低压LED灯逆变电源设计

摘 要：本文设计了一种以 STM32F103VET6 芯片为核心控制系统的低压LED控制电路，采用全桥拓扑结构设计了LED启动电路与工作电路（采用全桥逆变电路），在逆变电路中选择了产生SPWM波形的专用芯片（PIC18F4580型号的专用单片机），实现了 12V交流波的稳定输出。实验结果表明，该电路系统可以得到频率约为50.86Hz、电压约为12.6V的稳定交流电，可以为LED照明灯提供一种高品质的交流电源。

关键词：STM32;全桥逆变;SPWM;低频变压

在国内外的花园、庭院与旅游景点，为LED照明提供电源的除了有220V交流电源与新型的太阳能电源，还有一种是把交流220V电源转化为交流12V的低压电源。随着生活水平与运营能力不断提高，企业更需要高质量的电能，而逆变电源是该控制系统最重要的组成部分，研究一种稳定的12V交流电源是十分有意义的。

一、系统结构

本文采用的是高性能STM32F103VET6 芯片为核心的控制模块，总体分为三个部分：整流部分，逆变部分和滤波部分。220V市电先进入整流模块，变为直流电，再经过逆变部分，在主控芯片的控制下产生SPWM信号，变为12V交流电，最后经过滤波部分，为LED灯提供稳定电源。

二、LED灯的参数需求

（一）输入的是220V交流电，频率=50，相电压为=220。

（二） LED灯电源的输出为：电压12（），电流=2，功率    ，频率=50。

下面是主电路关键性器件的选择方案，选择器件部分在整个设计中是不可或缺的第一步，它的正确与否是本设计安全输出12V交流电的关键，下面先从理论公式计算出本设计方案需要的各项参数：

1.从电网输出的220V市电并不是非常稳定的，输入大约有15%的误差，也就是220，线电压值为187～253;

2.因为本文在负载上得到的直流电压是不用调节的电路，所以本文选择成本更低的由无控制功能的整流二极管组成的整流电路，它电压的平均输出为式（2-1）：

3.根据桥式整流的计算公式，，所以为264～358;

4.电能经过变压等一系列电路后是有功率损耗的，这里把电源转换效率设定为95%，可以根据公式求得输入功率为：

6.根据公式求得输入时的滤波电容的能量值为：

三、系统硬件设计

（一）逆变电路

由于LED灯为220V交流电源提供电能，但是它需要12V交流电供电，所以220V交流电源需要先经过前期滤波电路，滤除毛刺，再经过整流模块变为直流电源。本文按照LED灯的供电需要，选用了电压型的全桥逆变电路。逆变电路的种类是因其内部构件不同分为两种，电压型逆变电路和电流型逆变电路。又根据储能元件的不同差异，电压型逆变电路是选用电容器C，电流型逆变电路是选用电抗器L。在总体电路上，电压型逆变器中连接多个保护作用的钳位二极管，再根据需求并联电容，这样才能保证输出的电流近似为正弦波形。

把幅值为的矩形波按照傅里叶级数展开如下式（3-1）：

本文的电压型逆变电路是由8个高性能IGBT管，4个钳位二极管，6个电解电容和若干电阻组成。本文选用4个IGBT管作为LED灯冗余的作用，它们分别是Q1、Q2、Q7、Q8，把2个G4PH40UD并联在一起，虽然增加了一倍的成本，但因为IGBT器件很容易由于过电流或过电压被击穿，使其损坏，当有IGBT因故障损坏时，2个并联的IGBT器件更容易更换，达到冗余目的，不需要停电更换器件，从而减少企业损失。剩下一组3、4、5、6为G4PH50UD型号的IGBT管，因其是一直处在工作状态，所以选用电压电流阈值更高的型号，在电路中起到逆变开关作用，而1、2、7、8号不需要长时间工作，所以选择低端型号可以减少成本。

（二）SPWM技术及原理（面积等效原理）

根据上式（3-1）把的矩形波按照展开成傅里叶级數，根据（3-2和3-3）式得出基波的有效值和幅值，当电阻电感为负载时，基波的电流为：

在本文中，主要是利用此单片机的专用SPWM功能设计出LED电源需要的SPWM输出。

四、实验与结果

从图1的示波器显示我们可以看到，电压输出波峰最大值为12.6，频率为50.86Hz，均方根为11.8V，满足LED灯点亮要求。

参考文献

[1] 董英龙.低频大功率开关电源的研究[D].哈尔滨理工大学，2015.

[2] 谢新月.基于IGBT逆变器的大功率直流稳压电源[J].湘南学院学报，2010，31（5）：47-50.