Wat is de functie van diodes in inverterbrugcircuits?

一, Brugcircuittopologie: energiekanalen gebouwd door diodes
Het brugcircuit bestaat uit vier schakelapparaten (zoals IGBT, MOSFET) en vier diodes, die een symmetrische "H" --vormige structuur vormen. Afhankelijk van het type schakelapparaat kan het worden onderverdeeld in volledig bestuurde brugcircuits (zoals IGBT-bruggen) en semi-gestuurde brugcircuits (zoals thyristorbruggen), maar ongeacht het type spelen diodes een cruciale rol.

Diodeconfiguratie in volledige brugtopologie
In een volledig geregelde volledige brugomvormer is elk schakelapparaat (zoals IGBT) omgekeerd parallel geschakeld met een diode. In een H-brug die is samengesteld uit vier N--kanaals MOSFET's, zijn de diodes D1-D4 bijvoorbeeld omgekeerd parallel geschakeld met Q1-Q4, waardoor bidirectionele stroomkanalen worden gevormd. Wanneer Q1 en Q4 geleidend zijn, vloeit de stroom van de positieve pool van de DC-zijde via Q1, belasting en Q4 terug naar de negatieve pool; Wanneer Q1 is uitgeschakeld en Q2 is ingeschakeld, vloeit de belastingsstroom door D2 om spanningspieken te voorkomen.
De rol van diodes in een halve brugtopologie
Een halfbrugcircuit bestaat uit twee schakelapparaten en twee condensatoren, waarbij in dit scenario voornamelijk diodes worden gebruikt voor het klemmen. Bij fotovoltaïsche omvormers klemt de halve-brugtopologie bijvoorbeeld de DC-zijdespanning binnen een veilig bereik via diodes om schade aan de schakelapparaten als gevolg van overspanning te voorkomen.
2, De kernfunctie van een diode: van freewheelen tot energiefeedback
1. Continue stroombeveiliging: onderdrukt de elektromotorische kracht van inductieve belastingen
Wanneer de omvormer inductieve belastingen aanstuurt (zoals motoren en transformatoren), blijft de belastingsstroom achter bij de spanningsveranderingen. Op het moment dat het schakelapparaat wordt uitgeschakeld, zal de energie van het magnetische veld van de belasting een hoge-spanningspiek vormen via de tegenelektromotorische kracht (EMF), waardoor het schakelapparaat kapot kan gaan. Op dit punt zorgen de omgekeerde parallelle diodes voor een vrijlooppad voor de belastingsstroom, waardoor de achterste elektromotorische kracht binnen een veilig spanningsbereik wordt geklemd.

Geval: Bij asynchrone motoraandrijving kan de statorwikkeling equivalent zijn aan een serieschakeling van weerstand en inductantie. Wanneer de IGBT is uitgeschakeld, vloeit de wikkelstroom door de omgekeerde parallelle diode om te voorkomen dat spanningspieken de voedingsapparaten beschadigen. Uit experimentele gegevens blijkt dat het uitvalpercentage van schakelapparaten in omvormers zonder vrijloopdiodes meer dan drie keer zo groot is als bij systemen met diodes.

2. Energiefeedback: het bereiken van een bidirectionele stroom van reactief vermogen
De spanningsomvormer heeft een parallelle condensator aan de DC-zijde nodig om een ​​kanaal te bieden voor reactieve energiefeedback van de AC-zijde naar de DC-zijde. Wanneer de polariteit van de uitgangsspanning tegengesteld is aan die van de stroom (zoals in de inductieve stroomfase van een resistieve belasting), geleiden de omgekeerde parallelle diodes, waardoor reactieve energie via de diodes kan worden teruggevoerd naar de DC-zijdecondensator, waardoor energieaccumulatie en spanningsstijging worden vermeden.

Vergelijkende analyse: de DC-zijde van de stroombronomvormer is in serie verbonden met een grote inductor en de reactieve energie wordt gebufferd door de inductor zonder dat er feedbackdiodes nodig zijn; Omvormers van het spanningstype moeten vertrouwen op diodes om energiefeedbackkanalen te construeren, anders zal het systeem instorten als gevolg van accumulatie van reactief vermogen.

3. Compensatie voor dode zones: elimineert stroomvervorming veroorzaakt door schakelvertraging
Om directe kortsluiting- van de brugarm te voorkomen, moet de omvormerbesturing een dode tijd invoegen (meestal 1-5 μs). Gedurende deze periode zijn de schakelapparaten allemaal uitgeschakeld, maar moet de belastingsstroom nog steeds stromen. Omgekeerde parallelle diodes geleiden automatisch tijdens de dode tijd, waardoor de stroomcontinuïteit behouden blijft en vervorming van de uitgangsspanningsgolfvorm wordt vermeden.

Experimentele gegevens: In een fotovoltaïsche omvormer van 10 kW zonder compensatiediode voor de dode zone bereikt de uitgangsspanning THD (totale harmonische vervorming) 8%; Na de introductie van diodes daalde de THD tot onder de 3%, waardoor de stroomkwaliteit aanzienlijk verbeterde.

3, Typische toepassingsscenario's: van industriële aandrijving tot nieuwe aansluiting op het energienet
1. Industriële frequentieomvormer: motorbesturing met hoge-precisie
In industriële frequentieomvormers bereiken brugcircuits variabele frequentie-snelheidsregeling via PWM-modulatie. In dit scenario moeten diodes bestand zijn tegen hoge- schakelspanningen (meestal boven 20 kHz), dus zijn ultrasnelle hersteldiodes (zoals SiC-diodes) vereist. Hun omgekeerde hersteltijd kan worden verkort tot minder dan 10 ns, wat tien keer hoger is dan bij traditionele op silicium- gebaseerde diodes en de schakelverliezen aanzienlijk worden verminderd.

Casus: Na vervanging van apparaten op basis van silicium- door SiC-diodes, steeg de systeemefficiëntie van een walserijfrequentieomvormer in een bepaald staalbedrijf van 96% naar 98,5%, en bedroeg de jaarlijkse energiebesparing 2 miljoen kWh.

2. Fotovoltaïsche omvormer: Maximum Power Point Tracking (MPPT)
Bij op het fotovoltaïsche net aangesloten omvormers moet het brugcircuit DC naar AC-conversie realiseren en tegelijkertijd de efficiëntie van de energieopwekking maximaliseren via het MPPT-algoritme. In dit scenario moeten diodes een lage voorwaartse spanningsval en een hoog weerstandsvermogen in evenwicht brengen. Het gebruik van Schottky-diodes kan bijvoorbeeld de voorwaartse spanningsval verminderen van 0,7 V naar 0,3 V, waardoor het vermogensverlies wordt verminderd.

Gegevensvergelijking: In een fotovoltaïsche omvormer van 100 kW kan het gebruik van Schottky-diodes de jaarlijkse stroomopwekking met 12.000 kWh verhogen en de terugverdientijd van de investering met 6 maanden verkorten in vergelijking met gewone diodes.

3. Motorcontroller voor elektrische voertuigen: stroomconversie met hoge- dichtheid
De motorcontroller voor elektrische voertuigen moet in een beperkte ruimte een hoge conversie van de vermogensdichtheid bereiken. De diodes in brugcircuits moeten bestand zijn tegen hoge stroomdichtheden (meestal boven 200 A/cm²), dus een gekrompen diodemodule is vereist om een ​​verbinding met lage thermische weerstand te bereiken via zilversintertechnologie, waardoor een stabiele werking van het apparaat bij hoge temperaturen van 150 graden wordt gegarandeerd.

Technologische doorbraak: de nieuwste motorcontroller van een bepaald autobedrijf maakt gebruik van een gekrompen SiC-diodemodule, met een vermogensdichtheid van 50 kW/L, wat drie keer hoger is dan traditionele oplossingen op basis van silicium-, en de systeemefficiëntie bedraagt ​​meer dan 98,5%.