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.
方波信號(hào)發(fā)生器(見圖3)
圖3
這里采用六反相器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振蕩頻率不穩(wěn).電路的振蕩是通過(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=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=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(shí)際值會(huì)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(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路.
圖4
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)電源開關(guān)電路,這里用TR1、TR2將振蕩信號(hào)電壓放大至0~12V.如圖4所示.
MOS場(chǎng)效應(yīng)管電源開關(guān)電路.
這是該裝置的核心,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.
圖5
MOS 場(chǎng)效應(yīng)管也被稱為MOS FET, 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)的縮寫.它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種.本文使用的為增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(duì)于N溝道的場(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(或稱電場(chǎng))控制,可以認(rèn)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(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因.
圖6
為解釋MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理,我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)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(fù)極)時(shí),二極管導(dǎo)通,其PN結(jié)有電流通過(guò).這是因?yàn)樵赑型半導(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)沒有電流通過(guò),二極管截止.
圖7a 圖7b
對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管(見圖7),在柵極沒有電壓時(shí),由前面分析可知,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)管處與截止?fàn)顟B(tài)(圖7a).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(見圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導(dǎo)通.我們也可以想像為兩個(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(chǎng)效應(yīng)管的工作過(guò)程,其工作原理類似這里不再重復(fù).
圖8
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(見圖9).電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用.當(dāng)輸入端為低電平時(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MOS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,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時(shí),MOS場(chǎng)效應(yīng)管既被關(guān)斷.不同場(chǎng)效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同.也正因?yàn)槿绱?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.
圖9
由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路部分的工作過(guò)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(hào)通過(guò)變壓器的低壓繞組時(shí),會(huì)在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出高壓交流電壓,完成直流到交流的轉(zhuǎn)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(shí),變壓器的低壓側(cè)有時(shí)會(huì)有很大的電流通過(guò),所以該電路的保險(xiǎn)絲不能省略或短接.
圖10
制作要點(diǎn)
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(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13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11
圖12
圖13
逆變器的性能測(cè)試
測(cè)試電路見圖14.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.
圖14
圖15a 圖15b
圖16、17
