低壓LED燈逆變電源設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種以 STM32F103VET6 芯片為核心控制系統(tǒng)的低壓LED控制電路，采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了LED啟動(dòng)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(chǎn)生SPWM波形的專(zhuān)用芯片（PIC18F4580型號(hào)的專(zhuān)用單片機(jī)），實(shí)現(xiàn)了 12V交流波的穩(wěn)定輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路系統(tǒng)可以得到頻率約為50.86Hz、電壓約為12.6V的穩(wěn)定交流電，可以為L(zhǎng)ED照明燈提供一種高品質(zhì)的交流電源。

關(guān)鍵詞：STM32;全橋逆變;SPWM;低頻變壓

在國(guó)內(nèi)外的花園、庭院與旅游景點(diǎn)，為L(zhǎng)ED照明提供電源的除了有220V交流電源與新型的太陽(yáng)能電源，還有一種是把交流220V電源轉(zhuǎn)化為交流12V的低壓電源。隨著生活水平與運(yùn)營(yíng)能力不斷提高，企業(yè)更需要高質(zhì)量的電能，而逆變電源是該控制系統(tǒng)最重要的組成部分，研究一種穩(wěn)定的12V交流電源是十分有意義的。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(gè)部分：整流部分，逆變部分和濾波部分。220V市電先進(jìn)入整流模塊，變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)過(guò)逆變部分，在主控芯片的控制下產(chǎn)生SPWM信號(hào)，變?yōu)?2V交流電，最后經(jīng)過(guò)濾波部分，為L(zhǎng)ED燈提供穩(wěn)定電源。

二、LED燈的參數(shù)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(guān)鍵性器件的選擇方案，選擇器件部分在整個(gè)設(shè)計(jì)中是不可或缺的第一步，它的正確與否是本設(shè)計(jì)安全輸出12V交流電的關(guān)鍵，下面先從理論公式計(jì)算出本設(shè)計(jì)方案需要的各項(xiàng)參數(shù)：

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

2.因?yàn)楸疚脑谪?fù)載上得到的直流電壓是不用調(diào)節(jié)的電路，所以本文選擇成本更低的由無(wú)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(jù)橋式整流的計(jì)算公式，，所以為264～358;

4.電能經(jīng)過(guò)變壓等一系列電路后是有功率損耗的，這里把電源轉(zhuǎn)換效率設(shè)定為95%，可以根據(jù)公式求得輸入功率為：

6.根據(jù)公式求得輸入時(shí)的濾波電容的能量值為：

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（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(jīng)過(guò)前期濾波電路，濾除毛刺，再經(jīng)過(guò)整流模塊變?yōu)橹绷麟娫础１疚陌凑誏ED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(lèi)是因其內(nèi)部構(gòu)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(jù)儲(chǔ)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(gè)保護(hù)作用的鉗位二極管，再根據(jù)需求并聯(lián)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(jí)數(shù)展開(kāi)如下式（3-1）：

本文的電壓型逆變電路是由8個(gè)高性能IGBT管，4個(gè)鉗位二極管，6個(gè)電解電容和若干電阻組成。本文選用4個(gè)IGBT管作為L(zhǎng)ED燈冗余的作用，它們分別是Q1、Q2、Q7、Q8，把2個(gè)G4PH40UD并聯(lián)在一起，雖然增加了一倍的成本，但因?yàn)镮GBT器件很容易由于過(guò)電流或過(guò)電壓被擊穿，使其損壞，當(dāng)有IGBT因故障損壞時(shí)，2個(gè)并聯(lián)的IGBT器件更容易更換，達(dá)到冗余目的，不需要停電更換器件，從而減少企業(yè)損失。剩下一組3、4、5、6為G4PH50UD型號(hào)的IGBT管，因其是一直處在工作狀態(tài)，所以選用電壓電流閾值更高的型號(hào)，在電路中起到逆變開(kāi)關(guān)作用，而1、2、7、8號(hào)不需要長(zhǎng)時(shí)間工作，所以選擇低端型號(hào)可以減少成本。

（二）SPWM技術(shù)及原理（面積等效原理）

根據(jù)上式（3-1）把的矩形波按照展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，根據(jù)（3-2和3-3）式得出基波的有效值和幅值，當(dāng)電阻電感為負(fù)載時(shí)，基波的電流為：

在本文中，主要是利用此單片機(jī)的專(zhuān)用SPWM功能設(shè)計(jì)出LED電源需要的SPWM輸出。

四、實(shí)驗(yàn)與結(jié)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(diǎn)亮要求。

參考文獻(xiàn)

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