Quels sont les différents rôles des diodes dans les onduleurs en pont complet et en demi-pont ?

1, les différences de topologie déterminent le positionnement fonctionnel fondamental des diodes
(1) Architecture minimaliste de l'onduleur demi-pont et rôle du noyau de diode
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. En prenant les charges inductives comme exemple, lorsque l'interrupteur du bras de pont supérieur M1 est activé, le chemin du courant est Vdc/2 → M1 → charge → Vdc/2, et la diode D1 est dans l'état de coupure inverse. Lorsque M1 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, qui remplit deux fonctions principales :

Pince de tension : limitez la tension que le tube de commutation 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 de pointe de D2 peut atteindre 1,5 fois le courant de charge nominal, et son temps de récupération inverse doit être contrôlé dans les 100 ns pour garantir l'efficacité de la commutation.

(2) Architecture redondante et extension de la fonction de diode 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.

2, réponse dynamique des diodes dans le mécanisme de gestion de l'énergie
(1) Contrôle du flux d'énergie unidirectionnel de l'onduleur en demi-pont
Dans une topologie en demi-pont, les diodes forment un réseau de transfert d'énergie unidirectionnel. En prenant comme exemple l'application des micro-onduleurs photovoltaïques, lorsque la puissance de charge est inférieure à la puissance d'entrée, le stockage d'énergie inductif est renvoyé au bus CC via D2 et la diode doit répondre aux exigences suivantes :

Chute de tension positive inférieure ou égale à 0,5 V (réduction de la perte de conduction) ;
Charge de récupération inversée Qrr Inférieure ou égale à 100 nC (réduction des pertes de commutation).
Selon les données de test d'un certain fabricant, 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) Régulation d'énergie bidirectionnelle de l'onduleur en pont complet
La structure en pont complet permet une gestion de l'énergie plus complexe grâce à un réseau de diodes :

Pince active : dans les onduleurs couplés par transformateur, D1-D4 peut former un circuit de pince pour limiter la tension du tube de commutation dans une plage de sécurité ;
Implémentation de commutation douce : combinées à des inductances résonantes, les diodes peuvent créer des conditions de commutation à tension nulle. Après l'adoption de cette technologie, la perte de commutation d'un onduleur en pont complet de 4 kW a été réduite de 65 %.
Il est particulièrement remarquable que dans les onduleurs triphasés en pont complet, les diodes doivent également assurer la fonction d'équilibre énergétique entre phases. Lorsque le courant d'une certaine phase est en tête, la diode du bras de pont correspondant peut guider l'excès d'énergie vers d'autres phases, obtenant ainsi une distribution dynamique de la puissance.

3, Exigences différentielles de la stratégie de contrôle pour les caractéristiques des diodes
(1) Contrôle simple et correspondance des paramètres de diode 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.

(2) Modulation complexe et adaptation dynamique des diodes dans les onduleurs 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 améliorer l'efficacité du système à 98,2 % et réduire le temps de zone morte de 500 ns à 200 ns.

4, comparaison des performances dans des scénarios d'application typiques
Paramètre onduleur demi-pont onduleur pont complet
Nombre de diodes 2, 4
Contrainte de tension Vcc/2 Vcc
Contrainte actuelle 1,5 fois le courant de charge 2 fois le courant de charge
Faible complexité de contrôle (SPWM bipolaire) et élevée (SPWM doublant la fréquence)
Efficacité typique 92-95% 95-98%
Coefficient de coût 1.0 1.8