巷道LED灯用单管逆变无线供电系统研究

王松柏 王春芳 岳睿 李聃

摘 要：针对目前矿山井下利用有线方式给巷道LED灯供电时更换灯具存在的不方便以及安全性问题，本文研究了一种巷道LED灯的无线供电装置。设计了单管逆变无线供电主电路，基于互感等效模型详细分析了单管等效电路的工作模态，对输入补偿网络的瞬态电压进行了正弦拟合，分析了单管逆变电路的恒流特性。对电压增益以及电路软开关的实现进行了详细的分析，最后通过实验验证了单管逆变无线供电电路的恒流特性。

关键词：巷道;发光二极管照明;无线供电;单管逆变;补偿网络

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具有寿命长，发光效率高等优点，现在被广泛应用于矿井下的巷道照明。由于目前的巷道LED灯大多是以有线方式供电的，当某一个LED灯具损坏的时候，必须把整个巷道里面的供电电源关断，然后再去更换LED灯具，这样给巷道照明系统的维护造成极大的不方便。为此本文研究了一款非接触供电的LED照明灯具，当某一个灯具损坏的时候，无需切断供电电源，可以直接更换LED灯，这样极大地方便了矿山井下巷道照明系统的维护。由LED的伏安特性可知，当LED正向电压大于导通电压时，正向电流会随着正向电压的微小变化而急剧增长，而LED的电流的大小决定了LED发光强度的强弱[1]，电流过大时，LED的寿命将会衰减;电流过小时，LED达不到应有的照明效果。所以，若以恒压供电的方式给矿用LED巷道灯供电不能使其亮度保持一致，其可靠性和寿命也会受到影响，因此本文设计了一款恒流供电的无线供电装置。为了能够实现恒流输出以及高效电能传输 [2]，还需设计合适的补偿网络对发射线圈和接收线圈进行补偿[3]。在实际的应用中，原边线圈和副边线圈有多种补偿类型，除了串-串（SS）[4]，串-并（SP）[5]， 并-串（PS）[6]，并-并（PP）四种基本补偿网络以外，还有很多高阶补偿网络，如LCC/S型补偿网络[7]，LCL/LCC型补偿网络[8]，LCL/P型补偿网络[9]， S/CLC型补偿网络[10]，双边LCC补偿网络[11]等。

目前，无线电能传输系统的主电路的拓扑大部分采用的是全桥逆变电路[12]、半桥LLC型逆变电路[13]以及单管逆变电路[14]。对于全桥逆变电路，开关管较多，控制比较复杂，容易出现上下桥臂直通的问题。对于半桥LLC型逆变电路而言，该电路在企业和高校得到了广泛的应用和研究，它具有许多优点，能够实现较高的增益[15]以及效率、所有开关均可实现软开关，但半桥LLC型逆变电路和全桥逆变电路有同样的缺点，上下桥臂也存在直通的问题。单管逆变无线传输电路是一种新型拓扑电路，由单个开关管实现逆变[16]，结构简单、控制易实现、能够很好的实现软开关[17]，目前对于全桥逆变电路补偿网络的研究已很成熟[18-20]，但对应用于单管逆变电路的补偿网络研究较少。本文将单管逆变电路作为无线供电装置的主电路，研究了由单管逆变电路构成的无线供电系统，实现了巷道LED灯的恒流供电，并做了相关的实验验证。

1 无线供电系统

1.1 系统结构

巷道LED灯无线供电系统整体结构如图1所示，该系统由交流127V输入、无线供电装置、LED构成。其中无线供电装置包括发射端与接收端，而发射线圈与接收线圈之间的空隙等于发射端的封装层厚度和接收端的封装层厚度之和，大约4mm。当某一个灯具发生损坏时，无需切断空气开关QS，可以直接摘掉接收端以及LED来进行更换。

1.2 无线供电主电路

无线供电主电路所述单管恒流无线供电电路的主体结构包括工频整流、L1C1滤波电路、原边补偿电容、发射线圈、开关管、接收线圈、副边补偿电容、高频整流电路、滤波电容、LED灯具;127V工频交流电经工频整流及L1C1滤波电路以后，将工频交流电变为直流电，然后开关管Q将直流电逆变为高频交流电;高频交流电经过原边补偿电容CP和原边线圈LP组成的谐振回路，并在接收线圈两端感应出电流，该电流经过副边补偿电容CS和副边线圈LS组成的谐振回路、高频整流电路和滤波電容后变为所需要的直流电，供给LED灯具进行照明。

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（编辑：温泽宇）