電源變壓器的MOS場效應(yīng)管逆變器制作

這里介紹的逆變器(見圖1)主要由MOS場效應(yīng)管,普通電源變壓器構(gòu)成。其輸出功率取決于MOS場效應(yīng)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(yè)余制作中采用。下面介紹該變壓器的工作原理及制作過程。

工作原理  

方波的產(chǎn)生  

這里采用CD4069構(gòu)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(wěn)。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(fā)相器,輸入端接地避免影響其它電路。

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(qū)動電源開關(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。

場效應(yīng)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(yīng)管的工作原理。MOS場效應(yīng)管也被稱為MOS FET,即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(yīng)管,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上,同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)管的原因。

為解釋MOS場效應(yīng)管的工作原理,我們先了解一下僅含一個P—N結(jié)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(dǎo)通,其PN結(jié)有電流通過。這是因在P型半導(dǎo)體端為正電壓時,N型半導(dǎo)體內(nèi)的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端,而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運動,從而形成導(dǎo)通電流。同理,當(dāng)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(dǎo)體端為負電壓,正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端,負電子則聚集在N型半導(dǎo)體端,電子不移動,其PN結(jié)沒有電流流過,二極管截止。

對于場效應(yīng)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(yīng)管處于截止狀態(tài)(圖6a)。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應(yīng)管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導(dǎo)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(dǎo)體中(見圖6b),從而形成電流,使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想象為兩個N型半導(dǎo)體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當(dāng)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(yīng)管的工作過程,其工作原理類似這里就不再重復(fù)。

下面簡述一下用C—MOS場效應(yīng)管(增強型MOS場效應(yīng)管)組成的應(yīng)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(yīng)管組合在一起使用! 

當(dāng)輸入端為底電平時,P溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道場效應(yīng)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(yīng)管即被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管關(guān)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(dǎo)通而造成電源短路。

由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應(yīng)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(cè)感應(yīng)出高壓交流電壓,完成直流到交流的轉(zhuǎn)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(cè)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(yīng)管(2SJ471)最大漏極電流為30A,在場效應(yīng)管導(dǎo)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(yīng)管(2SK2956)最大漏極電流為50A,場效應(yīng)管導(dǎo)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(fā)熱量約為2SK2956的4倍。所以在考慮散熱器時應(yīng)注意這點。圖13展示本文介紹的逆變器場效應(yīng)管在散熱器(100mm×100mm×17mm)上的位置分布和接法。盡管場效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)時發(fā)熱量不會很大,出于安全考慮這里選用的散熱器稍偏大。

 


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