自制逆變器電路及工作原理

今天我們來介紹一款逆變器（見圖1）主要由MOS場效應管，普通電源變壓器構成。其輸出功率取決于MOS場效應管和電源變壓器的功率，免除了煩瑣的變壓器繞制，適合電子愛好者業余制作中采用。下面介紹該變壓器的工作原理及制作過程。

電路圖（1）
工作原理：

這里我們將詳細介紹這個逆變器的工作原理。

一、方波的產生

這里采用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震蕩頻率不穩。電路的震蕩是通過電容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=1/2.2x103x2.2x10—6=62.6Hz，最小頻率為fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x10—6=48.0Hz。由于元件的誤差，實際值會略有差異。其它多余的發相器，輸入端接地避免影響其它電路。


圖2
二、 場效應管驅動電路。
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3所示。


圖3
三、 場效應管電源開關電路。
場效應管是該裝置的核心，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。
MOS場效應管也被稱為MOS FET，即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。本文使用的是增強型MOS場效應管，其內部結構見圖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，對于N溝道型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（或稱場電壓）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4
為解釋MOS場效應管的工作原理，我們先了解一下僅含一個P—N結的二極管的工作過程。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端接負極）時，二極管導通，其PN結有電流通過。這是因在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結沒有電流流過，二極管截止。


圖5

對于場效應管（圖6），在柵極沒有電壓時，有前面的分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時場效應管處于截止狀態（圖6a）。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6b），從而形成電流，使源極和漏極之間導通。我們也可以想象為兩個N型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當于為他們之間搭了一座橋梁，該橋梁的大小由柵壓決定。圖8給出了P溝道場效應管的工作過程，其工作原理類似這里就不再重復。

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8）。電路將一個增強型P溝道MOS場校官和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用。當輸入端為底電平時，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1V到2V時，MOS場效應管即被關斷。不同場效應管關斷電壓略有不同。也以為如此，使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。
以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應管部分的工作過程（見圖9）。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。

電路板見圖11。所用元件可參考圖12。逆變器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
圖14

四、逆變器的性能測試
測試電路見圖15。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。