12V逆变器(直流12V转交流220逆变器)的原理及制作过程

12V逆变器（直流12V转交流220逆变器）的原理及制作过程这里介绍的逆变器（见图）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。下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。12V逆变器电路图逆变器电路图如下图所示:IC14069UBIC2.78L05TR12SC1815TR2-.2Sfcl815TRg2SJ471TR4W2956TR52S.J471TR62SK2956OUTPUTAC220V12V逆变器原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。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=l/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=l/2.2X3.3X103 X2.2X 10-6=62.6Hz; 最小频率fmin=1/2.2X4.3 X 103X2.2X 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+12V丄/图4由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大幅度为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012V。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。图5MOS 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。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。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。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。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。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（100mmX 100mm X 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。C1815780510025502512V 逆变器性能测试 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=735 Q，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。12V汽车电瓶DCAC输入输出(12V)C220V)DC-AC逆变器灯泡空载时输出波形60W负载120W负载