采用普通電源變壓器的MOS場(chǎng)效應(yīng)管逆變器

逆變器主要由MOS場(chǎng)效應(yīng)管，普通電源變壓器構(gòu)成。其輸出功率取決于MOS場(chǎng)效應(yīng)管和電源變壓器的功率，免除了煩瑣的變壓器繞制，適合電子愛(ài)好者業(yè)余制作中采用。

這里介紹的逆變器主要由MOS場(chǎng)效應(yīng)管，普通電源變壓器構(gòu)成。其輸出功率取決于MOS場(chǎng)效應(yīng)管和電源變壓器的功率，免除了煩瑣的變壓器繞制，適合電子愛(ài)好者業(yè)余制作中采用。下面介紹該變壓器的工作原理及制作過(guò)程。

工作原理

這里我們將詳細(xì)介紹這個(gè)逆變器的工作原理。

一、方波的產(chǎn)生

這里采用CD4069構(gòu)成方波信號(hào)發(fā)生器。電路中R1是補(bǔ)償電阻，用于改善由于電源電壓的變化而引起的震蕩頻率不穩(wěn)。電路的震蕩是通過(guò)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=1/2.2x103x2.2x10—6=62.6Hz，最小頻率為fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x10—6=48.0Hz。由于元件的誤差，實(shí)際值會(huì)略有差異。其它多余的發(fā)相器，輸入端接地避免影響其它電路。

圖2

二、 場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路。

由于方波信號(hào)發(fā)生器輸出的振蕩信號(hào)電壓最大振幅為0~5V，為充分驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)電路，這里用TR1、TR2將振蕩信號(hào)電壓放大至0~12V。如圖3所示。

圖3

三、 場(chǎng)效應(yīng)管電源開(kāi)關(guān)電路。

場(chǎng)效應(yīng)管是該裝置的核心，在介紹該部分工作原理之前，先簡(jiǎn)單解釋一下MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。

MOS場(chǎng)效應(yīng)管也被稱為MOS FET，即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)的縮寫(xiě)。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的是增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型通常稱P溝道型。由圖可看出，對(duì)于N溝道型的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)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(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓(或稱場(chǎng)電壓)控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。

圖4

為解釋MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理，我們先了解一下僅含一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)程。如圖5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(fù)極)時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因在P型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓(P端接負(fù)極，N端接正極時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流流過(guò)，二極管截止。

對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，在柵極沒(méi)有電壓時(shí)，有前面的分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來(lái)而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中，從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想象為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為他們之間搭了一座橋梁，該橋梁的大小由柵壓決定。

下面簡(jiǎn)述一下用C—MOS場(chǎng)效應(yīng)管(增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管)組成的應(yīng)用電路的工作過(guò)程。電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)校官和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為底電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過(guò)這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時(shí)由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒(méi)有到0V，通常在柵極電壓小于1V到2V時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)管即被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷電壓略有不同。也以為如此，使得該電路不會(huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。[!--empirenews.page--]

電路板見(jiàn)圖5。所用元件可參考圖6。逆變器的變壓器采用次級(jí)為12V、電流為10A、初級(jí)電壓為220V的成品電源變壓器。P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2SJ471)最大漏極電流為30A，在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，漏—源極間電阻為25毫歐。此時(shí)如果通過(guò)10A電流時(shí)會(huì)有2.5W的功率消耗。N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2SK2956)最大漏極電流為50A，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，漏—源極間電阻為7毫歐，此時(shí)如果通過(guò)10A電流時(shí)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(fā)熱量約為2SK2956的4倍。所以在考慮散熱器時(shí)應(yīng)注意這點(diǎn)。圖7展示本文介紹的逆變器場(chǎng)效應(yīng)管在散熱器(100mm×100mm×17mm)上的位置分布和接法。盡管場(chǎng)效應(yīng)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)發(fā)熱量不會(huì)很大，出于安全考慮這里選用的散熱器稍偏大。

圖 5

圖6

圖 7

圖8

四、逆變器的性能測(cè)試

這里測(cè)試用的輸入電源采用內(nèi)阻低、放電電流大(一般大于100A)的12V汽車(chē)電瓶，可為電路提供充足的輸入功率。測(cè)試用負(fù)載為普通的電燈泡。測(cè)試的方法是通過(guò)改變負(fù)載大小，并測(cè)量此時(shí)的輸入電流、電壓以及輸出電壓。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)電壓、電流曲線關(guān)系圖(圖15a)。可以看出，輸出電壓隨負(fù)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(guò)計(jì)算找出輸出電壓和功率的關(guān)系。但實(shí)際上由于電燈泡的電阻會(huì)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(jì)算只能看作是估算。以負(fù)載為60W的電燈泡為例：

假設(shè)燈泡的電阻不隨電壓變化而改變。因?yàn)镽燈=V2/W=2102/60=735Ω，所以在電壓為208V時(shí)，W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算出電壓和功率的關(guān)系。通過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出功率約為100W時(shí)，輸入電流為10A。此時(shí)輸出電壓為200V。逆變器電源效率特性見(jiàn)圖15b。圖16為逆變器連續(xù)100W負(fù)載時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的溫升曲線圖。圖17為不同負(fù)載時(shí)輸出波形圖，供大家制作是參考。