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工作原理
这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理.
方波信号发生器(见图3)
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图3
这里采用六反相器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振荡频率不稳.电路的振荡是通过电容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=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz.由于元件的误差,实际值会略有差异.其它多余的反相器,输入端接地避免影响其它电路.
场效应管驱动电路.
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图4
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V,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0~12V.如图4所示.
MOS场效应管电源开关电路.
这是该装置的核心,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.
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图5
MOS 场效应管也被称为MOS FET, 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect 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.本文使用的为增强型MOS 场效应管,其内部结构见图5.它可分为NPN型PNP型.NPN型通常称为N沟道型,PNP型也叫P沟道型.由图可看出,对于N沟道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(或称电场)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.
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图6
为解释MOS 场效应管的工作原理,我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程.如图6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.这是因为在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结没有电流通过,二极管截止.
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图7a 图7b
对于场效应管(见图7),在栅极没有电压时,由前面分析可知,在源极与漏极之间不会有电流流过,此时场效应管处与截止状态(图7a).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7b),从而形成电流,使源极和漏极之间导通.我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟,栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁,该桥的大小由栅压的大小决定.图8给出了P沟道的MOS 场效应管的工作过程,其工作原理类似这里不再重复.
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图8
下面简述一下用C-MOS场效应管(增强型MOS 场效应管)组成的应用电路的工作过程(见图9).电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用.当输入端为低电平时,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MOS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1到2V时,MOS场效应管既被关断.不同场效应管其关断电压略有不同.也正因为如此,使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路.
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图9
由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程(见图10).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.
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图10
制作要点
电路板见图11.所用元器件可参考图12.逆变器用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(100mm×100mm×17mm)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.
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图11
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图12
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图13
逆变器的性能测试
测试电路见图14.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:
假设灯泡的电阻不随电压变化而改变.因为R灯=V2/W=2102/60=735Ω,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.
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图14
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图15a 图15b
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图16、17
