Як діоди та MOSFET/IGBT працюють разом у інверторах?

1, Функціональна комплементарність в архітектурі топології
(1) Мінімалістичний спільний режим напівмостового інвертора
Напівмостовий інвертор має подвійну діодну структуру з подвійним перемикачем, а сторона постійного струму утворює дві потенційні точки ± Vdc/2 через поділ напруги конденсатора. Коли верхнє плече моста MOSFET (Q1) увімкнено, шлях струму Vdc/2 → Q1 → навантаження → Vdc/2, і в цей час діод нижнього плеча моста (D2) знаходиться в стані зворотного відключення. Коли Q1 вимкнено, зворотна електрорушійна сила, створена індуктивністю навантаження, утворює ланцюг вільного ходу через D2: навантаження → D2 → Vdc/2. Цей процес виконує дві основні функції:

Стрічка напруги: обмежте напругу, яку MOSFET може витримати, до Vdc/2, щоб уникнути перенапруги;
Енергетичний зворотний зв'язок: забезпечує канал вивільнення для індуктивного накопичення енергії, щоб запобігти стрибкам напруги, викликаним раптовими змінами струму.
Експериментальні дані показують, що в напівмостовій інверторній системі потужністю 1 кВт піковий струм вільного ходу D2 може досягати 1,5 номінального струму навантаження, а для забезпечення ефективності перемикання необхідно контролювати час зворотного відновлення в межах 100 нс. Використання діодів швидкого відновлення (таких як STTH3R06) може збільшити ефективність системи на 2,3% і зменшити підвищення температури на 15 градусів.

(2) Резервована спільна архітектура повного мостового інвертора
Повний мостовий інвертор має структуру з чотирма перемикачами і чотирма діодами, яка забезпечує зміну полярності вихідної напруги через чергування двох пар перемикачів. Його унікальність виявляється в:

Біполярне керування: завдяки комбінації провідності T1-T4 можна отримати повне коливання напруги ± В постійного струму на кінці навантаження. Діоди D1-D4 не тільки виконують функцію вільного ходу, але й утворюють канал зворотного зв'язку по енергії;
Захист від несправності: коли T1 і T4 обидва неправильні, D2-D3 може сформувати шлях захисту від короткого замикання, щоб запобігти короткому замиканню шини постійного струму.
Порівняльні випробування показують, що пікова зворотна напруга, яку несуть діоди в повній мостовій структурі, зменшена на 50% порівняно з напівмостовою структурою, але потрібно обробляти вищі перехідні струми (до подвійного струму навантаження). У три-фазному повному мостовому інверторі діоди також повинні виконувати функцію міжфазного балансу енергії. Коли струм певної фази веде, діоди відповідного плеча моста можуть направляти надлишкову енергію до інших фаз, досягаючи динамічного розподілу потужності.

2, Механізм управління енергією в динамічному відгуку
(1) Захист безперервного струму корпусного діода MOSFET
Корпусний діод, інтегрований у MOSFET, відіграє ключову роль у інверторах. Коли індуктивне навантаження підключено до стоку MOSFET, електрична енергія негайно накопичується всередині навантаження, а пік зворотної ЕРС, що генерується в момент вимкнення, утворює шлях вільного ходу через корпусний діод. Як приклад візьмемо безщітковий двигун постійного струму:

Сценарій високочастотного перемикання: під час-високочастотного перемикання MOSFET Q1 корпусний діод D2 забезпечує вільний шлях для струму індуктивності під час періоду вимкнення Q1;
Придушення стрибків струму: індуктивність L1 демонструє високий імпеданс до стрибків струму, що призводить до додаткових стрибків струму, коли Q1 проводить. Використовуючи МОП-транзистори з характеристиками швидкого відновлення корпусних діодів (наприклад, серія ST SuperFREDmesh), втрати комутатора можна зменшити на 65%, а температуру оболонки можна знизити з 60 градусів до 50 градусів.
(2) Енергетичний зворотний зв'язок антипаралельного діода IGBT
Будучи основним пристроєм у сценаріях високої-напруги та сильного струму, протипаралельний діод швидкого відновлення (FRD) IGBT відіграє ключову роль у двонаправленому потоці енергії. У серії резонансний інвертор:

Управління мертвим часом: під час комутації IGBT у верхньому та нижньому плечі моста антипаралельні діоди забезпечують шлях для реактивного струму, щоб уникнути стрибків напруги, викликаних паразитною індуктивністю в ланцюзі;
Резонансне поглинання енергії: коли VT1 ​​вимкнено, накопичена енергія в індуктивності розсіювання Lm лінії передається в буферну схему через антипаралельний діод VD1, щоб запобігти перерегулюванню Uce.
Експерименти показали, що використання високо-діодів швидкого відновлення (таких як C3D10060E) може зменшити втрати на комутацію модулів IGBT на 40% і підвищити ефективність системи до 98,2%.

3, Вимоги до відповідності параметрів у стратегіях управління
(1) Проста адаптація керування напівмостовим інвертором
Напівмостова структура зазвичай приймає біполярне або однополярне керування SPWM, а вимоги до діодів зосереджені на статичних характеристиках:

Час зворотного відновлення: trr Менше або дорівнює 50 нс (підходить для перемикання високої-частоти);
Ємність переходу: Cj Менше або дорівнює 100 пФ (зменшує шум комутатора).
Згідно з даними вибору для певного проекту автомобільного інвертора, використання надшвидких діодів відновлення (таких як MUR860) може зменшити електромагнітні перешкоди (EMI) на 8 дБ і скоротити час мертвої зони з 500 нс до 200 нс.

(2) Комплексна адаптація модуляції повного мостового інвертора
Повна мостова структура підтримує передові технології модуляції, такі як подвоєння частоти SPWM, що накладає вищі динамічні вимоги до діодів

Температурна стабільність: у діапазоні від -40 градусів до 150 градусів швидкість зміни падіння тиску повинна бути менше або дорівнювати 5 мВ/градус;
Протилавинна здатність: він повинен витримувати енергію лавини, щонайменше в 1,5 рази перевищує номінальний струм.
Випадок певного промислового моторного приводу показує, що використання діодів з карбіду кремнію (таких як C3D10060E) може зменшити об’єм системи на 40% і збільшити щільність потужності до 3,2 кВт/л. Його ключові переваги полягають у:

Зворотне відновлення заряду Qrr знижується на 70%;
Стабільність перепаду тиску провідності збільшується в три рази в умовах високої температури.