Каковы различные роли диодов в полномостовых и полумостовых инверторах?

1. Различия в топологии определяют фундаментальное функциональное расположение диодов.
(1) Минималистская архитектура полумостового инвертора и роль диодного сердечника
Полумостовой инвертор имеет структуру с двойным переключателем и двойным диодом, а сторона постоянного тока образует две потенциальные точки ± Vdc/2 посредством разделения напряжения конденсатора. Если взять в качестве примера индуктивную нагрузку, то когда переключатель M1 верхнего плеча моста включен, путь тока составляет Vdc/2 → M1 → нагрузка → Vdc/2, а диод D1 находится в состоянии обратного отключения. Когда M1 выключен, обратная электродвижущая сила, создаваемая индуктивностью нагрузки, образует цепь свободного хода через D2: нагрузка → D2 → Vdc/2, которая выполняет две основные функции:

Зажим напряжения: Ограничьте напряжение, которое может выдержать трубка переключателя, 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.

(2) Резервированная архитектура и расширение диодных функций полномостового 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).

2. Динамический отклик диодов в механизме управления энергией.
(1) Однонаправленное управление потоком энергии полумостового инвертора
В полумостовой топологии диоды образуют однонаправленную сеть передачи энергии. Если взять в качестве примера применение фотоэлектрических микроинверторов, то, когда мощность нагрузки меньше входной мощности, индуктивный накопитель энергии подается обратно на шину постоянного тока через D2, и диод должен соответствовать следующим требованиям:

Положительное падение напряжения Менее или равно 0,5 В (уменьшение потерь проводимости);
Обратный восстановительный заряд Qrr Меньше или равен 100 нКл (уменьшение потерь при переключении).
Согласно данным испытаний определенного производителя, использование диодов с быстрым восстановлением (таких как STTH3R06) может повысить эффективность системы на 2,3% и снизить повышение температуры на 15 градусов.

(2) Двунаправленное регулирование энергии полномостового инвертора
Полная мостовая структура обеспечивает более сложное управление энергопотреблением посредством диодной сети:

Активное ограничение: в инверторах с трансформаторной связью D1-D4 может образовывать цепь ограничения для ограничения напряжения трубки переключателя в безопасном диапазоне;
Реализация мягкого переключения: в сочетании с резонансными индукторами диоды могут создавать условия переключения при нулевом напряжении. После внедрения этой технологии потери на переключение полного мостового инвертора мощностью 4 кВт были снижены на 65%.
Особо примечательно, что в трех-полных мостовых инверторах диоды также должны выполнять функцию межфазного баланса энергии. Когда ток определенной фазы опережает, диод соответствующего плеча моста может направлять избыточную энергию в другие фазы, обеспечивая динамическое распределение мощности.

3. Дифференциальные требования к стратегии управления характеристиками диодов.
(1) Простое управление и согласование параметров диодов полумостового инвертора.
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.

(2) Сложная модуляция и динамическая адаптация диодов в полномостовых инверторах.
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 конкретного привода промышленного двигателя показано, что использование карбидокремниевых диодов (таких как C3D10060E) может повысить эффективность системы до 98,2% и сократить время мертвой зоны с 500 нс до 200 нс.

4. Сравнение производительности в типичных сценариях применения.
Параметр полумостового инвертора, полного мостового инвертора
Количество диодов 2, 4
Напряжение напряжения В постоянного тока/2 В постоянного тока
Текущее напряжение в 1,5 раза больше тока нагрузки, в 2 раза больше тока нагрузки.
Низкая сложность управления (биполярная SPWM) и высокая (SPWM с удвоением частоты)
Типичный КПД 92-95% 95-98%
Коэффициент стоимости 1.0 1.8