12V转220V交流逆变器工作原理

12V 转转 220V 交流逆变器工作原理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 6 62 6Hz 最小频率为 fmin 1 2 2x4 3x103x2 2x10 6 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 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 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 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 为解释 MOS 场效应管的工作原理 我们先了解一下仅含一个 P N 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 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 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 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 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 图 11 图 12 图 13 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