Jak diody i tranzystory MOSFET/IGBT współpracują ze sobą w falownikach?

1, Komplementarność funkcjonalna w architekturze topologii
(1) Minimalistyczny tryb współpracy falownika półmostkowego
Falownik półmostkowy wykorzystuje strukturę podwójnej diody z podwójnym przełącznikiem, a strona prądu stałego tworzy dwa potencjalne punkty o wartości ± Vdc/2 poprzez podział napięcia kondensatora. Kiedy górne ramię mostka MOSFET (Q1) jest włączone, ścieżka prądowa to Vdc/2 → Q1 → obciążenie → Vdc/2 i w tym momencie dolna dioda mostka (D2) znajduje się w stanie odcięcia. Gdy Q1 jest wyłączone, odwrotna siła elektromotoryczna generowana przez indukcyjność obciążenia tworzy obwód swobodny poprzez D2: obciążenie → D2 → Vdc/2. Proces ten spełnia dwie podstawowe funkcje:

Zacisk napięciowy: Ogranicz napięcie, które MOSFET może wytrzymać do Vdc/2, aby uniknąć przebicia spowodowanego przepięciem;
Sprzężenie zwrotne energii: Zapewnia kanał uwalniania indukcyjnego magazynowania energii, aby zapobiec skokom napięcia spowodowanym nagłymi zmianami prądu.
Dane eksperymentalne pokazują, że w systemie inwertera półmostkowego o mocy 1 kW szczytowy prąd swobodnego działania D2 może osiągnąć 1,5-krotność znamionowego prądu obciążenia, a czas powrotu do stanu pierwotnego musi być kontrolowany w ciągu 100 ns, aby zapewnić wydajność przełączania. Zastosowanie diod szybkiego odzyskiwania (takich jak STTH3R06) może zwiększyć wydajność systemu o 2,3% i zmniejszyć wzrost temperatury o 15 stopni.

(2) Nadmiarowa architektura współpracy pełnego falownika mostkowego
Falownik z pełnym mostkiem wykorzystuje strukturę z czterema przełącznikami i czterema diodami, która umożliwia odwrócenie polaryzacji napięcia wyjściowego poprzez naprzemienne przewodzenie dwóch par przełączników. O jego wyjątkowości świadczy:

Sterowanie bipolarne: Dzięki połączeniu przewodzenia T1-T4 można uzyskać pełne wahania napięcia ± Vdc po stronie obciążenia. Diody D1-D4 nie tylko pełnią funkcję gaszenia, ale także tworzą kanał sprzężenia zwrotnego energii;
Zabezpieczenie przed zwarciem: W przypadku błędnego podłączenia T1 i T4, D2-D3 może utworzyć ścieżkę zabezpieczenia przed zwarciem, aby zapobiec zwarciu szyny DC.
Testy porównawcze pokazują, że szczytowe napięcie wsteczne przenoszone przez diody w konstrukcji pełnego mostka jest zmniejszone o 50% w porównaniu do konstrukcji półmostkowej, ale należy obsługiwać wyższe prądy przejściowe (nawet dwukrotnie większe od prądu obciążenia). W trójfazowym falowniku z pełnym mostkiem diody muszą także spełniać funkcję bilansu energetycznego między fazami. Kiedy prąd określonej fazy prowadzi, diody odpowiedniego ramienia mostka mogą skierować nadmiar energii do innych faz, uzyskując dynamiczną dystrybucję mocy.

2, Mechanizm zarządzania energią w odpowiedzi dynamicznej
(1) Ciągłe zabezpieczenie prądowe diody MOSFET
W falownikach kluczową rolę odgrywa dioda korpusowa zintegrowana z MOSFET-em. Kiedy obciążenie indukcyjne jest podłączone do drenu MOSFET, energia elektryczna jest natychmiast magazynowana wewnątrz obciążenia, a szczyt odwrotnego pola elektromagnetycznego generowany w momencie wyłączenia tworzy swobodną ścieżkę przez diodę korpusu. Biorąc za przykład bezszczotkowy napęd silnika prądu stałego:

Scenariusz przełączania wysokiej częstotliwości: Podczas przełączania-wysokiej częstotliwości tranzystora MOSFET Q1, dioda D2 w korpusie zapewnia ścieżkę swobodnego przepływu prądu cewki indukcyjnej podczas okresu wyłączenia tranzystora Q1;
Tłumienie skoków prądu: Indukcyjność L1 wykazuje wysoką impedancję wobec prądu szczytowego, co powoduje dodatkowe skoki prądu, gdy Q1 przewodzi. Dzięki zastosowaniu tranzystorów MOSFET z charakterystyką szybkiego odzyskiwania diody korpusu (takich jak seria SuperFREDmesh firmy ST) straty przełączania można zmniejszyć o 65%, a temperaturę powłoki można obniżyć z 60 stopni do 50 stopni.
(2) Sprzężenie zwrotne energii antyrównoległej diody IGBT
Jako główne urządzenie w scenariuszach wysokiego-napięcia i wysokiego prądu, antyrównoległa dioda szybkiego odzyskiwania (FRD) IGBT odgrywa kluczową rolę w dwukierunkowym przepływie energii. W szeregowym falowniku rezonansowym:

Zarządzanie czasem jałowym: Podczas komutacji IGBT w górnym i dolnym ramieniu mostka, diody antyrównoległe zapewniają ścieżkę dla prądu biernego, aby uniknąć skoków napięcia spowodowanych indukcyjnością rozproszenia w obwodzie;
Rezonansowa absorpcja energii: Gdy VT1 jest wyłączony, energia zmagazynowana w indukcyjności rozproszenia Lm linii jest przekazywana do obwodu buforowego poprzez diodę antyrównoległą VD1, aby zapobiec przeregulowaniu Uce.
Eksperymenty wykazały, że zastosowanie-wysoko wydajnych diod szybkiego odzyskiwania (takich jak C3D10060E) może zmniejszyć straty przełączania modułów IGBT o 40% i poprawić wydajność systemu do 98,2%.

3, Wymagania dotyczące dopasowania parametrów w strategiach sterowania
(1) Proste dostosowanie sterowania falownika półmostkowego
Konstrukcja półmostkowa zwykle przyjmuje dwubiegunowe lub jednobiegunowe sterowanie SPWM, a wymagania dotyczące diod skupiają się na charakterystykach statycznych:

Czas przywracania sygnału zwrotnego: trr mniejszy lub równy 50 ns (odpowiedni do przełączania-wysokiej częstotliwości);
Pojemność złącza: Cj Mniejsza lub równa 100pF (zmniejsza szum przełączania).
Zgodnie z danymi doboru pewnego projektu falownika samochodowego, zastosowanie ultraszybkich diod odzysku (takich jak MUR860) może zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) o 8 dB i skrócić czas martwej strefy z 500 ns do 200 ns.

(2) Złożona adaptacja modulacji falownika z pełnym mostkiem
Pełna konstrukcja mostka obsługuje zaawansowane technologie modulacji, takie jak podwajanie częstotliwości SPWM, co nakłada wyższe wymagania dynamiczne na diody

Stabilność temperatury: W zakresie -40 stopni ~ 150 stopni, szybkość zmiany spadku ciśnienia w przód powinna być mniejsza lub równa 5 mV/stopień;
Zdolność przeciwlawinowa: Musi wytrzymać energię lawinową co najmniej 1,5 razy większą niż prąd znamionowy.
Przykład pewnego przemysłowego napędu silnikowego pokazuje, że zastosowanie diod z węglika krzemu (takich jak C3D10060E) może zmniejszyć objętość systemu o 40% i zwiększyć gęstość mocy do 3,2 kW/l. Jego najważniejsze zalety polegają na:

Odwrotne odzyskiwanie ładunku Qrr zmniejsza się o 70%;
Stabilność spadku ciśnienia przewodzenia zwiększa się trzykrotnie w środowiskach o wysokiej temperaturze.