Come funzionano insieme diodi e MOSFET/IGBT negli inverter?

1, Complementarietà funzionale nell'architettura topologica
(1) Modalità collaborativa minimalista dell'inverter a mezzo ponte
L'inverter a mezzo ponte adotta una struttura a doppio diodo a doppio interruttore e il lato CC forma due punti potenziali di ± V CC/2 attraverso la divisione della tensione del condensatore. Quando il MOSFET del braccio del ponte superiore (Q1) è acceso, il percorso della corrente è Vcc/2 → Q1 → carico → Vcc/2 e, in questo momento, il diodo del braccio del ponte inferiore (D2) è in uno stato di interruzione inversa. Quando Q1 è spento, la forza elettromotrice inversa generata dall'induttanza del carico forma un circuito a ruota libera attraverso D2: carico → D2 → Vcc/2. Questo processo raggiunge due funzioni fondamentali:

Morsetto di tensione: limita la tensione che il MOSFET può sopportare a Vcc/2 per evitare guasti da sovratensione;
Feedback energetico: fornisce un canale di rilascio per l'accumulo induttivo di energia per prevenire picchi di tensione causati da improvvisi cambiamenti di corrente.
I dati sperimentali mostrano che in un sistema inverter a mezzo ponte da 1 kW, la corrente di picco a ruota libera di D2 può raggiungere 1,5 volte la corrente di carico nominale e il suo tempo di recupero inverso deve essere controllato entro 100 ns per garantire l'efficienza di commutazione. L'uso di diodi a recupero rapido (come STTH3R06) può aumentare l'efficienza del sistema del 2,3% e ridurre l'aumento della temperatura di 15 gradi.

(2) Architettura collaborativa ridondante dell'inverter a ponte intero
L'inverter a ponte intero adotta una struttura a quattro interruttori e quattro diodi, che raggiunge l'inversione di polarità della tensione di uscita attraverso la conduzione alternata di due coppie di interruttori. La sua unicità si riflette in:

Controllo bipolare: attraverso la combinazione della conduzione T1-T4, è possibile ottenere un'oscillazione completa della tensione di ± Vcc all'estremità del carico. I diodi D1-D4 non solo svolgono la funzione di ruota libera, ma formano anche un canale di feedback energetico;
Protezione dai guasti: quando T1 e T4 sono entrambi sbagliati, D2-D3 può formare un percorso di protezione da cortocircuito per impedire il cortocircuito del bus CC.
Test comparativi mostrano che la tensione inversa di picco sopportata dai diodi nella struttura a ponte intero è ridotta del 50% rispetto alla struttura a mezzo ponte, ma è necessario gestire correnti transitorie più elevate (fino al doppio della corrente di carico). In un inverter a ponte intero trifase-, i diodi devono svolgere anche la funzione di bilancio energetico fase-fase. Quando la corrente di una determinata fase è dominante, i diodi del braccio del ponte corrispondente possono guidare l'energia in eccesso per fluire verso altre fasi, ottenendo una distribuzione dinamica della potenza.

2, Meccanismo di gestione dell'energia in risposta dinamica
(1) Protezione corrente continua del diodo corpo MOSFET
Il diodo body integrato nel MOSFET gioca un ruolo chiave negli inverter. Quando il carico induttivo è collegato al drain del MOSFET, l'energia elettrica viene immediatamente immagazzinata all'interno del carico e il picco EMF inverso generato al momento dello spegnimento forma un percorso a ruota libera attraverso il diodo body. Prendendo come esempio l'azionamento di un motore CC senza spazzole:

Scenario di commutazione ad alta frequenza: durante la commutazione ad alta-frequenza del MOSFET Q1, il diodo body D2 fornisce un percorso a ruota libera per la corrente dell'induttore durante il periodo di spegnimento di Q1;
Soppressione dei picchi di corrente: l'induttanza L1 presenta un'elevata impedenza alla corrente di picco, con conseguenti picchi di corrente aggiuntivi quando Q1 conduce. Utilizzando MOSFET con caratteristiche di recupero rapido del diodo body (come la serie SuperFREDmesh di ST), le perdite di commutazione possono essere ridotte del 65% e la temperatura dell'involucro può essere abbassata da 60 gradi a 50 gradi.
(2) Retroazione di energia del diodo antiparallelo IGBT
Essendo il dispositivo tradizionale negli scenari ad alta-tensione e corrente elevata, il diodo a recupero rapido (FRD) antiparallelo dell'IGBT svolge un ruolo fondamentale nel flusso di energia bidirezionale. In un inverter risonante in serie:

Gestione dei tempi morti: durante la commutazione degli IGBT nei bracci del ponte superiore e inferiore, i diodi antiparalleli forniscono un percorso per la corrente reattiva per evitare picchi di tensione causati dall'induttanza parassita nel circuito;
Assorbimento di energia risonante: Quando VT1 è spento, l'energia immagazzinata nell'induttanza parassita Lm della linea viene trasferita al circuito buffer attraverso il diodo antiparallelo VD1 per evitare il superamento di Uce.
Gli esperimenti hanno dimostrato che l'utilizzo di diodi a ripristino rapido ad alte-prestazioni (come C3D10060E) può ridurre le perdite di commutazione dei moduli IGBT del 40% e migliorare l'efficienza del sistema al 98,2%.

3, Requisiti di corrispondenza dei parametri nelle strategie di controllo
(1) Semplice adattamento del controllo dell'inverter a mezzo ponte
La struttura a mezzo ponte adotta solitamente il controllo SPWM bipolare o unipolare e i requisiti per i diodi si concentrano sulle caratteristiche statiche:

Tempo di recupero inverso: trr inferiore o uguale a 50 ns (adatto per la commutazione ad alta-frequenza);
Capacità di giunzione: Cj inferiore o uguale a 100 pF (riduce il rumore dell'interruttore).
Secondo i dati di selezione di un determinato progetto di inverter per auto, l'uso di diodi a recupero ultrarapido (come MUR860) può ridurre l'interferenza elettromagnetica (EMI) di 8 dB e abbreviare il tempo della zona morta da 500 ns a 200 ns.

(2) Adattamento di modulazione complesso dell'inverter a ponte intero
La struttura a ponte completo supporta tecnologie di modulazione avanzate come il raddoppio della frequenza SPWM, che impone requisiti dinamici più elevati ai diodi

Stabilità della temperatura: nell'intervallo compreso tra -40 e ~150 gradi, la velocità di variazione della caduta di pressione in avanti deve essere inferiore o uguale a 5 mV/grado;
Capacità antivalanga: deve resistere all'energia della valanga almeno 1,5 volte la corrente nominale.
Un caso specifico di azionamento di motori industriali mostra che l'utilizzo di diodi al carburo di silicio (come C3D10060E) può ridurre il volume del sistema del 40% e aumentare la densità di potenza a 3,2 kW/L. I suoi principali vantaggi risiedono in:

Recupero inverso della carica Qrr ridotto del 70%;
La stabilità della caduta di pressione di conduzione è aumentata di tre volte in ambienti ad alta temperatura.