巷道LED燈用單管逆變無線供電系統研究

王松柏 王春芳 岳睿 李聃

摘 要：針對目前礦山井下利用有線方式給巷道LED燈供電時更換燈具存在的不方便以及安全性問題，本文研究了一種巷道LED燈的無線供電裝置。設計了單管逆變無線供電主電路，基于互感等效模型詳細分析了單管等效電路的工作模態，對輸入補償網絡的瞬態電壓進行了正弦擬合，分析了單管逆變電路的恒流特性。對電壓增益以及電路軟開關的實現進行了詳細的分析，最后通過實驗驗證了單管逆變無線供電電路的恒流特性。

關鍵詞：巷道;發光二極管照明;無線供電;單管逆變;補償網絡

Abstract：In view of the inconvenient replacement of lamps and existing safety problems when using wired way to supply power to LED lamps in the roadway， this paper focuses on a wireless power supply device for LED lamps in the roadway. In order to realize non-contact power supply for LED lamps in roadway， this paper designs a single tube inverter wireless power supply circuit. In this paper， based on the mutual inductance equivalent model， the working mode of the single tube equivalent circuit is analyzed in detail. The realization of voltage gain and circuit soft switch is analyzed in detail. Finally， the constant current characteristic of single transistor inverter circuit is verified by experiments.

Keywords：roadway; LED lighting; wireless power supply; single tube inverter; compensation network

0 引 言

LED具有壽命長，發光效率高等優點，現在被廣泛應用于礦井下的巷道照明。由于目前的巷道LED燈大多是以有線方式供電的，當某一個LED燈具損壞的時候，必須把整個巷道里面的供電電源關斷，然后再去更換LED燈具，這樣給巷道照明系統的維護造成極大的不方便。為此本文研究了一款非接觸供電的LED照明燈具，當某一個燈具損壞的時候，無需切斷供電電源，可以直接更換LED燈，這樣極大地方便了礦山井下巷道照明系統的維護。由LED的伏安特性可知，當LED正向電壓大于導通電壓時，正向電流會隨著正向電壓的微小變化而急劇增長，而LED的電流的大小決定了LED發光強度的強弱[1]，電流過大時，LED的壽命將會衰減;電流過小時，LED達不到應有的照明效果。所以，若以恒壓供電的方式給礦用LED巷道燈供電不能使其亮度保持一致，其可靠性和壽命也會受到影響，因此本文設計了一款恒流供電的無線供電裝置。為了能夠實現恒流輸出以及高效電能傳輸 [2]，還需設計合適的補償網絡對發射線圈和接收線圈進行補償[3]。在實際的應用中，原邊線圈和副邊線圈有多種補償類型，除了串-串（SS）[4]，串-并（SP）[5]， 并-串（PS）[6]，并-并（PP）四種基本補償網絡以外，還有很多高階補償網絡，如LCC/S型補償網絡[7]，LCL/LCC型補償網絡[8]，LCL/P型補償網絡[9]， S/CLC型補償網絡[10]，雙邊LCC補償網絡[11]等。

目前，無線電能傳輸系統的主電路的拓撲大部分采用的是全橋逆變電路[12]、半橋LLC型逆變電路[13]以及單管逆變電路[14]。對于全橋逆變電路，開關管較多，控制比較復雜，容易出現上下橋臂直通的問題。對于半橋LLC型逆變電路而言，該電路在企業和高校得到了廣泛的應用和研究，它具有許多優點，能夠實現較高的增益[15]以及效率、所有開關均可實現軟開關，但半橋LLC型逆變電路和全橋逆變電路有同樣的缺點，上下橋臂也存在直通的問題。單管逆變無線傳輸電路是一種新型拓撲電路，由單個開關管實現逆變[16]，結構簡單、控制易實現、能夠很好的實現軟開關[17]，目前對于全橋逆變電路補償網絡的研究已很成熟[18-20]，但對應用于單管逆變電路的補償網絡研究較少。本文將單管逆變電路作為無線供電裝置的主電路，研究了由單管逆變電路構成的無線供電系統，實現了巷道LED燈的恒流供電，并做了相關的實驗驗證。

1 無線供電系統

1.1 系統結構

巷道LED燈無線供電系統整體結構如圖1所示，該系統由交流127V輸入、無線供電裝置、LED構成。其中無線供電裝置包括發射端與接收端，而發射線圈與接收線圈之間的空隙等于發射端的封裝層厚度和接收端的封裝層厚度之和，大約4mm。當某一個燈具發生損壞時，無需切斷空氣開關QS，可以直接摘掉接收端以及LED來進行更換。

1.2 無線供電主電路

無線供電主電路所述單管恒流無線供電電路的主體結構包括工頻整流、L1C1濾波電路、原邊補償電容、發射線圈、開關管、接收線圈、副邊補償電容、高頻整流電路、濾波電容、LED燈具;127V工頻交流電經工頻整流及L1C1濾波電路以后，將工頻交流電變為直流電，然后開關管Q將直流電逆變為高頻交流電;高頻交流電經過原邊補償電容CP和原邊線圈LP組成的諧振回路，并在接收線圈兩端感應出電流，該電流經過副邊補償電容CS和副邊線圈LS組成的諧振回路、高頻整流電路和濾波電容后變為所需要的直流電，供給LED燈具進行照明。

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（編輯：溫澤宇）