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电解电容灯泡温度无电解电容大作为 LED价格战不如创新战

广西大学王希天副教授擅长于电源设计,近年来积极投身于LED电源的设计当中,特别是在无电解电容领域有深入的研究。对于当前LED照明产业的难点和对策,王希天也有自己独到的见解。

美国能源之星LED灯泡规范促进产业健康发展

产业中流传谚语:“一流利润在制订标准,二流利润在专利竞争,三流利润在名牌战略,四流利润才是价格大战”.2009年11月公告的《美国能源之星LED灯泡规范》具有里程碑意义。虽然仅仅是在美国市场上购买贴有“美国能源之星认证”标志的LED灯泡,才享受美国政府财政对购买者的补贴,但这是全球LED灯产业界不能不关注的首个LED灯泡规范,甚至将成为今后各国制订本国LED灯泡规范的重要参考。

王希天用四句话概括了该标准的核心内容:1、降低功率因素门槛,有利于降低成本,扩大LED灯产销;2、突出小功率LED灯泡直接取代白炽灯的规范;3、明确LED灯泡光效每瓦55流明底线;4、明确25000小时使用后光衰三成为限的底线。

用LED灯泡直接取代白炽灯泡节能意义重大,结合现在国产芯片已达到80lm/W,结合美国能源之星规范,用LED灯泡取代白炽灯泡规格见下表:

王希天特别强调,这只是用国产LED现在每瓦80lm光效统计的结果。国外已经公布有每瓦208流明的新LED产品,白炽灯只有每瓦15-25lm低光效,所以用LED灯取代白炽灯是必然的趋势。

LED产业乱象与隐忧

LED照明高速发展,但乱象丛生,比如灯具寿命并没有人们想象中的三万小时。王希天认为必须从以下几个方面解决产业所面临的问题:

1、购买光效较高的LED单元,注意用60℃高温下测出的LED电压和电流数据来筛选。选出电流一致的LED才适合于串联,选出电压一致的LED才适合于关联。目前民间作坊式的LED灯厂,如果做到LED购进后的60℃高温筛选,才可以有信心往下一道工序推进,否则会引发许多质量问题。

2、小功率LED灯,一串LED就可以了,需用恒流电源供电;而中、大功率LED灯需多串LED分别恒流供电,这就比较复杂了;还有既串又并的方格网络结构的LED方阵,必须既恒流又稳压供电才好。

3、LED灯的死敌是高温,LED单元的伏安特性在不同的温度是有相当差异的。所以除了在60℃条件下筛选LED分别用于LED串联和并联之外,还需要有温度监测与补偿,才可以用散热措施控制LED灯泡的温升尽量小。LED温度愈高则光效愈低,光效与温度成反比;LED温度愈高则光衰愈大,寿命与温度成反比。不夸张的说,谁掌握了LED灯泡散热的性价比、优秀结构,谁就拿到了优势LED灯产业的信心保证。LED灯电源适配器中,注意电解电容这个对温度敏感的器件:民品电解电容标志85℃;工业品电解电容温度标志105℃;专业级产品电解电容标志温度125℃以上。一分钱一分货,高可靠性需从购买电解电容开始小心注意了。

4、LED灯具是科学与艺术的结合,包括灯光“照度”(勒克斯为单位,例如走廊灯下15勒克斯就可以了,书桌和教堂桌面需有60勒克斯以上才满意)。

还有“色温”的“显色性”及是否需要调光等等光学的要求,满足眼睛和心理需要。为了上述目的,LED灯具本身需有电力电子学和热力学方面的考量,而整体而言,又有成本限制和体积要求限制等等。所以说,LED产业入门容易,门槛不高,易发生一哄而上,碰到上述艺术学、光学、电学、热力学具体问题时,又将有多道沟坎,一次一次洗牌。

现今LED灯泡订单往往要求功率因数超过0、9,王希天不赞同这种要求。荧光灯电子镇流器广泛使用,形成的社会共识:功率因数愈高愈好。但为了提高功率因数不得不提升成本,这对产销均不利。再说,荧光灯是低气压电弧放电灯,是负电阻特性的光源,对电源环保(谐波问题)、EMC问题十分突出。然而LED是正电阻特性的光源,LED灯本身不存在EMC问题,仅仅是为LED服务的恒流适配电源。如用开关电源,才发生EMC问题。美国电网普遍有在线的谐波补偿装置,所以对5W或小于5W的LED灯泡没有PF的要求,就算超过5W的LED灯泡,也降低门槛只要求达到0、7或以上就可以了。不必加入有源功率同数补偿APFC开关电源(那会引发EMC问题),对生产成本降低十分有利。这才是促进LED灯泡产销两旺的规范宗旨。

“无电解电容方案”大有可为

现在单只LED出厂说明书,除了标注光效每瓦流明指标之外,还有很诱人的长寿命,光衰万分之三十之前有数万到十多万小时的长寿命。但实际上有的LED灯运行没几天就不亮了,有的LED路灯在一阵雷雨之后,全线路灯都不亮了。王希天强调电源可靠性非常重要,可用“木桶原理”进行说明。电解电容是可靠性最短的木条!如果要提高LED灯泡的可靠性,必须痛下决心抽掉最不可靠的短板,这就是当前LED灯产业界普遍渴望“无电解电容的LED电源适配器”技术支持的原因。

王希天表示,最近注意到韩国首尔半导体宣传推出一种“交流LED”,据说是不用电解电容的,可惜至今未拿到样品,无法证明是否真的无电解电容。另外,不少IC公司推出一个IC伺候数只功率不太大的LED方案,也不需任何元件,自然不需要电解电容了。还有一些企业正在努力攻关中、大功率LED灯电源适配器,也宣称不用电解电容,正接受大批量订单。

纵电力电子学而言,电解电容只不过是贮存峰值电荷,以备随后短时放出贮存电荷的。于是联想到电感也可以贮能,中国核聚变设备需贮存非常大的能量,同时运用了“超导电感贮能”为主,“电容贮能”为辅的搭配。电力电子学的两种基础方案,即升压有优异效果的“波斯特”(Boost)和降压有优势的“巴克”(BUCK),都以高频电感为贮能核心,辅以电解电容作平滑纹波。王希天认为如果用电力电子学技术手段可以实现足够小的纹波,那么不用电解电容来平滑纹波是可望可及的事了。

限于各企业的专利,王希天眼中的“无电解电容”高可靠性LED电源适配器的方案如下:

(1)多相整流输出直流包络线为低纹波且不过零的方案。

(2)多相整流高频的频率尽量高(受限于肖氏二极管时延和同步整流场效应管开关时延),则上述输出直流包络线愈平滑,不必用电解电容。

(3)单相交流电整流,与其交流电源同频但相位移九十度的交流电整流合成波纹也不过零,用非电解质小电容即可平滑纹波。

(4)单相交流电用开关管整流(而不是用二极管整梳)的电路中注入交流三次谐波也有明显降低纹波的效果。

(5)用互感器反相抵消高频纹波已可工程实用。特别适合于大电流负载应用。

(6)上述(5)如负载电流不太大,对纹波要求又很严格时,不妨后面搭配低压差电子滤波器,从原理上讲可以满足任何对纹波敏感的用户,但成本较高,效率也受影响。

(7)电力电子负反馈技术可降低纹波。

(8)上述(7)配合单片机产生大小相同方向相反的纹波的“数字化主动抵消纹波”方案是很有前景的方案之一。

(9)发挥LED的电-光响应是纳秒(ns)级的优势,利用人眼视网膜的延迟特性,在短于0、1毫秒(不低于10KHz)之内用类似梳齿那样的脉冲来驱动LED发光,人眼看不出光的断续,即LED灯光闪烁。这是比直流LED灯进一步大幅度节电的方案,有不少单位正在努力攻关之中,这也是不需要电解电容的方案之一。

(10)两只LED反向并联用交频恒流交流电点灯,每只LED灯单灯工作高频半波发光,休息半波不发光也不发热,今后LED大幅度降价之后,才是可以低成本实施方案。

LED产业的难点与对策

(1)各地方及早调研当地LED产业各家企业的《厂标》,由当地众多企业的众多《厂标》集思广益。在当地LED协会或其他民间组织之中,形成“当地LED产业规范”,为出台《国标》打好基础。也像美国能源之星那样,出台更科学的中国特色LED灯泡规范,有规矩好成方圆。

(2)抓住“LED温度”这个牛鼻子做出好文章。

(3)抓住“电解电容与LED寿命之间的差距”做更多可靠性的LED电源匹配长寿命的LED灯。

(4)转型的核心在于创新:“人无我有,人有我优,人优我服务,人优服务我价廉,打价格战不如升级创新一代人无我有”。

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