Как диоды и MOSFET/IGBT работают вместе в инверторах?

1. Функциональная взаимодополняемость в топологической архитектуре.
(1) Минималистичный совместный режим полумостового инвертора
Полумостовой инвертор имеет структуру с двойным переключателем и двойным диодом, а сторона постоянного тока образует две потенциальные точки ± Vdc/2 посредством разделения напряжения конденсатора. Когда МОП-транзистор верхнего плеча моста (Q1) включен, путь тока составляет Vdc/2 → Q1 → нагрузка → Vdc/2, и в это время диод нижнего плеча моста (D2) находится в состоянии обратного отсечки. Когда Q1 выключен, обратная электродвижущая сила, создаваемая индуктивностью нагрузки, образует цепь свободного хода через D2: нагрузка → D2 → Vdc/2. Этот процесс выполняет две основные функции:

Зажим напряжения: Ограничьте напряжение, которое может выдержать МОП-транзистор, до В постоянного тока/2, чтобы избежать пробоя из-за перенапряжения;
Обратная связь по энергии: обеспечивает канал высвобождения индуктивной энергии для предотвращения скачков напряжения, вызванных внезапными изменениями тока.
Экспериментальные данные показывают, что в полумостовой инверторной системе мощностью 1 кВт пиковый ток свободного хода D2 может достигать 1,5-кратного номинального тока нагрузки, а время обратного восстановления необходимо контролировать в пределах 100 нс, чтобы обеспечить эффективность переключения. Использование диодов с быстрым восстановлением (таких как STTH3R06) позволяет повысить эффективность системы на 2,3% и снизить повышение температуры на 15 градусов.

(2) Резервированная совместная архитектура полного мостового инвертора.
Полномостовой инвертор имеет структуру с четырьмя переключателями и четырьмя диодами, которая обеспечивает изменение полярности выходного напряжения за счет попеременной проводимости двух пар переключателей. Его уникальность выражается в:

Биполярное управление: благодаря сочетанию проводимости T1-T4 на стороне нагрузки можно получить полный размах напряжения ± В постоянного тока. Диоды D1-D4 не только выполняют функцию свободного хода, но и образуют канал обратной связи по энергии;
Защита от неисправностей: когда T1 и T4 оба ошибочны, D2-D3 может образовать путь защиты от короткого замыкания для предотвращения короткого замыкания на шине постоянного тока.
Сравнительные испытания показывают, что пиковое обратное напряжение, выдерживаемое диодами в полной мостовой структуре, снижается на 50% по сравнению с полумостовой структурой, но необходимо выдерживать более высокие переходные токи (до двух раз превышающие ток нагрузки). В трехфазном мостовом инверторе диоды также должны выполнять функцию межфазного баланса энергии. Когда ток определенной фазы опережает, диоды соответствующего плеча моста могут направлять избыточную энергию в другие фазы, обеспечивая динамическое распределение мощности.

2. Механизм управления энергией в динамическом режиме.
(1) Защита от постоянного тока корпуса MOSFET-диода
Корпусной диод, встроенный в MOSFET, играет ключевую роль в инверторах. Когда индуктивная нагрузка подключена к стоку МОП-транзистора, электрическая энергия немедленно сохраняется внутри нагрузки, а пик обратной ЭДС, генерируемый в момент выключения, образует свободный путь через корпус диода. В качестве примера рассмотрим привод бесщеточного двигателя постоянного тока:

Сценарий высокочастотного переключения: во время высокочастотного переключения полевого МОП-транзистора Q1 внутренний диод D2 обеспечивает свободный путь для тока дросселя во время периода выключения Q1;
Подавление всплесков тока. Индуктивность L1 демонстрирует высокий импеданс по отношению к всплеску тока, что приводит к дополнительным всплескам тока при проведении Q1. Используя МОП-транзисторы с характеристиками быстрого восстановления внутренних диодов (например, серию ST SuperFREDmesh), потери на переключении можно уменьшить на 65%, а температуру корпуса можно снизить с 60 до 50 градусов.
(2) Энергетическая обратная связь антипараллельного диода IGBT
Являясь основным устройством в сценариях с высоким-напряжением и сильным током, антипараллельный диод с быстрым восстановлением (FRD) IGBT играет основную роль в двунаправленном потоке энергии. В последовательном резонансном инверторе:

Управление временем простоя: во время коммутации IGBT в верхнем и нижнем плечах моста антипараллельные диоды обеспечивают путь для реактивного тока, чтобы избежать скачков напряжения, вызванных паразитной индуктивностью в цепи;
Резонансное поглощение энергии: при выключении VT1 ​​запасенная энергия в паразитной индуктивности Lm линии передается в буферную цепь через противопараллельный диод VD1, чтобы предотвратить перерегулирование Uce.
Эксперименты показали, что использование высокоэффективных-диодов с быстрым восстановлением (таких как C3D10060E) позволяет снизить коммутационные потери модулей IGBT на 40 % и повысить эффективность системы до 98,2 %.

3. Требования к согласованию параметров в стратегиях управления.
(1) Простая адаптация управления полумостовым инвертором
В полумостовой структуре обычно используется биполярное или униполярное управление ШИМ, а требования к диодам сосредоточены на статических характеристиках:

Время обратного восстановления: trr Меньше или равно 50 нс (подходит для высокочастотного переключения);
Емкость перехода: Cj Меньше или равна 100 пФ (снижает шум переключателя).
Согласно данным выбора конкретного проекта автомобильного инвертора, использование диодов со сверхбыстрым восстановлением (таких как MUR860) может снизить электромагнитные помехи (EMI) на 8 дБ и сократить время мертвой зоны с 500 нс до 200 нс.

(2) Сложная адаптация модуляции полного мостового инвертора.
Полномостовая структура поддерживает передовые технологии модуляции, такие как SPWM с удвоением частоты, что предъявляет более высокие динамические требования к диодам.

Стабильность температуры: в диапазоне от -40 до 150 градусов скорость изменения падения давления в прямом направлении должна быть меньше или равна 5 мВ/градус;
Противолавинная способность: он должен выдерживать лавинную энергию, превышающую номинальный ток как минимум в 1,5 раза.
На примере одного промышленного привода двигателя показано, что использование карбидокремниевых диодов (таких как C3D10060E) позволяет уменьшить объем системы на 40 % и увеличить удельную мощность до 3,2 кВт/л. Его ключевые преимущества заключаются в:

Обратное восстановление заряда Qrr снижается на 70%;
Стабильность падения давления проводимости увеличивается в три раза в условиях высоких температур.