Какова функция диодов в мостовых схемах инверторов?

一, Топология мостовой схемы: энергетические каналы, построенные диодами
Мостовая схема состоит из четырех переключающих устройств (таких как IGBT, MOSFET) и четырех диодов, образующих симметричную структуру в форме буквы «H» -. По типу коммутационного устройства его можно разделить на полностью управляемые мостовые схемы (например, мосты IGBT) и полууправляемые мостовые схемы (например, тиристорные мосты), но независимо от типа диоды играют решающую роль.

Конфигурация диодов в топологии полного моста
В полностью управляемом мостовом инверторе каждое переключающее устройство (например, IGBT) подключается обратно параллельно диоду. Например, в H-мосте, состоящем из четырех N--канальных МОП-транзисторов, диоды D1-D4 подключены обратно параллельно Q1-Q4, образуя двунаправленные каналы тока. Когда Q1 и Q4 являются проводящими, ток течет от положительного полюса стороны постоянного тока через Q1, нагрузку и Q4 обратно к отрицательному полюсу; Когда Q1 выключен, а Q2 включен, ток нагрузки протекает через D2, чтобы избежать скачков напряжения.
Роль диодов в полумостовой топологии.
Полумостовая схема состоит из двух переключающих устройств и двух конденсаторов, причем в этом сценарии для ограничения используются в основном диоды. Например, в фотоэлектрических инверторах полумостовая топология ограничивает напряжение на стороне постоянного тока в безопасном диапазоне с помощью диодов, чтобы предотвратить повреждение переключающих устройств из-за перенапряжения.
2. Основная функция диода: от свободного хода до обратной связи по энергии.
1. Защита от постоянного тока: подавляет обратную электродвижущую силу индуктивных нагрузок.
Когда инвертор управляет индуктивными нагрузками (например, двигателями и трансформаторами), ток нагрузки отстает от изменений напряжения. В момент выключения коммутационного устройства энергия магнитного поля нагрузки образует высокий-пик напряжения за счет обратной электродвижущей силы (ЭДС), которая может вывести из строя коммутационное устройство. В этот момент обратные параллельные диоды обеспечивают свободный путь для тока нагрузки, ограничивая обратную электродвижущую силу в безопасном диапазоне напряжения.

Случай: В приводе асинхронного двигателя обмотка статора может быть эквивалентна последовательному соединению сопротивления и индуктивности. Когда IGBT выключен, ток обмотки протекает через обратный параллельный диод, чтобы предотвратить повреждение силовых устройств скачками напряжения. Экспериментальные данные показывают, что интенсивность отказов коммутационных устройств в инверторах без обратных диодов более чем в три раза выше, чем в системах с диодами.

2. Обратная связь по энергии: достижение двунаправленного потока реактивной мощности.
Инвертору типа напряжения требуется параллельный конденсатор на стороне постоянного тока, чтобы обеспечить канал обратной связи реактивной энергии со стороны переменного тока на сторону постоянного тока. Когда полярность выходного напряжения противоположна полярности тока (например, в каскаде индуктивного тока резистивной нагрузки), обратные параллельные диоды проводят ток, позволяя реактивной энергии передаваться обратно на конденсатор на стороне постоянного тока через диоды, избегая накопления энергии и повышения напряжения.

Сравнительный анализ: сторона постоянного тока инвертора источника тока соединена последовательно с большим индуктором, а реактивная энергия буферизуется индуктором без необходимости использования диодов обратной связи; Инверторы типа напряжения должны полагаться на диоды для построения каналов обратной связи по энергии, иначе система выйдет из строя из-за накопления реактивной мощности.

3. Компенсация мертвой зоны: устранение искажений тока, вызванных задержкой переключения.
Чтобы предотвратить прямое короткое-замыкание плеча моста, инверторному управлению необходимо ввести время простоя (обычно 1–5 мкс). В этот период все коммутационные устройства находятся в выключенном состоянии, но ток нагрузки все равно должен протекать. Обратно-параллельные диоды автоматически проводят ток во время простоя, поддерживая непрерывность тока и избегая искажения формы выходного напряжения.

Экспериментальные данные: В фотоэлектрическом инверторе мощностью 10 кВт без диода компенсации мертвой зоны выходное напряжение THD (полное гармоническое искажение) достигает 8%; После внедрения диодов коэффициент нелинейных искажений снизился до уровня ниже 3%, что значительно улучшило качество электроэнергии.

3. Типичные сценарии применения: от промышленного привода до подключения к новой энергосистеме.
1. Промышленный преобразователь частоты: высокоточное-управление двигателем.
В промышленных преобразователях частоты мостовые схемы обеспечивают регулирование скорости с переменной частотой посредством ШИМ-модуляции. В этом сценарии диоды должны выдерживать высокочастотные коммутационные нагрузки (обычно выше 20 кГц), поэтому требуются диоды со сверхбыстрым восстановлением (например, SiC-диоды). Их время обратного восстановления можно сократить до менее 10 нс, что в 10 раз выше, чем у традиционных кремниевых диодов-, и значительно снижает потери на переключение.

Кейс: После замены кремниевых-устройств на SiC-диоды КПД системы преобразователя частоты прокатного стана на одном сталелитейном предприятии увеличился с 96 % до 98,5 %, а годовая экономия электроэнергии достигла 2 млн кВтч.

2. Фотоэлектрический инвертор: отслеживание точки максимальной мощности (MPPT)
В инверторах, подключенных к фотоэлектрической сети, мостовая схема должна обеспечивать преобразование постоянного тока в переменный, одновременно максимизируя эффективность выработки электроэнергии с помощью алгоритма MPPT. В этом случае диодам необходимо сбалансировать низкое прямое падение напряжения и высокую выдерживаемость напряжения. Например, использование диодов Шоттки позволяет уменьшить прямое падение напряжения с 0,7 В до 0,3 В, тем самым уменьшая потери мощности.

Сравнение данных: В фотоэлектрическом инверторе мощностью 100 кВт использование диодов Шоттки может увеличить годовую выработку электроэнергии на 12000 кВтч и сократить период окупаемости инвестиций на 6 месяцев по сравнению с обычными диодами.

3. Контроллер двигателя электромобиля: преобразование мощности с высокой-плотностью.
Контроллер двигателя электромобиля должен обеспечивать преобразование высокой плотности мощности в ограниченном пространстве. Диоды в мостовых схемах должны выдерживать высокие плотности тока (обычно выше 200 А/см²), поэтому для достижения соединения с низким термическим сопротивлением за счет технологии спекания серебром требуется обжимной диодный модуль, обеспечивающий стабильную работу устройства при высоких температурах до 150 градусов.

Технологический прорыв: в последнем контроллере двигателя одной автомобильной компании используется обжатый диодный модуль SiC с плотностью мощности 50 кВт/л, что в три раза выше, чем у традиционных решений на основе кремния-, а эффективность системы превысила 98,5%.