自制逆变器电路及工作原理

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、 TR2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。图 6 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 7）。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。图 7 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 8）。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。图 8 图 9 电路板见图 10。 所用元件可参考图 11。 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 12 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 10 图 11 图 12 图 13 四、逆变器的性能测试测试电路见图 13。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 14a）。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 14b。图 15 为不同负载时输出波形图。供大家制作是参考。图 15 图 16