自制逆变器电路及工作原理

自制逆变器电路及工作原理 作者：本站 来源：本站整理 发布时间：2009-11-20 11:54:11 [收 藏] [评 论] 自制逆变器电路及工作原理 今天我们来介绍一款逆变器（见图 1）主要由 MOS 场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于 MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下面 介绍该变压器的工作原理及制作过程。 电路图（1） 工作原理： 这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。 一、方波的产生 这里采用 CD4069 构成方波信号发生器。电路中 R1 是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的 震荡频率不稳。电路的震荡是通过电容 C1 充放电完成的。其振荡频率为 f=1/2.2RC。图示电路的最大频 率为：fmax=1/2.2x103x2.2x10—6=62.6Hz，最小频率为 fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x10—6=48.0Hz。由于元件 的误差，实际值会略有差异。其它多余的发相器，输入端接地避免影响其它电路。 图 2 二、 场效应管驱动电路。 由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为 0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用 TR1、TR 2 将振荡信号电压放大至 0~12V。如图 3 所示。 图 3 三、 场效应管电源开关电路。 场效应管是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下 MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为 MOS FET，即 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物 半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的是增强型 MOS 场效应管，其内部 结构见图 4。它可分为 NPN 型和 PNP 型。NPN 型通常称为 N 沟道型，PNP 型通常称 P 沟道型。由图可 看出，对于 N 沟道型的场效应管其源极和漏极接在 N 型半导体上，同样对于 P 沟道的场效应管其源极和 漏极则接在 P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输 出电流是由输入的电压（或称场电压）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很 高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。 图 4 为解释 MOS 场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含一个 P—N 结的二极管的工作过程。如图 5 所示 ，我们知道在二极管加上正向电压（P 端接正极，N 端接负极）时，二极管导通，其 PN 结有电流通过。 这是因在 P 型半导体端为正电压时，N 型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的 P 型半导体端，而 P 型半导体端内的正电子则朝 N 型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P 端接负极，N 端接正极时，这时在 P 型半导体端为负电压，正电子被聚集在 P 型半导体端，负电子则聚集 在 N 型半导体端，电子不移动，其 PN 结没有电流流过，二极管截止。 图 5 对于场效应管（图 6），在栅极没有电压时，有前面的分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此 时场效应管处于截止状态（图 6a）。当有一个正电压加在 N 沟道的 MOS 场效应管栅极上时，由于电场的 作用，此时 N 型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子 聚集在两个 N 沟道之间的 P 型半导体中（见图 6b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可 以想象为两个 N 型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为他们之间搭了一座桥梁，该桥梁的大 小由栅压决定。图 8 给出了 P 沟道场效应管的工作过程，其工作原理类似这里就不再重复。 下面简述一下用 C—MOS 场效应管（增强型 MOS 场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图 8）。电 路将一个增强型 P 沟道 MOS 场校官和一个增强型 N 沟道 MOS 场效应管组合在一起使用。当输入端为底 电平时，P 沟道 MOS 场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N 沟道 MOS 场效应 管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P 沟道 MOS 场效应管和 N 沟道场效应管总是在相反的状态 下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流 的影响，使得栅压在还没有到 0V，通常在栅极电压小于 1V 到 2V 时，MOS 场效应管即被关断。不同场 效应管关断电压略有不同。也以为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。 以上分析我们可以画出原理图中 MOS 场效应管部分的工作过程（见图 9）。工作原理同前所述，这种低 电压、大电流、频率为 50Hz 的交变信号通过变压器的低压绕组时，会在变压器的高压侧感应出高压交流 电压，完成直流到交流的转换。这里需要注意的是，在某些情况下，如振荡部分停止工作时，变压器的低 压侧有时会有很大的电流通过，所以该电路的保险丝不能省略或短接。 电路板见图 11。所用元件可参考图 12。逆变器的变压器采用次级为 12V、电流为 10A、初级电压为 220V 的成品电源变压器。P 沟道 MOS 场效应管（2SJ471 ）最大漏极电流为 30A，在场效应管导通时，漏—源 极间电阻为 25 毫欧。此时如果通过 10A 电流时会有 2.5W 的功率消耗。N 沟道 MOS 场效应管（2SK2956 ）最大漏极电流为 50A，场效应管导通时，漏—源极间电阻为 7 毫欧，此时如果通过 10A 电流时消耗的 功率为 0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流情况下， 2SJ471 的发热量约为 2SK2956 的 4 倍。所以在 考虑散热器时应注意这点。图 13 展示本文介绍的逆变器场效应管在散热器（100mm×100mm×17mm）上 的位置分布和接法。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大，出于安全考虑这里选用的散热器稍 偏大。 图 11 图 12 图 13 图 14 四、逆变器的性能测试 测试电路见图 15。这里测试用的输入电源采用内阻低、放电电流大（一般大于 100A）的 12V 汽车电瓶， 可为电路提供充足的输入功率。测试用负载为普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小，并测量此 时的输入电流、电压以及输出电压。其测试结果见电压、电流曲线关系图（图 15a）。可以看出，输出电 压随负荷的增大而下降，灯泡的消耗功率随电压变化而改变。我们也可以通过计算找出输出电压和功率的 关系。但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变，并且输出电压、电流也不是正弦波， 所以这种的计算只能看作是估算。以负载为 60W 的电灯泡为例： 假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为 R 灯=V2/W=2102/60=735Ω，所以在电压为 208V 时，W=V2/ R=2082/735=58.9W。由此可折算出电压和功率的关系。通过测试，我们发现当输出功率约为 100W 时， 输入电流为 10A。此时输出电压为 200V。逆变器电源效率特性见图 15b。图 16 为逆变器连续 100W 负载 时，场效应管的温升曲线图。图 17 为不同负载时输出波形图，供大家制作是参考。