由MOS管、變壓器構(gòu)成的DC-AC逆變器工作原理

圖6

為解釋MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)程。如圖6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(fù)極)時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)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(yùn)動(dòng)，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(fù)極，N端接正極)時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。

圖7a 圖7b

對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管(見(jiàn)圖7)，在柵極沒(méi)有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)?span style="line-height: 1.5; ">態(tài)(圖7a)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)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(dǎo)體中(見(jiàn)圖7b)，從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出了P溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作過(guò)程，其工作原理類(lèi)似這里不再重復(fù)。

圖8

下面簡(jiǎn)述一下用C-MOS場(chǎng)效應(yīng)管(增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管)組成的應(yīng)用電路的工作過(guò)程(見(jiàn)圖9)。電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)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(shí)，N溝道MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管和N溝道MOS場(chǎng)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(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1到2V時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱耍沟迷撾娐凡粫?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。

由以上分析我們可以畫(huà)出原理圖中MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路部分的工作過(guò)程(見(jiàn)圖10)。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(hào)通過(guò)變壓器的低壓繞組時(shí)，會(huì)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(shí)，變壓器的低壓側(cè)有時(shí)會(huì)有很大的電流通過(guò)，所以該電路的保險(xiǎn)絲不能省略或短接。

制作要點(diǎn)

電路板見(jiàn)圖11。所用元器件可參考圖12。逆變器用的變壓器采用次級(jí)為12V、電流為10A、初級(jí)電壓為220V的成品電源變壓器。P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2SJ471)最大漏極電流為30A，在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)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(yīng)管(2SK2956)最大漏極電流為50A，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)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(yīng)注意這點(diǎn)。圖13展示本文介紹的逆變器場(chǎng)效應(yīng)管在散熱器(100mm×100mm×17mm)上的位置分布和接法。盡管場(chǎng)效應(yīng)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。