Comment les diodes et les MOSFET/IGBT fonctionnent-ils ensemble dans les onduleurs ?

1, Complémentarité fonctionnelle dans l'architecture de topologie
(1) Mode collaboratif minimaliste de l'onduleur demi-pont
L'onduleur demi-pont adopte une structure à double diode et le côté CC forme deux points de potentiel de ± Vdc/2 via la division de tension du condensateur. Lorsque le MOSFET du bras de pont supérieur (Q1) est activé, le chemin du courant est Vdc/2 → Q1 → charge → Vdc/2, et à ce moment, la diode du bras de pont inférieur (D2) est dans un état de coupure inverse. Lorsque Q1 est désactivé, la force électromotrice inverse générée par l'inductance de charge forme un circuit de roue libre à travers D2 : charge → D2 → Vdc/2. Ce processus remplit deux fonctions principales :

Pince de tension : limitez la tension que le MOSFET peut supporter à Vdc/2 pour éviter les pannes de surtension ;
Retour d'énergie : fournit un canal de libération pour le stockage d'énergie inductif afin d'éviter les pics de tension causés par des changements soudains de courant.
Les données expérimentales montrent que dans un système d'onduleur en demi-pont de 1 kW, le courant de roue libre maximal de D2 peut atteindre 1,5 fois le courant de charge nominal et que son temps de récupération inverse doit être contrôlé dans les 100 ns pour garantir l'efficacité de la commutation. L'utilisation de diodes à récupération rapide (telles que STTH3R06) peut augmenter l'efficacité du système de 2,3 % et réduire l'augmentation de la température de 15 degrés.

(2) Architecture collaborative redondante de l'onduleur en pont complet
L'onduleur en pont complet adopte une structure à quatre commutateurs et quatre diodes, qui permet d'inverser la polarité de la tension de sortie grâce à la conduction alternée de deux paires de commutateurs. Sa singularité se reflète dans :

Contrôle bipolaire : Grâce à la combinaison de la conduction T1-T4, une oscillation de tension complète de ± Vdc peut être obtenue à l'extrémité de la charge. Les diodes D1 à D4 assurent non seulement la fonction de roue libre, mais forment également un canal de retour d'énergie ;
Protection contre les défauts : lorsque T1 et T4 sont tous deux mal orientés, D2-D3 peut former un chemin de protection contre les courts-circuits pour empêcher les courts-circuits du bus CC.
Des tests comparatifs montrent que la tension inverse maximale supportée par les diodes dans la structure en pont complet est réduite de 50 % par rapport à la structure en demi-pont, mais des courants transitoires plus élevés (jusqu'à deux fois le courant de charge) doivent être gérés. Dans un onduleur triphasé en pont complet, les diodes doivent également assurer la fonction d'équilibre énergétique phase à phase. Lorsque le courant d'une certaine phase est en tête, les diodes du bras de pont correspondant peuvent guider l'excès d'énergie vers d'autres phases, obtenant ainsi une distribution dynamique de la puissance.

2, Mécanisme de gestion de l'énergie en réponse dynamique
(1) Protection actuelle continue de la diode du corps MOSFET
La diode corporelle intégrée à l'intérieur du MOSFET joue un rôle clé dans les onduleurs. Lorsque la charge inductive est connectée au drain MOSFET, l'énergie électrique est immédiatement stockée à l'intérieur de la charge et le pic EMF inverse généré au moment de l'arrêt forme un chemin de roue libre à travers la diode du corps. Prenons l'exemple du moteur à courant continu sans balais :

Scénario de commutation haute fréquence : pendant la commutation haute-fréquence du MOSFET Q1, la diode du corps D2 fournit un chemin de roue libre pour le courant d'inductance pendant la période de désactivation de Q1 ;
Suppression des pointes de courant : l'inductance L1 présente une impédance élevée au courant de pointe, ce qui entraîne des pointes de courant supplémentaires lorsque Q1 est conducteur. En utilisant des MOSFET dotés de caractéristiques de récupération rapide des diodes du corps (comme la série SuperFREDmesh de ST), les pertes de commutation peuvent être réduites de 65 % et la température de la coque peut être abaissée de 60 degrés à 50 degrés.
(2) Retour d'énergie de la diode anti-parallèle IGBT
En tant qu'appareil courant dans les scénarios de haute tension et de courant élevé, la diode à récupération rapide (FRD) anti-parallèle de l'IGBT joue un rôle essentiel dans le flux d'énergie bidirectionnel. Dans un onduleur résonant série :

Gestion des temps morts : lors de la commutation IGBT dans les bras de pont supérieur et inférieur, des diodes anti-parallèles fournissent un chemin au courant réactif pour éviter les pics de tension provoqués par une inductance parasite dans le circuit ;
Absorption d'énergie résonante : lorsque VT1 est désactivé, l'énergie stockée dans l'inductance parasite Lm de la ligne est transférée au circuit tampon via la diode anti-parallèle VD1 pour éviter un dépassement Uce.
Des expériences ont montré que l'utilisation de diodes à récupération rapide hautes-performances (telles que C3D10060E) peut réduire les pertes de commutation des modules IGBT de 40 % et améliorer l'efficacité du système à 98,2 %.

3, Exigences de correspondance des paramètres dans les stratégies de contrôle
(1) Adaptation de contrôle simple de l'onduleur demi-pont
La structure en demi-pont adopte généralement un contrôle SPWM bipolaire ou unipolaire, et les exigences relatives aux diodes se concentrent sur les caractéristiques statiques :

Temps de récupération inverse : trr Inférieur ou égal à 50 ns (convient à la commutation haute-fréquence) ;
Capacité de jonction : Cj Inférieure ou égale à 100pF (réduit le bruit du commutateur).
Selon les données de sélection d'un certain projet d'onduleur automobile, l'utilisation de diodes à récupération ultra rapide (telles que MUR860) peut réduire les interférences électromagnétiques (EMI) de 8 dB et raccourcir le temps de zone morte de 500 ns à 200 ns.

(2) Adaptation de modulation complexe de l'onduleur en pont complet
La structure du pont complet prend en charge des technologies de modulation avancées telles que le doublement de fréquence SPWM, qui impose des exigences dynamiques plus élevées aux diodes.

Stabilité de la température : dans la plage de -40 degrés à 150 degrés, le taux de changement de chute de pression avant doit être inférieur ou égal à 5 ​​mV/degré ;
Capacité anti-avalanche : il doit résister à une énergie d’avalanche au moins 1,5 fois supérieure au courant nominal.
Un certain cas de commande de moteur industriel montre que l'utilisation de diodes en carbure de silicium (telles que C3D10060E) peut réduire le volume du système de 40 % et augmenter la densité de puissance à 3,2 kW/L. Ses principaux avantages résident dans :

La récupération inversée de la charge Qrr est réduite de 70 % ;
La stabilité de la chute de pression de conduction est multipliée par trois dans les environnements à haute température.