松耦合反激LED電源的分析與設(shè)計(jì)

王文杰，劉 平，杜 波

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

松耦合反激LED電源的分析與設(shè)計(jì)

王文杰，劉 平，杜 波

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

在利用松耦合變壓器進(jìn)行電能傳輸?shù)南到y(tǒng)中，系統(tǒng)的工作頻率和器件選取跟系統(tǒng)電能傳輸?shù)拇笮∮芯o密聯(lián)系。本文對(duì)松耦合變壓器在反激電源中的應(yīng)用做了分析,并對(duì)松耦合變壓器的原邊和副邊的電壓和電流波形進(jìn)行了時(shí)域分析。確定了副邊導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)刻，對(duì)系統(tǒng)的可行性有了直觀的判斷，為器件的選取提供了依據(jù)。

松耦合變壓器；電能傳輸；反激電源；時(shí)域分析

傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)是直接利用導(dǎo)線等電連接來實(shí)現(xiàn)的，并在電能傳輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著對(duì)供電品質(zhì)、安全性、可靠性等的要求不斷提高。傳統(tǒng)的供電方式已經(jīng)不能滿足某些特定場(chǎng)合的供電需求。

例如，參考文獻(xiàn)[1-3]中提出：在采礦領(lǐng)域，感應(yīng)電能傳輸可以完全避免由摩擦電火花引起的爆炸而產(chǎn)生的重大事故。在水下作業(yè)時(shí)，傳統(tǒng)的供電方式也存在著電擊的危險(xiǎn)。在移動(dòng)供電時(shí)傳統(tǒng)的供電方式也存在由滑動(dòng)帶來的磨損。在氣密設(shè)備內(nèi)部供電場(chǎng)合，傳統(tǒng)供電方式不能保證氣密性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

輸入電壓為交流電壓，經(jīng)過全橋整流和電容C0的濾波為松耦合變壓器的原邊電路供電。開關(guān)管Q由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，電源VSin為電容C充電，副邊電路由于二極管D反向偏置而不導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，電容C與變壓器原邊Lp組成LC諧振回路，首先關(guān)斷瞬間電容C向變壓器原邊Lp中充電，當(dāng)電容C中電壓變?yōu)?時(shí)，變壓器原邊電感Lp向電容C反向充電，ULs當(dāng)副邊電壓 大于某一值時(shí)，副邊導(dǎo)通。

圖1 松耦合反擊電源的電路Fig. 1 Circuit of the loosely coupled flyback LED power supply

2 等效電路的建立

[4]提出互感模型是用來描述變壓器原副邊電磁感應(yīng)關(guān)系的一種電路等效模型。互感模型是用感應(yīng)電壓和反應(yīng)電壓來描述原邊和副邊的耦合關(guān)系，他們都用互感來表示。由于松耦合變壓器的耦合系數(shù)小，不滿足原邊和副邊的匝數(shù)比例關(guān)系。因此，用互感模型來表示松耦合變壓器是合理的。

因此，變壓器原邊繞組的電壓為

3 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算和分析

變壓器原邊電感電流ip等于電容中的電流ic的值，即

將Uc的函數(shù)帶入（2）式得

圖3是松耦合變壓器在圖1電路中副邊導(dǎo)通時(shí)的具體等效電路，U1的大小等于與變壓器原邊諧振的電容C兩端的電壓，在副邊，U2的電壓就等于電容Cout兩端電壓。Cout可以等效成一個(gè)直流電壓源，大小為V2。

圖3 松耦合反擊變壓器等效電路Fig. 3 Equivalent circuit of the loosely coupled transformer

得出副邊導(dǎo)通時(shí)刻t1為：

根據(jù)開關(guān)頻率使t1＞ton選出k1值，設(shè)副邊關(guān)斷時(shí)刻為t2，則導(dǎo)通瞬間iLs(t1) =0。

導(dǎo)通時(shí)根據(jù)基爾霍夫定律列出原、副邊回路的電壓方程為：

在副邊導(dǎo)通即t=t1時(shí)，原邊電流ip(t1)大小由t1帶入 ip得到

在t1時(shí)刻，電容兩端電壓為

聯(lián)立方程（4）（5）得:

當(dāng)副邊導(dǎo)通后，系統(tǒng)的工作頻率從ω變成了ω1

當(dāng)下一個(gè)PWM上升沿到達(dá)，即u**c=V1的時(shí)候，求出此時(shí)時(shí)刻t3為：

4 仿 真

用MULTISIM仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

輸入電壓150 V直流，電流20 mA，輸出電壓35 V，負(fù)載22個(gè)LED，輸入功率為3 W，輸出功率為2.45 W，耦合系數(shù)為0.5，開關(guān)頻率為400 kHz，占空比50%。

圖4 電容兩端電壓UFig. 4 Voltage of capacity

可以看出函數(shù)表達(dá)式與實(shí)物仿真的波形相同，可以證明函數(shù)計(jì)算的正確性。

圖5 原邊電流ip 波形Fig. 5 Current waveforms of the primary side

圖6 副邊電流is波形Fig. 6 Current waveforms of secondary side

5 結(jié) 論

提出了一種基于松耦合的反激LED驅(qū)動(dòng)電路，并在時(shí)域分析了其工作過程，對(duì)電壓電流波形進(jìn)行了函數(shù)解析。并對(duì)函數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了其正確性。可以廣泛應(yīng)用于松耦合LED驅(qū)動(dòng)電路中，而且對(duì)松耦合反擊變換器的研究具有指導(dǎo)意義。

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The analysis and design of the loosely coupled fl yback LED power supply

WANG Wen-jie, LIU Ping, DU Bo
（School of Information Engineering, Zhengzhou Unirersity, Zhengzhou 450000, China）

In the use of loosely coupled transformer for power transmission, The work frequency of the system and component selection are close with the capacity of the power transmission system. In this paper, given to analysis the application of the loosely coupled transformer in the flyback switching power supply, And the voltage and current waveforms of the primary side and secondary side of loosely coupled transformer are analyzed in time domain. The moment of secondary side conduction and shut off are determined. This thesis has the intuitive judgment on the feasibility of the system and provides the basis for component selection.

loosely coupled transformer; inductive power transfer; the flyback power supply; time domain analysis

TN751.1

A

1674-6236(2014)03-0139-03

2013–06–28 稿件編號(hào)：201306195

王文杰(1987—)，男，河南鶴壁人，碩士研究生。研究方向：電力電子技術(shù)。