Hoe werken diodes en MOSFET's/IGBT's samen in omvormers?

1, Functionele complementariteit in topologische architectuur
(1) Minimalistische samenwerkingsmodus van een halfbrugomvormer
De halfbrugomvormer heeft een dubbele diodestructuur met dubbele schakelaar en de DC-zijde vormt twee potentiële punten van ± Vdc/2 via de condensatorspanningsverdeling. Wanneer de bovenste brugarm-MOSFET (Q1) is ingeschakeld, is het stroompad Vdc/2 → Q1 → belasting → Vdc/2, en op dit moment bevindt de onderste brugarmdiode (D2) zich in een omgekeerde afsnijdingsstatus. Wanneer Q1 is uitgeschakeld, vormt de omgekeerde elektromotorische kracht die wordt gegenereerd door de belastinginductantie een vrijloopcircuit via D2: belasting → D2 → Vdc/2. Dit proces bereikt twee kernfuncties:

Spanningsklem: beperk de spanning die MOSFET kan weerstaan ​​tot Vdc/2 om doorslag van de overspanning te voorkomen;
Energiefeedback: Biedt een vrijgavekanaal voor inductieve energieopslag om spanningspieken te voorkomen die worden veroorzaakt door plotselinge stroomveranderingen.
Uit experimentele gegevens blijkt dat in een halfbrug-omvormersysteem van 1 kW de piekvrijloopstroom van D2 1,5 keer de nominale belastingsstroom kan bereiken, en dat de omgekeerde hersteltijd binnen 100 ns moet worden geregeld om de schakelefficiëntie te garanderen. Het gebruik van snelhersteldiodes (zoals STTH3R06) kan de systeemefficiëntie met 2,3% verhogen en de temperatuurstijging met 15 graden verminderen.

(2) Redundante samenwerkingsarchitectuur van een volledige brugomvormer
De volledige brugomvormer maakt gebruik van een structuur met vier schakelaars en vier dioden, die omkering van de uitgangsspanningspolariteit bereikt door de afwisselende geleiding van twee paar schakelaars. Het unieke karakter ervan komt tot uiting in:

Bipolaire regeling: Door de combinatie van T1-T4-geleiding kan aan de belastingzijde een volledige spanningszwaai van ± Vdc worden verkregen. De diodes D1-D4 vervullen niet alleen de vrijloopfunctie, maar vormen ook een energiefeedbackkanaal;
Foutbeveiliging: Wanneer T1 en T4 beide misleidend zijn, kan D2-D3 een kortsluitbeveiligingspad vormen om kortsluiting in de DC-bus te voorkomen.
Uit vergelijkende tests blijkt dat de piek-sperspanning die wordt gedragen door diodes in de volledige brugstructuur met 50% wordt verminderd in vergelijking met de halve brugstructuur, maar er moeten hogere transiënte stromen (tot tweemaal de belastingsstroom) worden verwerkt. In een driefasige brugomvormer moeten diodes ook de functie van fase-tot-fase-energiebalans op zich nemen. Wanneer de stroom van een bepaalde fase leidt, kunnen de diodes van de overeenkomstige brugarm de overtollige energie naar andere fasen leiden, waardoor een dynamische stroomverdeling wordt bereikt.

2, Energiebeheermechanisme in dynamische reactie
(1) Continue stroombeveiliging van MOSFET-lichaamsdiode
De in de MOSFET geïntegreerde lichaamsdiode speelt een sleutelrol bij omvormers. Wanneer de inductieve belasting is aangesloten op de MOSFET-afvoer, wordt elektrische energie onmiddellijk opgeslagen in de belasting, en de omgekeerde EMF-piek die wordt gegenereerd op het moment van uitschakelen vormt een vrijlooppad door de lichaamsdiode. Neem als voorbeeld een borstelloze gelijkstroommotoraandrijving:

Hoogfrequent schakelscenario: Tijdens het hoogfrequent schakelen van MOSFET Q1 zorgt de lichaamsdiode D2 voor een vrijlooppad voor de inductorstroom tijdens de uitschakelperiode van Q1;
Onderdrukking van stroompieken: Inductantie L1 vertoont een hoge impedantie voor de piekstroom, wat resulteert in extra stroompieken wanneer Q1 geleidt. Door MOSFET's te gebruiken met snelle herstelkarakteristieken voor lichaamsdioden (zoals de SuperFREDmesh-serie van ST), kunnen schakelverliezen met 65% worden verminderd en kan de schaaltemperatuur worden verlaagd van 60 graden naar 50 graden.
(2) Energiefeedback van IGBT anti-parallelle diode
Als mainstream apparaat in scenario's met hoge- spanning en hoge stroomsterkte speelt de anti-parallelle snelle hersteldiode (FRD) van IGBT een kernrol in de bidirectionele energiestroom. In een serieresonante omvormer:

Beheer van dode tijd: tijdens IGBT-commutatie in de bovenste en onderste brugarmen bieden anti-parallelle diodes een pad voor reactieve stroom om spanningspieken te voorkomen die worden veroorzaakt door zwerfinductie in het circuit;
Resonante energieabsorptie: Wanneer VT1 is uitgeschakeld, wordt de opgeslagen energie in de zwerfinductantie Lm van de lijn via de anti-parallelle diode VD1 naar het buffercircuit overgedragen om doorschieten van Uce te voorkomen.
Experimenten hebben aangetoond dat het gebruik van snelle hersteldiodes met hoge{0}}prestaties (zoals C3D10060E) de schakelverliezen van IGBT-modules met 40% kan verminderen en de systeemefficiëntie kan verbeteren tot 98,2%.

3, Vereisten voor parametermatching in regelstrategieën
(1) Eenvoudige aanpassing van de besturing van de Half Bridge-omvormer
De halfbrugstructuur maakt doorgaans gebruik van bipolaire of unipolaire SPWM-besturing, en de vereisten voor diodes zijn gericht op statische kenmerken:

Omgekeerde hersteltijd: trr Minder dan of gelijk aan 50 ns (geschikt voor hoog-omschakeling);
Junctiecapaciteit: Cj Minder dan of gelijk aan 100 pF (vermindert schakelruis).
Volgens de selectiegegevens van een bepaald auto-omvormerproject kan het gebruik van ultrasnelle hersteldiodes (zoals MUR860) de elektromagnetische interferentie (EMI) met 8 dB verminderen en de dode zone-tijd verkorten van 500 ns naar 200 ns.

(2) Complexe modulatie-aanpassing van volledige brugomvormer
De volledige brugstructuur ondersteunt geavanceerde modulatietechnologieën zoals frequentieverdubbeling SPWM, die hogere dynamische eisen aan diodes stelt

Temperatuurstabiliteit: Binnen het bereik van -40 graden ~150 graden moet de veranderingssnelheid van de voorwaartse drukval kleiner dan of gelijk zijn aan 5 mV/graad;
Anti-lawinevermogen: het moet lawine-energie van minimaal 1,5 keer de nominale stroom kunnen weerstaan.
Uit een bepaalde behuizing van een industriële motoraandrijving blijkt dat het gebruik van siliciumcarbidediodes (zoals C3D10060E) het systeemvolume met 40% kan verminderen en de vermogensdichtheid kan verhogen tot 3,2 kW/L. De belangrijkste voordelen liggen in:

Omgekeerd herstel van lading Qrr vermindert met 70%;
De stabiliteit van de geleidingsdrukval wordt driemaal verhoogd in omgevingen met hoge temperaturen.