的熱損耗，J.ESR還會降低電容的濾波效果，所以高質量的電源都使用低ESR的電容器.

3 高頻紋波電流測試與分析

3.1 高頻紋波電流測試與分析

由于LED驅動電源使用的是開關電源工作模式，流過2次濾波電容的電流為10～100 kHz量級的高頻電流，其波形是不規(guī)則的脈動電流，還有工頻電流的疊加.上述幾個原因使得高頻脈動電流很難用常規(guī)手段測出，因而即使知道ESR，也無法判斷脈動電流的大小，以及由該脈動電流在電解電容器的ESR上產(chǎn)生的電阻熱的大小.這都為驅動電源的散熱分析、計算、設計等帶來不便.

利用新型示波器的快速傅里葉變換（FFT）功能可以測試計算脈動電流的大小.測試方法如下：將濾波電容一端原來的連線剪斷，用盡量短但能接入電流轉換鉗的導線重新連接該濾波電容.按圖3方法，接入1只電流轉換鉗（current clamp），電流轉換鉗的另一側接入示波器.

圖3 2次整流側高頻脈動紋波電流測試方法

3.2 高頻紋波電流分析

在示波器上即可觀察到如圖4的紋波電流，該高頻紋波電流有下面的特點：高頻紋波電流主要呈現(xiàn)鋸齒波形狀，見圖4b.在鋸齒形高頻紋波電流的基礎上，還疊加有同頻率的高頻正、負脈沖，主要成因是主開關在開通和關斷的瞬間由器件的寄生參數(shù)引起的.與鋸齒形高頻紋波電流一起疊加的還有工頻電流，表現(xiàn)為圖4a中的包絡線形狀，頻率為100 Hz的半波整流形狀.

圖4 濾波電容電流波形

利用示波器的快速傅里葉變換功能將測定的紋波電流進行FFT變換，即可測量濾波電容的高頻紋波電流，圖4c中下方線狀波形就是該高頻脈動電流的FFT結果.可以看出紋波電流主要集中在50,100,150,200,250,1.99,2.09 kHz等分散的頻點處.其中前5個是以頻率50 kHz為基波的各次諧波，另外一些則是集中在2 kHz附近的諧波.

表1是各主要頻點對應的諧波成分數(shù)值.將各次諧波取平方根值，就可以得到總的紋波電流大小.

根據(jù)理論，總紋波電流等于各次諧波電流的均方根值，經(jīng)計算總紋波電流至少為

也就是說，式（1）中的I必須用Itotal帶入，才能進行正確的分析.

表1 各主要頻點高頻紋波電流的測試值

4 結論

工作溫度是決定電解電容器失效及由其組成的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，并且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(chǎn)生熱損耗的原因之一.目前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的諧波成分，需要通過傅里葉方法測試紋波電流成分，得到總的紋波電流，為選擇濾波電容提供科學依據(jù).

電解電容器的等效串聯(lián)內阻（ESR）是產(chǎn)生內部熱損的另一個原因，選擇ESR小的電容器，如利用固態(tài)電解電容器替代液態(tài)電解電容器，是延長LED驅動電源壽命的發(fā)展趨勢.