Làm thế nào để điốt và MOSFET/IGBT hoạt động cùng nhau trong bộ biến tần?

1, Bổ sung chức năng trong kiến ​​trúc cấu trúc liên kết
(1) Chế độ cộng tác tối giản của biến tần nửa cầu
Biến tần nửa cầu sử dụng cấu trúc diode kép công tắc kép và phía DC tạo thành hai điểm tiềm năng ± Vdc/2 thông qua phân chia điện áp tụ điện. Khi MOSFET nhánh cầu trên (Q1) được bật, đường dẫn hiện tại là Vdc/2 → Q1 → tải → Vdc/2, và tại thời điểm này, diode nhánh cầu dưới (D2) ở trạng thái cắt ngược. Khi Q1 tắt, suất điện động ngược được tạo ra bởi điện cảm tải tạo thành mạch quay tự do qua D2: tải → D2 → Vdc/2. Quá trình này đạt được hai chức năng cốt lõi:

Kẹp điện áp: Giới hạn điện áp mà MOSFET chịu được ở mức Vdc/2 để tránh đánh thủng quá áp;
Phản hồi năng lượng: Cung cấp kênh giải phóng để lưu trữ năng lượng cảm ứng nhằm ngăn chặn điện áp tăng vọt do thay đổi dòng điện đột ngột.
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy trong hệ thống biến tần nửa cầu 1kW, dòng điện tự do cực đại của D2 có thể đạt tới 1,5 lần dòng tải định mức và thời gian phục hồi ngược của nó cần được kiểm soát trong vòng 100ns để đảm bảo hiệu suất chuyển mạch. Việc sử dụng điốt phục hồi nhanh (như STTH3R06) có thể tăng hiệu suất hệ thống lên 2,3% và giảm mức tăng nhiệt độ thêm 15 độ.

(2) Kiến trúc cộng tác dự phòng của biến tần toàn cầu
Biến tần toàn cầu sử dụng cấu trúc bốn công tắc bốn diode, giúp đạt được sự đảo ngược cực điện áp đầu ra thông qua sự dẫn điện xen kẽ của hai cặp công tắc. Tính độc đáo của nó được thể hiện ở:

Điều khiển lưỡng cực: Thông qua sự kết hợp của dẫn truyền T1-T4, có thể đạt được mức dao động điện áp hoàn chỉnh ± Vdc ở đầu tải. Điốt D1-D4 không chỉ đảm nhận chức năng quay tự do mà còn tạo thành kênh phản hồi năng lượng;
Bảo vệ lỗi: Khi cả T1 và T4 đều bị dẫn hướng sai, D2-D3 có thể tạo thành đường dẫn bảo vệ ngắn mạch để ngăn chặn đoản mạch bus DC.
Thử nghiệm so sánh cho thấy rằng điện áp ngược cực đại do điốt sinh ra trong cấu trúc toàn cầu giảm 50% so với cấu trúc nửa cầu, nhưng cần phải xử lý dòng điện thoáng qua cao hơn (lên đến gấp đôi dòng tải). Trong bộ biến tần toàn cầu ba{2}}pha, điốt cũng cần đảm nhận chức năng cân bằng năng lượng giữa các pha. Khi dòng điện của một pha nhất định dẫn trước, các điốt của nhánh cầu tương ứng có thể dẫn năng lượng dư thừa truyền sang các pha khác, đạt được sự phân bổ công suất động.

2, Cơ chế quản lý năng lượng trong phản ứng năng động
(1) Bảo vệ dòng điện liên tục của Diode thân MOSFET
Diode cơ thể được tích hợp bên trong MOSFET đóng một vai trò quan trọng trong bộ biến tần. Khi tải cảm ứng được kết nối với cống MOSFET, năng lượng điện ngay lập tức được lưu trữ bên trong tải và đỉnh EMF ngược được tạo ra tại thời điểm tắt máy tạo thành một đường dẫn tự do xuyên qua diode cơ thể. Lấy động cơ DC không chổi than làm ví dụ:

Kịch bản chuyển đổi tần số cao: Trong quá trình chuyển đổi tần số-cao của MOSFET Q1, đi-ốt thân D2 cung cấp một đường dẫn quay tự do cho dòng điện cảm trong khoảng thời gian tắt của Q1;
Ngăn chặn dòng điện tăng vọt: Điện cảm L1 thể hiện trở kháng cao đối với dòng điện tăng vọt, dẫn đến dòng điện tăng thêm đột biến khi Q1 dẫn điện. Bằng cách sử dụng MOSFET có đặc tính phục hồi diode thân nhanh (chẳng hạn như dòng SuperFREDmesh của ST), tổn thất chuyển mạch có thể giảm 65% và nhiệt độ vỏ có thể giảm từ 60 độ xuống 50 độ.
(2) Phản hồi năng lượng của diode chống song song IGBT
Là thiết bị chính trong các trường hợp-điện áp cao và dòng điện cao, đi-ốt phục hồi nhanh song song (FRD) của IGBT đóng vai trò cốt lõi trong dòng năng lượng hai chiều. Trong bộ biến tần cộng hưởng nối tiếp:

Quản lý thời gian chết: Trong quá trình chuyển mạch IGBT ở nhánh cầu trên và cầu dưới, điốt chống song song cung cấp đường dẫn cho dòng điện phản kháng để tránh tăng vọt điện áp do điện cảm đi lạc trong mạch;
Hấp thụ năng lượng cộng hưởng: Khi tắt VT1, năng lượng tích trữ trong điện cảm tản Lm của đường dây được truyền đến mạch đệm thông qua diode chống song song VD1 để tránh hiện tượng quá tải Uce.
Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng điốt phục hồi nhanh hiệu suất cao (chẳng hạn như C3D10060E) có thể giảm 40% tổn thất chuyển mạch của mô-đun IGBT và cải thiện hiệu suất hệ thống lên 98,2%.

3, Yêu cầu khớp tham số trong chiến lược điều khiển
(1) Thích ứng điều khiển đơn giản của biến tần nửa cầu
Cấu trúc nửa cầu thường áp dụng điều khiển SPWM lưỡng cực hoặc đơn cực và các yêu cầu đối với điốt tập trung vào các đặc tính tĩnh:

Thời gian khôi phục ngược: trr Nhỏ hơn hoặc bằng 50ns (thích hợp cho việc chuyển đổi tần số-cao);
Điện dung mối nối: Cj Nhỏ hơn hoặc bằng 100pF (giảm tiếng ồn của công tắc).
Theo dữ liệu lựa chọn của một dự án biến tần ô tô nào đó, việc sử dụng điốt phục hồi cực nhanh (như MUR860) có thể giảm nhiễu điện từ (EMI) xuống 8dB và rút ngắn thời gian vùng chết từ 500ns xuống 200ns.

(2) Thích ứng điều chế phức tạp của biến tần toàn cầu
Cấu trúc cầu đầy đủ hỗ trợ các công nghệ điều chế tiên tiến như SPWM nhân đôi tần số, đặt ra các yêu cầu động cao hơn đối với điốt

Độ ổn định nhiệt độ: Trong phạm vi -40 độ ~ 150 độ, tốc độ thay đổi giảm áp suất chuyển tiếp phải nhỏ hơn hoặc bằng 5mV/độ;
Khả năng chống tuyết lở: Nó cần chịu được năng lượng tuyết lở ít nhất gấp 1,5 lần dòng điện định mức.
Một trường hợp truyền động động cơ công nghiệp nhất định cho thấy rằng việc sử dụng điốt silicon cacbua (chẳng hạn như C3D10060E) có thể giảm 40% âm lượng hệ thống và tăng mật độ năng lượng lên 3,2kW/L. Ưu điểm chính của nó nằm ở:

Phục hồi ngược điện tích Qrr giảm 70%;
Độ ổn định của việc giảm áp suất dẫn được tăng gấp ba lần trong môi trường nhiệt độ cao.