工作原理
這里我們將詳細介紹這個逆變器的工作原理.
方波信號發生器(見圖3)
圖3
這里采用六反相器CD4069構成方波信號發生器.電路中R1是補償電阻,用于改善由于電源電壓的變化而引起的振蕩頻率不穩.電路的振蕩是通過電容C1充放電完成的.其振蕩頻率為f=1/2.2RC.圖示電路的最大頻率為:fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小頻率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz.由于元件的誤差,實際值會略有差異.其它多余的反相器,輸入端接地避免影響其它電路.
場效應管驅動電路.
圖4
由于方波信號發生器輸出的振蕩信號電壓最大振幅為0~5V,為充分驅動電源開關電路,這里用TR1、TR2將振蕩信號電壓放大至0~12V.如圖4所示.
MOS場效應管電源開關電路.
這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡單解釋一下MOS 場效應管的工作原理.
圖5
MOS 場效應管也被稱為MOS FET, 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金屬氧化物半導體場效應管)的縮寫.它一般有耗盡型和增強型兩種.本文使用的為增強型MOS 場效應管,其內部結構見圖5.它可分為NPN型PNP型.NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型.由圖可看出,對于N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對于P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上.我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流.但對于場效應管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應管的原因.
圖6
為解釋MOS 場效應管的工作原理,我們先了解一下僅含有一個P—N結的二極管的工作過程.如圖6所示,我們知道在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負極)時,二極管導通,其PN結有電流通過.這是因為在P型半導體端為正電壓時,N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端,而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動,從而形成導通電流.同理,當二極管加上反向電壓(P端接負極,N端接正極)時,這時在P型半導體端為負電壓,正電子被聚集在P型半導體端,負電子則聚集在N型半導體端,電子不移動,其PN結沒有電流通過,二極管截止.
圖7a 圖7b
對于場效應管(見圖7),在柵極沒有電壓時,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時場效應管處與截止狀態(圖7a).當有一個正電壓加在N溝道的MOS 場效應管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中(見圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導通.我們也可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定.圖8給出了P溝道的MOS 場效應管的工作過程,其工作原理類似這里不再重復.
圖8
下面簡述一下用C-MOS場效應管(增強型MOS 場效應管)組成的應用電路的工作過程(見圖9).電路將一個增強型P溝道MOS場效應管和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用.當輸入端為低電平時,P溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源正極接通.當輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源地接通.在該電路中,P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管總是在相反的狀態下工作,其相位輸入端和輸出端相反.通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出.同時由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時,MOS場效應管既被關斷.不同場效應管其關斷電壓略有不同.也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路.
圖9
由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應管電路部分的工作過程(見圖10).工作原理同前所述.這種低電壓、大電流、頻率為50Hz的交變信號通過變壓器的低壓繞組時,會在變壓器的高壓側感應出高壓交流電壓,完成直流到交流的轉換.這里需要注意的是,在某些情況下,如振蕩部分停止工作時,變壓器的低壓側有時會有很大的電流通過,所以該電路的保險絲不能省略或短接.
圖10
制作要點
電路板見圖11.所用元器件可參考圖12.逆變器用的變壓器采用次級為12V、電流為10A、初級電壓為220V的成品電源變壓器.P溝道MOS場效應管(2SJ471)最大漏極電流為30A,在場效應管導通時,漏-源極間電阻為25毫歐.此時如果通過10A電流時會有2.5W的功率消耗.N溝道MOS場效應管(2SK2956)最大漏極電流為50A,場效應管導通時,漏-源極間電阻為7毫歐,此時如果通過10A電流時消耗的功率為0.7W.由此我們也可知在同樣的工作電流情況下,2SJ471的發熱量約為2SK2956的4倍.所以在考慮散熱器時應注意這點.圖13展示本文介紹的逆變器場效應管在散熱器(100mm×100mm×17mm)上的位置分布和接法.盡管場效應管工作于開關狀態時發熱量不會很大,出于安全考慮這里選用的散熱器稍偏大.
圖11
圖12
圖13
逆變器的性能測試
測試電路見圖14.這里測試用的輸入電源采用內阻低、放電電流大(一般大于100A)的12V汽車電瓶,可為電路提供充足的輸入功率.測試用負載為普通的電燈泡.測試的方法是通過改變負載大小,并測量此時的輸入電流、電壓以及輸出電壓.其測試結果見電壓、電流曲線關系圖(圖15a).可以看出,輸出電壓隨負荷的增大而下降,燈泡的消耗功率隨電壓變化而改變.我們也可以通過計算找出輸出電壓和功率的關系.但實際上由于電燈泡的電阻會隨受加在兩端電壓變化而改變,并且輸出電壓、電流也不是正弦波,所以這種的計算只能看作是估算.以負載為60W的電燈泡為例:
假設燈泡的電阻不隨電壓變化而改變.因為R燈=V2/W=2102/60=735Ω,所以在電壓為208V時,W=V2/R=2082/735=58.9W.由此可折算出電壓和功率的關系.通過測試,我們發現當輸出功率約為100W時,輸入電流為10A.此時輸出電壓為200V.逆變器電源效率特性見圖15b.圖16為逆變器連續100W負載時,場效應管的溫升曲線圖.圖17為不同負載時輸出波形圖,供大家制作是參考.
圖14
圖15a 圖15b
圖16、17
