Vai trò khác nhau của điốt trong bộ biến tần toàn cầu và nửa cầu là gì?

1, Sự khác biệt về cấu trúc liên kết xác định vị trí chức năng cơ bản của điốt
(1) Kiến trúc tối giản của biến tần nửa cầu và vai trò của lõi diode
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. Lấy tải cảm ứng làm ví dụ, khi bật công tắc cầu trên M1, đường dẫn hiện tại là Vdc/2 → M1 → tải → Vdc/2 và diode D1 ở trạng thái cắt ngược. Khi tắt M1, suất điện động ngược do điện cảm tải tạo ra sẽ tạo thành mạch quay tự do thông qua D2: tải → D2 → Vdc/2, đạt được hai chức năng chính:

Kẹp điện áp: Giới hạn điện áp mà ống công tắc có thể 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.

(2) Kiến trúc dự phòng và mở rộng chức năng diode 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).

2, Đáp ứng động của điốt trong cơ chế quản lý năng lượng
(1) Điều khiển dòng năng lượng một chiều của biến tần nửa cầu
Trong cấu trúc liên kết nửa cầu, điốt tạo thành mạng truyền năng lượng một chiều. Lấy ứng dụng của bộ biến tần vi quang điện làm ví dụ, khi công suất tải nhỏ hơn công suất đầu vào, bộ lưu trữ năng lượng cảm ứng được đưa trở lại bus DC thông qua D2 và diode cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Giảm điện áp dương Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5V (giảm tổn thất dẫn điện);
Điện tích phục hồi ngược Qrr Nhỏ hơn hoặc bằng 100nC (giảm tổn hao công tắc).
Theo dữ liệu thử nghiệm từ một nhà sản xuất nhất định, sử dụng điốt phục hồi nhanh (chẳng hạn như STTH3R06) có thể tăng hiệu suất hệ thống lên 2,3% và giảm mức tăng nhiệt độ thêm 15 độ.

(2) Điều chỉnh năng lượng hai chiều của biến tần toàn cầu
Cấu trúc cầu đầy đủ đạt được khả năng quản lý năng lượng phức tạp hơn thông qua mạng diode:

Kẹp hoạt động: Trong các bộ biến tần ghép nối máy biến áp, D1-D4 có thể tạo thành mạch kẹp để giới hạn điện áp của ống công tắc trong phạm vi an toàn;
Thực hiện chuyển mạch mềm: Kết hợp với cuộn cảm cộng hưởng, điốt có thể tạo ra điều kiện chuyển mạch điện áp bằng 0. Sau khi áp dụng công nghệ này, tổn thất chuyển mạch của biến tần toàn cầu 4kW đã giảm 65%.
Điều đặc biệt đáng chú ý là trong bộ biến tần toàn cầu ba pha, điốt cũng cần đảm nhận chức năng cân bằng năng lượng giữa các pha. Khi dòng điện của một pha nhất định dẫn đến, diode 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.

3, Yêu cầu khác biệt của chiến lược điều khiển đặc tính diode
(1) Điều khiển đơn giản và khớp tham số diode 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 nhất định, việc sử dụng điốt phục hồi cực nhanh (chẳng hạn như MUR860) có thể giảm nhiễu điện từ (EMI) xuống 8dB.

(2) Điều chế phức tạp và thích ứng động của điốt trong bộ 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 nào đó cho thấy việc sử dụng điốt silicon cacbua (chẳng hạn như C3D10060E) có thể cải thiện hiệu suất hệ thống lên 98,2% và rút ngắn thời gian vùng chết từ 500ns xuống 200ns.

4, So sánh hiệu suất trong các tình huống ứng dụng điển hình
Thông số biến tần nửa cầu biến tần toàn cầu
Số lượng điốt 2, 4
Ứng suất điện áp Vdc/2 Vdc
Cường độ dòng điện gấp 1,5 lần dòng tải 2 lần dòng tải
Độ phức tạp điều khiển thấp (SPWM lưỡng cực) và cao (SPWM tăng gấp đôi tần số)
Hiệu suất điển hình 92-95% 95-98%
Hệ số chi phí 1.0 1.8