Kako diode i MOSFET/IGBT rade zajedno u pretvaračima?

1, Funkcionalna komplementarnost u topološkoj arhitekturi
(1) Minimalistički kolaborativni način polumostnog invertera
Polumostni inverter ima strukturu dvostruke diode sa dvostrukim prekidačem, a DC strana formira dvije potencijalne tačke od ± Vdc/2 kroz kondenzatorsku podjelu napona. Kada je MOSFET gornjeg kraka mosta (Q1) uključen, strujni put je Vdc/2 → Q1 → opterećenje → Vdc/2, a u ovom trenutku dioda donjeg kraka mosta (D2) je u obrnutom stanju prekida. Kada je Q1 isključen, reverzna elektromotorna sila generirana induktivnošću opterećenja formira slobodno kolo kroz D2: opterećenje → D2 → Vdc/2. Ovaj proces ostvaruje dvije osnovne funkcije:

Stezaljka napona: Ograničite napon koji MOSFET može izdržati na Vdc/2 kako biste izbjegli prenaponski slom;
Energetska povratna informacija: Pruža kanal za oslobađanje za induktivno skladištenje energije kako bi se spriječili skokovi napona uzrokovani naglim promjenama struje.
Eksperimentalni podaci pokazuju da u sistemu polumostnog invertera od 1kW, vršna struja slobodnog hoda D2 može dostići 1,5 puta veću od nazivne struje opterećenja, a njeno vrijeme povratnog oporavka treba kontrolisati unutar 100ns kako bi se osigurala efikasnost prebacivanja. Upotreba dioda za brzi oporavak (kao što je STTH3R06) može povećati efikasnost sistema za 2,3% i smanjiti porast temperature za 15 stepeni.

(2) Redundantna kolaborativna arhitektura invertera sa punim mostom
Inverter sa punim mostom ima strukturu sa četiri prekidača i četiri diode, koja postiže preokret polariteta izlaznog napona kroz naizmeničnu provodljivost dva para prekidača. Njegova jedinstvenost se ogleda u:

Bipolarna kontrola: Kombinacijom T1-T4 provodljivosti, potpuni napon od ± Vdc može se postići na kraju opterećenja. Diode D1-D4 ne samo da preuzimaju funkciju slobodnog hoda, već i formiraju kanal povratne energije;
Zaštita od kvara: Kada su oba T1 i T4 pogrešno usmjerena, D2-D3 može formirati zaštitni put od kratkog spoja kako bi spriječio kratki spoj DC magistrale.
Uporedna ispitivanja pokazuju da je vršni reverzni napon koji nose diode u strukturi punog mosta smanjen za 50% u usporedbi sa polumosnom strukturom, ali je potrebno nositi se s većim prolaznim strujama (do dvostruke struje opterećenja). U trofaznom punom mostnom invertoru, diode također moraju preuzeti funkciju faznog energetskog balansa. Kada struja određene faze vodi, diode odgovarajućeg kraka mosta mogu voditi višak energije da teče u druge faze, postižući dinamičku distribuciju snage.

2, Mehanizam upravljanja energijom u dinamičkom odgovoru
(1) Kontinuirana strujna zaštita MOSFET diode
Tijelo dioda integrirana unutar MOSFET-a igra ključnu ulogu u inverterima. Kada je induktivno opterećenje spojeno na MOSFET dren, električna energija se odmah pohranjuje unutar opterećenja, a obrnuti EMF vrh koji se generira u trenutku isključivanja formira slobodni put kroz diodu tijela. Uzimajući pogon jednosmjernog motora bez četkica kao primjer:

Scenarij visokofrekventne komutacije: Tokom visoko-prekidanja visoke frekvencije MOSFET-a Q1, dioda tijela D2 obezbjeđuje slobodni put za struju induktora tokom perioda isključenja Q1;
Supresija strujnih skokova: Induktivnost L1 pokazuje visoku impedanciju prema strujnoj struji, što rezultira dodatnim skokovima struje kada Q1 provodi. Korišćenjem MOSFET-a sa karakteristikama brzog obnavljanja diode (kao što je ST-ova serija SuperFREDmesh), gubici prekidača se mogu smanjiti za 65%, a temperatura ljuske može se smanjiti sa 60 stepeni na 50 stepeni.
(2) Energetska povratna sprega IGBT antiparalelne diode
Kao glavni uređaj u scenarijima visokog-napona i velike struje, IGBT-ova antiparalelna brza povratna dioda (FRD) igra ključnu ulogu u dvosmjernom protoku energije. U serijskom rezonantnom pretvaraču:

Upravljanje mrtvim vremenom: Tokom IGBT komutacije u gornjem i donjem kraku mosta, antiparalelne diode obezbeđuju put za reaktivnu struju kako bi se izbegli skokovi napona uzrokovani zalutalom induktivnošću u kolu;
Apsorpcija rezonantne energije: Kada je VT1 isključen, pohranjena energija u zalutaloj induktivnosti Lm linije se prenosi u međuspremni krug kroz antiparalelnu diodu VD1 kako bi se spriječilo prekoračenje Uce.
Eksperimenti su pokazali da upotreba dioda za brzi oporavak visokih-performansi (kao što je C3D10060E) može smanjiti komutacijske gubitke IGBT modula za 40% i poboljšati efikasnost sistema na 98,2%.

3, Zahtjevi za usklađivanje parametara u strategijama upravljanja
(1) Jednostavna kontrolna adaptacija polumostnog invertera
Struktura polumosta obično usvaja bipolarnu ili unipolarnu SPWM kontrolu, a zahtjevi za diode su fokusirani na statičke karakteristike:

Vrijeme povratnog oporavka: trr Manje ili jednako 50ns (pogodno za visoko-prebacivanje);
Kapacitet spoja: Cj Manji ili jednak 100pF (smanjuje šum prekidača).
Prema podacima o odabiru određenog projekta auto invertera, korištenje ultra brzih dioda za oporavak (kao što je MUR860) može smanjiti elektromagnetne smetnje (EMI) za 8 dB i skratiti vrijeme mrtve zone sa 500ns na 200ns.

(2) Kompleksna modulaciona adaptacija invertera sa punim mostom
Potpuna struktura mosta podržava napredne tehnologije modulacije kao što je SPWM udvostručavanja frekvencije, što nameće veće dinamičke zahtjeve diodama

Temperaturna stabilnost: U opsegu od -40 stepeni ~150 stepeni, brzina promene pada pritiska unapred treba da bude manja ili jednaka 5mV/stepen;
Sposobnost protiv lavine: Treba da izdrži energiju lavine najmanje 1,5 puta veću od nazivne struje.
Određeni industrijski pogon motora pokazuje da upotreba silicijum karbidnih dioda (kao što je C3D10060E) može smanjiti zapreminu sistema za 40% i povećati gustinu snage na 3,2kW/L. Njegove ključne prednosti leže u:

Reverzni oporavak naboja QRr smanjuje se za 70%;
Stabilnost pada pritiska provodljivosti se povećava za tri puta u okruženjima visoke temperature.