.无电解电容的现代电源技术1引言现代电源技术定义：电源技术的历史，是从低频技术为主的线性电源，向以高频技术为主的现代电源转变上个世纪80年代末期和90年代初期开展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的掘起,说明传统的电源技术已经进入现代电源时代现代电源技术一般指用脉冲或数字方式工作的电源，即我们所说的开关电源；不包括即将被淘汰的体积大，耗能高的线性电源现代电源一般分为两大类：一类是直流电源，即输出是直流的、稳压或稳流的电源，其范围小到充电器，各种产品电路板上自用电源到各种直流电源设备一类是交流电源，输出的是各种频率的、稳压或稳流的稳频交流电源，其范围包括输出各种频率的交流电电源设备以及电机变频调速器(电动机电源)、日光灯镇流器(日光灯电源)等。
现代电源技术实质上是把电能从一种形式高效地转换成另一种形式，而且能对电能进展各种控制电源技术在上述定义后，还有按通用电源和专用电源来区分，通用电源没有无电解电容的需求，在此不必讨论应用面更广的专用电源，有此要求的不少，只是由于可替代及使用惯性等使得要求不迫切而已；现随着社会进步和技术开展，电源的无电解电容技术已提到议事日程上来了一般电源电路都需要将输入电压整流滤波后形成一个稳定、平滑的直流电源供自身或外部使用，并此根底上再构造成各种电子产品和稳压或稳流或稳频的输出电源，因此电解电容滤波电路成了电源电路、甚至绝大局部电子电路的根底电路；这一根底电路好，该电子产品的设计、调试、使用就简单容易，去掉电解电容，就可能使本来很简单的电路出现各种意想不到的现象和故障(至少对目前的设计工程师来说是这样)；但是，去掉电解电容是大势所趋和未来方向，君不见，军工产品和航天航空产品根本上是没有电解电容的，而目前的LED产品也正在向无电解电容方向开展，如隧道LED灯、驱动与光源为一体的LED灯(如图1、图2)尽管无电解电容技术产品有难点，但在高温、高真空、长寿命等严酷环境中是必不可少的；军工和航天航空离我们是远了一点，但目前的LED无电解电容技术是实实在在的向我们走来，在LED灯具的高温环境条件下，迫使电子工程师去设计无电解电容的LED产品；社会有需求，技术就开展，这是历史开展规律；无电解电容技术通用化已经开了一个头，它的成长、成熟、开展就在我们这一代电子工程师身上；开场的时候，设计者可能很不习惯，但深入并熟习了以后，每设计一个新产品，你将会考虑从本钱、环境、使用寿命来考虑这一技术的使用与否；从LED无电解的开展我们可以预计，无电解电容技术将在下一个民用领域——机电一体化的变频调速电机的变频器范围内开展。
电机变频器主要用于交流电机的变频调速，巨大的节能效果使其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，变频器主电路根本采用的是交-直-交方案，电网的工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由MOSFET或IGBT组成的SPWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压和频率可变的，波形近似于正弦波的交流输出,用于驱动交流异步电机实现无级调速；由于存在直流环节，必须要有大容量的电解电容将整流后的电压滤成平稳的直流电压，电解电容带来了高温下寿命短，损耗大并可能引起爆炸，有功率因素问题并使本钱升高，高质量的电解电容本钱太高无法承受等缺点；曾有过因变频器的电解电容爆炸而被索赔至倾家荡产的例子机电一体化的变频电机是要把变频器放入电机内，不去掉电解电容，模块化的变频电机就无法实现这一目标不是神话，可调速的电开工具就是现成的例子，那可是无电解电容的图1 无电解电容的250W-HID隧道灯外貌图2能量的供给和贮存的常用方法减少或去掉电解电容后，牵涉到能量的供给和贮存，常用的一般方法有：(1)直接用薄膜电容取代电解电容电路不用改进，用多只薄膜电容并联成相等容量来取代电解电容即可，此方法原理上虽可行，但在经济上、体积上不可取。
2)提高供电频率理论和实践说明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比，当我们把频率从50Hz提高到20kHz，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5～l0%将一般开关电源电路的开关频率提高，在不对电路作很大改进的情况下就可以把“输出1A电流约用60uF的电容量〞降下来；此法简单，但对管子的频率特性要求较高，电流小时效果还可以，电流大时目前的半导体技术不容易做到3)动态补偿对输入电压的波动进展检测，从而对输出电压作电流补偿；即电压高时减少输出电流(减少脉宽)，电压低时加大输出电流(加大脉宽)；即在控制上多加一个输入电压补偿环，并加大补偿量；此法对电压波动不大的功率电路(如三相电路)效果显著，根本上可去掉电解电容，仅仅是对控制用单片机的实时性要求较高而已；在这里对滤波电容的作用要转换概念，它主要不是电源滤波而是降低电源的阻抗，因为电源电路去掉了电解电容而使电源内阻升高，功率较大时负载的突变很容易引起电源振荡，能量的波动可能会损坏其它电路，这是使用该方法需要注意的事项图2 无电解电容的125W-LED驱动器外貌图(4)三次谐波补偿电路拓扑与一般的APFC电路类似，但补偿原理和补偿曲线不一样，3次谐波的补偿原理是：以交流输入和稳定输出为计算根底，以功率因素(90%以上)和电压的最小脉动确定3次谐波的幅度，在PFC电路中注入3次谐涉及5、7、9等高次奇谐波，使升压后的电压波动最小，从而减少电容量，电容量的减少虽不能到零，但可以少到以薄膜电容代替电解电容；该方法对电压波动大的功率电路(如单相电路)效果较好。
该方法是在PFC的根底上开展而来；简单的说，就是在PFC变换中注入适量的3次谐涉及高次奇谐波；在满足功率因素的同时，使升压后的电压有较少的脉动量，减少滤波电容的容量来满足功率电路的使用要求在输入的交流电：电压的瞬时值：Vin(t)=VmSinωt电流的瞬时值：Iin(t)=ImSinωt瞬时的功率值：Pin(t)=Vin(t)Iin(t)=1/2(VmIm(1-Cos2ωt)) APFC前面的是整流后脉动电压波形，APFC后面那么要求是平滑的功率输出，假设用电解电容作滤波，就是常规的APFC电路，功率因素可近似为1，此处不提；假设不用电容作输出滤波，当交流的输入电压不变，此时的输入电流为：Iin(t)=Po/VmSinωt图3即为为瞬时功率而输，由此可知：当输入电压过零时，输入电流为无穷大，这实际上是作不到的，而且此时的功率因素近似为零由上分析可知，当输入的功率因素为1时，需要较大的电解电容，而完全不用电解电容时，功率因素已近似为0，因此我们必须在这两个极端间找到一个平衡点，即保证功率因素为0.9以上时，滤波电容的容量为最小目标明确后，我们再分析图3波形：从输入的电流波形可明显得知，该波形包含有大量的奇次谐波，经过分析计算，3次谐波可以最大程度的抑制基波的脉动(见图4)，脉动越小，滤波电容的容量就越小；据参考文献(4)的实验，在功率因素为90%的情况下，3次谐波的幅值为48.8%时脉动最小，电容量可减少65.6%，体积可减少20%。
另外，在此根底上，再参加5次、7次、9次谐波，效果会更好，虽然计算更复杂，但要评估得到与付出是否值得而已图3 输出为恒功率时的瞬时电流、电压波形3全新的不需要电解电容的功率电路拓扑如全交流LED驱动电路，交-交式交流稳压器，矩阵式交-交变频器等交-交式交流稳压器(见图5)：该稳压器属于交流电源设备，电路拓扑是典型的交流输入-交流输出，因无直流环节，也就不用电解电容，它是利用双向开关直接对电网50Hz交流电压斩波，从图6、图7看，改变斩波脉宽，就能改变输出电压；因自耦变压器的电感较大，配用较小的电容就可将高频斩波滤掉，因此电路简单实用；新的思路、新的概念会使电路别具一格(双向开关：常用电子开关的电流都是单向流动的，与机械开关不一样；假设将两个管子正反向并联起来，就可构成像机械开关一样的电流正反向都可流动的双向开关，是交-交电路中的新概念器件)矩阵式交-交变频器(如图8)属于电机电源，它也是利用双向开关，其原理是：在每一瞬间把三相输入交流电压斩成一块一块的，然后根据需要在输出端拼成另一频率的三相交流电供给电机运转，因无直流环节，也就不需要电解电容；由于“斩〞和“拼〞都要智能化，因此对控制的要求很高，但该电路的真正难点在于：理想条件与实际条件的“和谐〞处理。
说实在的，以前此类电路多为特定领域、特定环境下的产物，少见并且不通用，此处给出的这2个电路例子，应该是比较通用的了；更重要的：我们以前的电路设计是以直流电为根底，是以不变的“地〞来构造全部电路的；而全交流电路那么很可能要开展一些新的设计方法；因为三相交流电的“地〞不那么“结实〞，它的地是虚的、浮的，非独立的；因此有些以直流电为根底的概念不能直接拿到交流电路来用的图4 参加不同幅值3次谐波的电压波形4电解电容在高温下的使用寿命背景资料：电解电容在高温下的使用寿命：根本公式：Ln=Lo×2(to-tn)/10×21-(to×In2/Im2)/K，该公式的意义是：最高工作温度下的寿命Lo乘以环境温度的影响2(to-tn)/10乘以电流纹波温度的影响21-(to×In2/Im2)/K等于实际寿命Ln我们简化一下，仅以环境温度单一因素来计算，用的是业内常用的公式：Ln=Lo×2[(to-tn)/10]来计算，电解电容的标称最大工作温度为To=105℃，标称在此温度下的工作寿命为Lo=1000h：假设灯具(电机)外壳温度为75℃：Ln=Lo×2[(to-tn)/10]=1000×2[(105-75)/10]=6000h约为250天/24h假设灯具(电机)内部温度为85℃：Ln=Lo×2[(to-tn)/10]=1000×2[(105-85)/10]=4000h约为166天/24h假设理想环境温度为25℃：Ln= Lo×2[(to-tn)/10]=1000×2[(105-25)/10]=16000h约为2年/24h由上计算可知，假设将LED驱动器(变频器)放入灯具内(电机内)，在如此高温环境下，不去掉电解电容是不行的，因为隧道灯(化工厂泵机)是每天都24小时开着的。
上述计算还没将电流纹波产生的温度影响算在内，假设加上那么因温度更高寿命更短；故上述简化计算只是假设电流纹波很小温升较小而已图5 交-交式交流稳压电源图6小脉宽的电压波形5完毕语在高温环境下长寿命电子产品的无电解电容技术已初露端倪，正参军工和航天航空产品向民用产品转移，不久的将来成为一般电子工程师的设计手段之一；预言机电一体化变频电机的开展，只是提请变频器设计工程师的关注图7较大脉宽的电压波形图8矩阵式交-交变频李欣建 / 甘同- 优选。