Hvordan fungerer dioder og MOSFET'er/IGBT'er sammen i invertere?

1, Funktionel komplementaritet i topologiarkitektur
(1) Minimalistisk samarbejdstilstand for halvbro-inverter
Halvbro-inverteren vedtager en dobbelt-switch-dobbeltdiodestruktur, og DC-siden danner to potentielle punkter på ± Vdc/2 gennem kondensatorspændingsdeling. Når den øvre broarms MOSFET (Q1) er tændt, er strømvejen Vdc/2 → Q1 → belastning → Vdc/2, og på dette tidspunkt er den nedre broarmsdiode (D2) i en omvendt afskæringstilstand. Når Q1 er slukket, danner den omvendte elektromotoriske kraft genereret af belastningsinduktansen et friløbskredsløb gennem D2: belastning → D2 → Vdc/2. Denne proces opnår to kernefunktioner:

Spændingsklemme: Begræns den spænding, som MOSFET kan modstå, til Vdc/2 for at undgå overspændingsnedbrud;
Energifeedback: Giver en frigivelseskanal til induktiv energilagring for at forhindre spændingsspidser forårsaget af pludselige ændringer i strøm.
Eksperimentelle data viser, at i et 1kW halvbro-invertersystem kan den maksimale friløbsstrøm for D2 nå 1,5 gange den nominelle belastningsstrøm, og dens omvendte genopretningstid skal kontrolleres inden for 100 ns for at sikre koblingseffektivitet. Brugen af ​​hurtiggendannelsesdioder (såsom STTH3R06) kan øge systemets effektivitet med 2,3 % og reducere temperaturstigningen med 15 grader.

(2) Redundant samarbejdsarkitektur af fuldbro-inverter
Inverteren med fuld bro anvender en struktur med fire switche med fire dioder, som opnår vending af udgangsspændingens polaritet gennem vekslende ledning af to par switche. Dens unikke karakter afspejles i:

Bipolær styring: Gennem kombinationen af ​​T1-T4 ledning kan et komplet spændingsudsving på ± Vdc opnås ved belastningsenden. Dioderne D1-D4 varetager ikke kun friløbsfunktionen, men danner også en energifeedback-kanal;
Fejlbeskyttelse: Når T1 og T4 begge er forkerte, kan D2-D3 danne en kortslutningsbeskyttelsesvej for at forhindre DC-buskortslutning.
Sammenlignende test viser, at spidsspændingen, der bæres af dioder i den fulde brostruktur, er reduceret med 50 % sammenlignet med halvbrostrukturen, men højere transiente strømme (op til det dobbelte af belastningsstrømmen) skal håndteres. I en trefaset fuldbro-inverter skal dioder også varetage funktionen af ​​fase-til-fase energibalance. Når strømmen af ​​en bestemt fase leder, kan dioderne på den tilsvarende broarm lede den overskydende energi til at strømme til andre faser, hvilket opnår dynamisk effektfordeling.

2, Energistyringsmekanisme i dynamisk respons
(1) Kontinuerlig strømbeskyttelse af MOSFET kropsdiode
Kropsdioden integreret i MOSFET spiller en nøglerolle i invertere. Når den induktive belastning er forbundet med MOSFET-drænet, lagres elektrisk energi øjeblikkeligt inde i belastningen, og den omvendte EMF-spids, der genereres i nedlukningsøjeblikket, danner en friløbsbane gennem kropsdioden. Tager vi et børsteløst DC-motordrev som et eksempel:

Højfrekvensomskiftningsscenarie: Under høj-omskiftning af MOSFET Q1 giver kropsdioden D2 en friløbsbane for induktorstrømmen under Q1's slukkeperiode;
Undertrykkelse af strømspids: Induktans L1 udviser høj impedans for spidsstrømmen, hvilket resulterer i yderligere strømspidser, når Q1 leder. Ved at bruge MOSFET'er med hurtige kropsdiodegendannelsesegenskaber (såsom ST's SuperFREDmesh-serie), kan switchtab reduceres med 65%, og skaltemperaturen kan sænkes fra 60 grader til 50 grader.
(2) Energifeedback af IGBT antiparallel diode
Som den almindelige enhed i scenarier med høj-spænding og høj strøm spiller IGBT's anti-paralelle hurtiggendannelsesdiode (FRD) en central rolle i tovejs energiflow. I en serie resonans inverter:

Dødtidsstyring: Under IGBT-kommutering i de øvre og nedre broarme giver antiparallelle dioder en vej til reaktiv strøm for at undgå spændingsspidser forårsaget af vildfaren induktans i kredsløbet;
Resonansenergiabsorption: Når VT1 er slukket, overføres den lagrede energi i ledningens strøinduktans Lm til bufferkredsløbet gennem antiparalleldioden VD1 for at forhindre Uce-overskridelse.
Eksperimenter har vist, at brug af-højtydende hurtiggendannelsesdioder (såsom C3D10060E) kan reducere IGBT-modulernes omskiftningstab med 40 % og forbedre systemeffektiviteten til 98,2 %.

3, Parametertilpasningskrav i kontrolstrategier
(1) Enkel kontroltilpasning af halvbro-inverter
Halvbrostrukturen vedtager normalt bipolær eller unipolær SPWM-kontrol, og kravene til dioder er fokuseret på statiske egenskaber:

Omvendt gendannelsestid: trr Mindre end eller lig med 50ns (velegnet til høj-omskiftning);
Junction kapacitans: Cj Mindre end eller lig med 100pF (reducerer switch støj).
Ifølge udvælgelsesdataene for et bestemt bilinverterprojekt kan brugen af ​​ultrahurtige genoprettelsesdioder (såsom MUR860) reducere elektromagnetisk interferens (EMI) med 8dB og forkorte dødzonetiden fra 500 ns til 200 ns.

(2) Kompleks modulationstilpasning af fuldbro-inverter
Den fulde brostruktur understøtter avancerede modulationsteknologier såsom frekvensfordobling SPWM, som stiller højere dynamiske krav til dioder

Temperaturstabilitet: Inden for intervallet -40 grader ~150 grader, skal den fremadrettede trykfaldsændringshastighed være mindre end eller lig med 5mV/grad;
Anti-lavine-evne: Den skal modstå lavineenergi mindst 1,5 gange den nominelle strøm.
Et bestemt industrielt motordrev viser, at brug af siliciumcarbiddioder (såsom C3D10060E) kan reducere systemvolumen med 40 % og øge effekttætheden til 3,2 kW/L. Dens vigtigste fordele ligger i:

Omvendt genopretning af ladning Qrr reduceres med 70 %;
Stabiliteten af ​​ledningstrykfald øges med tre gange i højtemperaturmiljøer.