低壓LED燈逆變電源設計

摘 要：本文設計了一種以 STM32F103VET6 芯片為核心控制系統的低壓LED控制電路，采用全橋拓撲結構設計了LED啟動電路與工作電路（采用全橋逆變電路），在逆變電路中選擇了產生SPWM波形的專用芯片（PIC18F4580型號的專用單片機），實現了 12V交流波的穩定輸出。實驗結果表明，該電路系統可以得到頻率約為50.86Hz、電壓約為12.6V的穩定交流電，可以為LED照明燈提供一種高品質的交流電源。

關鍵詞：STM32;全橋逆變;SPWM;低頻變壓

在國內外的花園、庭院與旅游景點，為LED照明提供電源的除了有220V交流電源與新型的太陽能電源，還有一種是把交流220V電源轉化為交流12V的低壓電源。隨著生活水平與運營能力不斷提高，企業更需要高質量的電能，而逆變電源是該控制系統最重要的組成部分，研究一種穩定的12V交流電源是十分有意義的。

一、系統結構

本文采用的是高性能STM32F103VET6 芯片為核心的控制模塊，總體分為三個部分：整流部分，逆變部分和濾波部分。220V市電先進入整流模塊，變為直流電，再經過逆變部分，在主控芯片的控制下產生SPWM信號，變為12V交流電，最后經過濾波部分，為LED燈提供穩定電源。

二、LED燈的參數需求

（一）輸入的是220V交流電，頻率=50，相電壓為=220。

（二） LED燈電源的輸出為：電壓12（），電流=2，功率??? ，頻率=50。

下面是主電路關鍵性器件的選擇方案，選擇器件部分在整個設計中是不可或缺的第一步，它的正確與否是本設計安全輸出12V交流電的關鍵，下面先從理論公式計算出本設計方案需要的各項參數：

1.從電網輸出的220V市電并不是非常穩定的，輸入大約有15%的誤差，也就是220，線電壓值為187～253;

2.因為本文在負載上得到的直流電壓是不用調節的電路，所以本文選擇成本更低的由無控制功能的整流二極管組成的整流電路，它電壓的平均輸出為式（2-1）：

3.根據橋式整流的計算公式，，所以為264～358;

4.電能經過變壓等一系列電路后是有功率損耗的，這里把電源轉換效率設定為95%，可以根據公式求得輸入功率為：

6.根據公式求得輸入時的濾波電容的能量值為：

三、系統硬件設計

（一）逆變電路

由于LED燈為220V交流電源提供電能，但是它需要12V交流電供電，所以220V交流電源需要先經過前期濾波電路，濾除毛刺，再經過整流模塊變為直流電源。本文按照LED燈的供電需要，選用了電壓型的全橋逆變電路。逆變電路的種類是因其內部構件不同分為兩種，電壓型逆變電路和電流型逆變電路。又根據儲能元件的不同差異，電壓型逆變電路是選用電容器C，電流型逆變電路是選用電抗器L。在總體電路上，電壓型逆變器中連接多個保護作用的鉗位二極管，再根據需求并聯電容，這樣才能保證輸出的電流近似為正弦波形。

把幅值為的矩形波按照傅里葉級數展開如下式（3-1）：

本文的電壓型逆變電路是由8個高性能IGBT管，4個鉗位二極管，6個電解電容和若干電阻組成。本文選用4個IGBT管作為LED燈冗余的作用，它們分別是Q1、Q2、Q7、Q8，把2個G4PH40UD并聯在一起，雖然增加了一倍的成本，但因為IGBT器件很容易由于過電流或過電壓被擊穿，使其損壞，當有IGBT因故障損壞時，2個并聯的IGBT器件更容易更換，達到冗余目的，不需要停電更換器件，從而減少企業損失。剩下一組3、4、5、6為G4PH50UD型號的IGBT管，因其是一直處在工作狀態，所以選用電壓電流閾值更高的型號，在電路中起到逆變開關作用，而1、2、7、8號不需要長時間工作，所以選擇低端型號可以減少成本。

（二）SPWM技術及原理（面積等效原理）

根據上式（3-1）把的矩形波按照展開成傅里葉級數，根據（3-2和3-3）式得出基波的有效值和幅值，當電阻電感為負載時，基波的電流為：

在本文中，主要是利用此單片機的專用SPWM功能設計出LED電源需要的SPWM輸出。

四、實驗與結果

從圖1的示波器顯示我們可以看到，電壓輸出波峰最大值為12.6，頻率為50.86Hz，均方根為11.8V，滿足LED燈點亮要求。

參考文獻

[1] 董英龍.低頻大功率開關電源的研究[D].哈爾濱理工大學，2015.

[2] 謝新月.基于IGBT逆變器的大功率直流穩壓電源[J].湘南學院學報，2010，31（5）：47-50.