陈永真：电容器基础知识15—LED用电解电容器

随着照明用LED、驱动器的廉价化，LED照明开始在各种照明领域中普及。对于交流供电的LED照明，输入整流滤波电容器是不可缺少的主要元件之一。由于是50Hz整流，电解电容器将是滤波电容器的唯一选择。尽管也出现过无电解电容器方案，从实用化角度，选用105℃/6000~10 000小时电解电的容器将是一个好的选择。

为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！

1、 最初LED驱动器要求1W/μF

几年前，LED照明开始实用化阶段，驱动器的设计与相对应的开关电源拓扑结构与控制模（式除恒流控制外）基本相同。所选用的器件基本参考开关电源。对于100W以下的隔离型驱动器，大多按1W/μF选择电容量。在这种状态下，高压电解电容器可以满足性能要求。

随着LED及驱动器价格日益降低，LED驱动器价格一步步降低成为必然。这就必须降低元器件成本。其中最容易降低的就是高压电解电容器。降低高压电解电容器价格最有效的方法就是降低电容量。

2、 现在的LED驱动器要求1.5W/μF

现在的隔离型LED驱动器要求高压电解电容器满足1.5W/μF。在这种状态下，一个50W投射灯驱动器需要一颗33μF/400V电解电容器。

通过实测，在供电电压为220VAC条件下，该电解电容器流过的电流波形如图1。

图1 50W投射灯驱动器中33μF/400V电解电容器电流波形

从图中看到，电解电容器流过的电流有效值为979mA。这个电流在所有的电解电容器制造商的产品中均没有达到，提别是小体积产品。最好的可以达到900mA（100kHz条件下测试，对应100Hz分量电流还要降低纹波电流值。），需要尺寸为φ16×20mm或更大尺寸。

这就是说，现在还一时找不到可以承受30kHz和100Hz、有效值近1A电流的电解电容器。

LED驱动器制造商更喜欢小体积，以减小驱动电路的体积，如φ13×20mm，对于现有技术，即便是最好的电解电容器也不会达到1A额定电流，大多为300~500mA（30kHz和100Hz混合纹波电流）。实际应用中的温升如图2。

（a）  φ13×20mm电解电容器的热像图

φ13×25mm电解电容器热像图

图2 φ13×20mm和φ13×25mm，33μF/400V电解电容器实际应用的热像图

图2（a）中电解电容器温升约17℃，考虑外壳到电容器芯子之间的温差，实际温升接近20℃，是105℃电解电容器5℃额定温升4倍，表明电解电容器处于2倍过电流状态，这会使得电解电容器寿命明显缩短，促成早期失效。

图2（b）中电解电容器采用了比较低比容的铝箔，所以体积略大一些。同时纹波电流承受能力得到改善。从图中看到，电解电容器温升为13℃，芯子实际温升还会高一些，对应的电解电容器流过的纹波电流大约为额定纹波电流的1.8倍相比图2（a）寿命会有明显的延长，即便如此，也将会导致电解电容器的早期失效。

是什么原因导致电解电容器流过如此大的纹波电流？可以分为两部分：100Hz频率纹波电流和开关频率纹波电流，两者的均方根构成实际的有效值电流。

图3为供电电压为220VAC条件下开关频率下的电容器纹波电流分量。

图3 电解电容器流过的开关频率纹波电流

图中现实的有效值为680m A。对应的100Hz纹波电流为704mA

峰-峰值电流为3.76A。

根据反激式输出功率与开关管峰值电流的关系，对于全电压反激式变换器，对应18W/A。3.76A对应68   W，超过输出功率至少20%，也就是说可以通过适当的增加开关管占空比可以减小电容器纹波电流10~15%。

其实，最可怕的是全电压供电方式下的85V电压下，100Hz纹波电流将超过1.5A。直到现在还没有任何一款33μF/400V电解电容器可以承受1.5A纹波电流。

对于国内供货和非100V供电电压国家应用，绝对没有必要搞什么全电压范围。这样可以降低纹波电流近一半。

3、 将来的LED驱动器要求2.5W/μF

如果LED驱动制造业为了进一步降低驱动器成本，要求电解电容能够提供2.5W/μF的能力，对电解电容器来说至少现有的电解电容器将无法长期承受如此大的纹波电流。除非高压电解电容器来一次革命，将小电容量电解电容器的纹波电流承受能力在现有的基础上提高一倍，大约为70~100mA/μF。

4、 非隔离LED驱动器中的电解电容器

如果LED灯珠和对应的散热器可以与环境之间有可靠的绝缘，LED驱动器就可以做成非隔离型，以提高驱动器效率，降低驱动器成本。

可以采用非隔离型驱动器的LED灯可以是“陶瓷散热器”的球泡，T8LED灯，全塑球泡灯。

非隔离型LED驱动器输入整流滤波电解电容器大多选择1.5W/μF。如某15WT8管型LED灯用驱动器的输入整流滤波电容器电流波形如图4。

图4 非隔离型LED驱动器中输入整流滤波电容器电流波形

图中，所用的电解电容器为10μF/400V/105℃，φ8×17mm。纹波电流有效值为271mA。在这个条件下的热成像图如图5。

图5 热成像图

电解电容器表面温度48℃，温升21℃。很显然，电解电容器严重过电流，过电流程度接近2倍。

非隔离型LED驱动器的输出电解电容器则选择8W/μF。

某10W球泡的输出电解电容器选择2.2μF/400V，φ6×12.5mm。

电流波形如图6。

图6 输出电解电容器电流波形

流过电解电容器的有效值电流约为70mA。

对应的热成像图如图7。

图7 热成像图

测试环境温度为25℃.电解电容器热缩管温度47.5℃，温升约22.5℃。属于严重过电流状态。

5、 总结

LED驱动器中的电解电容器工作环境恶劣。主要原因是，为降低成本选择电容量低的电解电容器，造成使用过程中的严重过电流，导致早期失效问题；环境温度过高，例如某10W球泡，在外接环境温度为21℃状态下对应的LED驱动器的环境温度竟达到109℃！

LED驱动器需要高纹波电流电解电容器。应用状态与节能灯相近。