Com funcionen els díodes i els MOSFET/IGBT junts als inversors?

1, Complementarietat funcional en arquitectura de topologia
(1) Mode col·laboratiu minimalista d'inversor de mig pont
L'inversor de mig pont adopta una estructura de doble díode de commutació dual, i el costat de CC forma dos punts potencials de ± Vdc/2 mitjançant la divisió de tensió del condensador. Quan el MOSFET del braç del pont superior (Q1) està activat, el camí actual és Vdc/2 → Q1 → càrrega → Vdc/2, i en aquest moment, el díode del braç del pont inferior (D2) es troba en estat de tall invers. Quan s'apaga Q1, la força electromotriu inversa generada per la inductància de càrrega forma un circuit de roda lliure a través de D2: càrrega → D2 → Vdc/2. Aquest procés assoleix dues funcions bàsiques:

Pinça de tensió: limiteu la tensió que pot suportar el MOSFET a Vdc/2 per evitar una ruptura de sobretensió;
Feedback d'energia: proporciona un canal d'alliberament per a l'emmagatzematge d'energia inductiu per evitar pics de tensió causats per canvis sobtats de corrent.
Les dades experimentals mostren que en un sistema inversor de mig pont d'1 kW, el màxim de corrent lliure de D2 pot arribar a 1,5 vegades el corrent de càrrega nominal, i el seu temps de recuperació inversa s'ha de controlar en 100 ns per garantir l'eficiència de commutació. L'ús de díodes de recuperació ràpida (com STTH3R06) pot augmentar l'eficiència del sistema en un 2,3% i reduir l'augment de la temperatura en 15 graus.

(2) Arquitectura col·laborativa redundant de l'inversor de pont complet
L'inversor de pont complet adopta una estructura de quatre interruptors de quatre díodes, que aconsegueix una inversió de polaritat de voltatge de sortida mitjançant la conducció alterna de dos parells d'interruptors. La seva singularitat es reflecteix en:

Control bipolar: mitjançant la combinació de conducció T1-T4, es pot obtenir una variació de tensió completa de ± Vdc al final de la càrrega. Els díodes D1-D4 no només fan la funció de roda lliure, sinó que també formen un canal de retroalimentació d'energia;
Protecció d'errors: quan T1 i T4 estan equivocats, D2-D3 pot formar un camí de protecció contra curtcircuits per evitar curtcircuits del bus de CC.
Les proves comparatives mostren que la tensió inversa màxima suportada pels díodes a l'estructura del pont complet es redueix en un 50% en comparació amb l'estructura del mig pont, però s'han de gestionar corrents transitories més altes (fins a dues vegades el corrent de càrrega). En un inversor de pont complet trifàsic, els díodes també han d'assumir la funció d'equilibri energètic fase a fase. Quan passa el corrent d'una determinada fase, els díodes del braç del pont corresponent poden guiar l'excés d'energia per fluir cap a altres fases, aconseguint una distribució dinàmica de la potència.

2, Mecanisme de gestió energètica en resposta dinàmica
(1) Protecció de corrent contínua del díode corporal MOSFET
El díode del cos integrat dins del MOSFET té un paper clau en els inversors. Quan la càrrega inductiva està connectada al drenatge MOSFET, l'energia elèctrica s'emmagatzema immediatament dins de la càrrega i el pic EMF invers generat en el moment de l'apagada forma un camí de roda lliure a través del díode del cos. Prenent com a exemple el motor de CC sense escombretes:

Escenari de commutació d'alta freqüència: durant la commutació d'alta-freqüència del MOSFET Q1, el díode corporal D2 proporciona un camí lliure per al corrent de l'inductor durant el període d'apagada de Q1;
Supressió de pics de corrent: la inductància L1 presenta una alta impedància al corrent de pic, donant lloc a pics de corrent addicionals quan Q1 condueix. Mitjançant l'ús de MOSFET amb característiques de recuperació ràpida del díode del cos (com la sèrie SuperFREDmesh de ST), les pèrdues de commutació es poden reduir en un 65% i la temperatura de la carcassa es pot reduir de 60 graus a 50 graus.
(2) Retroalimentació d'energia del díode antiparal·lel IGBT
Com a dispositiu principal en escenaris d'alta-tensió i intensitat de corrent, el díode de recuperació ràpida (FRD) antiparal·lel d'IGBT té un paper fonamental en el flux d'energia bidireccional. En un inversor ressonant en sèrie:

Gestió del temps mort: durant la commutació IGBT als braços del pont superior i inferior, els díodes antiparal·lels proporcionen un camí per al corrent reactiu per evitar pics de tensió causats per la inductància perduda al circuit;
Absorció d'energia ressonant: quan s'apaga VT1, l'energia emmagatzemada a la inductància dispersa Lm de la línia es transfereix al circuit de memòria intermèdia a través del díode antiparal·lel VD1 per evitar que l'Uce sobrepassi.
Els experiments han demostrat que l'ús de díodes de recuperació ràpida{0}}alt rendiment (com ara C3D10060E) pot reduir les pèrdues de commutació dels mòduls IGBT en un 40% i millorar l'eficiència del sistema fins al 98,2%.

3, Requisits de concordança de paràmetres en estratègies de control
(1) Adaptació de control simple de l'inversor de mig pont
L'estructura del mig pont sol adoptar un control SPWM bipolar o unipolar, i els requisits dels díodes se centren en les característiques estàtiques:

Temps de recuperació inversa: trr Menor o igual a 50 ns (apte per a la commutació d'alta-freqüència);
Capacitat de la unió: Cj Menor o igual a 100pF (redueix el soroll de l'interruptor).
Segons les dades de selecció d'un determinat projecte d'inversor de cotxes, l'ús de díodes de recuperació ultra ràpida (com ara MUR860) pot reduir la interferència electromagnètica (EMI) en 8 dB i escurçar el temps de la zona morta de 500 ns a 200 ns.

(2) Adaptació de modulació complexa de l'inversor de pont complet
L'estructura completa del pont admet tecnologies de modulació avançades com la duplicació de freqüència SPWM, que imposa requisits dinàmics més elevats als díodes.

Estabilitat de la temperatura: dins del rang de -40 graus ~ 150 graus, la taxa de canvi de caiguda de pressió cap endavant ha de ser inferior o igual a 5 mV/ grau;
Capacitat antiallau: ha de suportar l'energia d'allau almenys 1,5 vegades el corrent nominal.
Una determinada caixa d'accionament del motor industrial mostra que l'ús de díodes de carbur de silici (com ara C3D10060E) pot reduir el volum del sistema en un 40% i augmentar la densitat de potència a 3,2 kW/L. Els seus avantatges principals rau en:

La recuperació inversa de la càrrega Qrr es redueix un 70%;
L'estabilitat de la caiguda de pressió de conducció augmenta tres vegades en ambients d'alta temperatura.