Wat zijn de verschillende rollen van diodes in omvormers met volledige brug en halve brug?

1. Topologieverschillen bepalen de fundamentele functionele positionering van diodes
(1) Minimalistische architectuur van een halfbrugomvormer en de rol van de diodekern
De halfbrugomvormer heeft een dubbele diodestructuur met dubbele schakelaar en de DC-zijde vormt twee potentiële punten van ± Vdc/2 via de condensatorspanningsverdeling. Als we inductieve belastingen als voorbeeld nemen: wanneer de bovenste brugarmschakelaar M1 is ingeschakeld, is het stroompad Vdc/2 → M1 → belasting → Vdc/2, en bevindt diode D1 zich in de omgekeerde uitschakelstatus. Wanneer M1 is uitgeschakeld, vormt de omgekeerde elektromotorische kracht die wordt gegenereerd door de belastinginductie een vrijloopcircuit via D2: belasting → D2 → Vdc/2, dat twee belangrijke functies vervult:

Spanningsklem: beperk de spanning die de schakelbuis 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.

(2) Redundante architectuur en uitbreiding van de diodefunctie van de 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 een volledige spanningsschommeling van ± Vdc aan de belastingzijde worden verkregen. De diodes D1-D4 vervullen niet alleen de vrijloopfunctie, maar vormen ook een energiefeedbackkanaal;
Foutbeveiliging: Wanneer T1 en T4 beide misleid 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.

2, dynamische respons van diodes in het energiebeheermechanisme
(1) Unidirectionele energiestroomregeling van halfbrugomvormer
In een halve brugtopologie vormen diodes een unidirectioneel energieoverdrachtsnetwerk. Als we de toepassing van fotovoltaïsche micro-omvormers als voorbeeld nemen: wanneer het belastingsvermogen lager is dan het ingangsvermogen, wordt de inductieve energieopslag via D2 teruggevoerd naar de DC-bus en moet de diode aan de volgende vereisten voldoen:

Positieve spanningsval Minder dan of gelijk aan 0,5 V (vermindering van geleidingsverlies);
Charge voor terugwinning Qrr Minder dan of gelijk aan 100 nC (vermindering van schakelverliezen).
Volgens testgegevens van een bepaalde fabrikant kan het gebruik van snelhersteldiodes (zoals STTH3R06) de systeemefficiëntie met 2,3% verhogen en de temperatuurstijging met 15 graden verminderen.

(2) Bidirectionele energieregeling van volledige brugomvormer
De volledige brugstructuur realiseert een complexer energiebeheer via een diodenetwerk:

Actieve klem: In transformatorgekoppelde omvormers kunnen D1-D4 een klemcircuit vormen om de spanning van de schakelbuis binnen een veilig bereik te beperken;
Implementatie van zachte schakelingen: Gecombineerd met resonante inductoren kunnen diodes schakelomstandigheden met nulspanning creëren. Na toepassing van deze technologie werd het schakelverlies van een 4kW full-bridge-omvormer met 65% verminderd.
Het is vooral opmerkelijk dat diodes bij drie-volledige brugomvormers ook de functie van fase-tot-fase-energiebalans op zich moeten nemen. Wanneer de stroom van een bepaalde fase leidt, kan de diode van de overeenkomstige brugarm de overtollige energie naar andere fasen leiden, waardoor een dynamische stroomverdeling wordt bereikt.

3, Differentiële vereisten voor de besturingsstrategie voor diodekarakteristieken
(1) Eenvoudige bediening en diodeparameteraanpassing van halfbrugomvormer
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.

(2) Complexe modulatie en dynamische aanpassing van diodes in volledige brugomvormers
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 bepaald geval van een industriële motoraandrijving blijkt dat het gebruik van siliciumcarbidediodes (zoals C3D10060E) de systeemefficiëntie kan verbeteren tot 98,2% en de dode zonetijd kan verkorten van 500 ns naar 200 ns.

4, Prestatievergelijking in typische toepassingsscenario's
Parameter halve brug omvormer volledige brug omvormer
Aantal dioden 2, 4
Spanningsbelasting Vdc/2 Vdc
Stroombelasting 1,5 keer belastingsstroom 2 keer belastingsstroom
Lage regelcomplexiteit (bipolaire SPWM) en hoog (frequentieverdubbeling SPWM)
Typische efficiëntie 92-95% 95-98%
Kostencoëfficiënt 1.0 1.8