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一款適合自制采用普通電源變壓器的MOS場(chǎng)效應管逆變器制作全過(guò)程

         這里介紹的逆變器（見(jiàn)圖1）主要由MOS場(chǎng)效應管，普通電源變壓器構成。其輸出功率取決于MOS場(chǎng)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(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
　　

一、方波的產(chǎn)生
　　這里采用CD4069構成方波信號發(fā)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(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)效應管驅動(dòng)電路。
　　由于方波信號發(fā)生器輸出的振蕩信號電壓最大振幅為0~5V，為充分驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)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(chǎng)效應管電源開(kāi)關(guān)電路。
        場(chǎng)效應管是該裝置的核心，在介紹該部分工作原理之前，先簡(jiǎn)單解釋一下MOS場(chǎng)效應管的工作原理。MOS場(chǎng)效應管也被稱(chēng)為MOS FET，即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管）的縮寫(xiě)。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的是增強型MOS場(chǎng)效應管，其內部結構見(jiàn)圖4。它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱(chēng)為N溝道型，PNP型通常稱(chēng)P溝道型。由圖可看出，對于N溝道型的場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱(chēng)場(chǎng)電壓）控制，可以認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(chēng)之為場(chǎng)效應管的原因。

圖4

       為解釋MOS場(chǎng)效應管的工作原理，我們先了解一下僅含一個(gè)P—N結的二極管的工作過(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端接負極）時(shí)，二極管導通，其PN結有電流通過(guò)。這是因在P型半導體端為正電壓時(shí)，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(dòng)，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(shí)，這時(shí)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(dòng)，其PN結沒(méi)有電流流過(guò)，二極管截止。

        對于場(chǎng)效應管（圖6），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)效應管處于截止狀態(tài)（圖6a）。當有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來(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型半導體中（見(jiàn)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(gè)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(chǎng)效應管的工作過(guò)程，其工作原理類(lèi)似這里就不再重復。

        下面簡(jiǎn)述一下用C—MOS場(chǎng)效應管（增強型MOS場(chǎng)效應管）組成的應用電路的工作過(guò)程（見(jiàn)圖8）。電路將一個(gè)增強型P溝道MOS場(chǎng)校官和一個(gè)增強型N溝道MOS場(chǎng)效應管組合在一起使用。當輸入端為底電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應管導通，輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應管導通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應管和N溝道場(chǎng)效應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)效應管即被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應管關(guān)斷電壓略有不同。也以為如此，使得該電路不會(huì )因為兩管同時(shí)導通而造成電源短路。

圖8

圖9

        由以上分析我們可以畫(huà)出原理圖中MOS場(chǎng)效應管部分的工作過(guò)程（見(jiàn)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(guò)變壓器的低壓繞組時(shí)，會(huì )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(shí)，變壓器的低壓側有時(shí)會(huì )有很大的電流通過(guò)，所以該電路的保險絲不能省略或短接。

         電路板見(jiàn)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(chǎng)效應管（2SJ471）最大漏極電流為30A，在場(chǎng)效應管導通時(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)效應管（2SK2956）最大漏極電流為50A，場(chǎng)效應管導通時(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)應注意這點(diǎn)。圖13展示本文介紹的逆變器場(chǎng)效應管在散熱器（100mm×100mm×17mm）上的位置分布和接法。盡管場(chǎng)效應管工作于開(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11

圖12

圖13

四、逆變器的性能測試
        這里測試用的輸入電源采用內阻低、放電電流大（一般大于100AH）的12V汽車(chē)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(guò)改變負載大小，并測量此時(shí)的輸入電流、電壓以及輸出電壓。其測試結果見(jiàn)電壓、電流曲線(xiàn)關(guān)系圖（圖15）?？梢钥闯?，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(guò)計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，所以這種的計算只能看作是估算。以負載為60W的電燈泡為例：

 

圖 15

圖 16

         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(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)測試，我們發(fā)現當輸出功率約為100W時(shí)，輸入電流為10A。此時(shí)輸出電壓為200V。圖16為不同負載時(shí)輸出波形圖，供大家制作是參考。
再給大家看看廠(chǎng)家做好的逆變器產(chǎn)品，只要我們大家肯動(dòng)手，做出來(lái)并不比他們的差??！