1、12V 转 220V 交流逆变器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
2、6=62.6Hz,最小频率为fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x106=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 05V,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 012V。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 Ef
3、fect 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、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 PN 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
5、 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 CMOS 场效应管(增
6、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。
7、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 8图 9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
8、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(100mm100mm17mm)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 1
9、3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:图 15图 16、17假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为 R 灯=V2/W=2102/60=735,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。