Mi a funkciója a diódáknak az inverteres hídáramkörökben?

一, Bridge Circuit Topology: Diódákkal épített energiacsatornák
A hídáramkör négy kapcsolóeszközből (például IGBT, MOSFET) és négy diódából áll, amelyek szimmetrikus "H" - alakú szerkezetet alkotnak. A kapcsolókészülék típusa szerint teljesen vezérelt hídáramkörökre (például IGBT hidak) és félig vezérelt hídáramkörökre (pl. tirisztoros hidak) osztható, de típustól függetlenül a diódák kritikus szerepet játszanak.

Dióda konfiguráció teljes híd topológiában
Egy teljesen vezérelt teljes híd inverterben minden kapcsolókészülék (például IGBT) fordítottan párhuzamosan van csatlakoztatva egy diódával. Például egy négy N-csatornás MOSFET-ből álló H-hídban a D1-D4 diódák a Q1-Q4-gyel fordítottan párhuzamosan kapcsolódnak, kétirányú áramcsatornákat képezve. Ha Q1 és Q4 vezetőképesek, az áram az egyenáramú oldal pozitív pólusáról a Q1-en, a terhelésen és a Q4-en keresztül visszafolyik a negatív pólusra; Amikor a Q1 ki van kapcsolva és a Q2 be van kapcsolva, a terhelési áram átfolyik a D2-n, hogy elkerülje a feszültségcsúcsokat.
A diódák szerepe a félhíd topológiájában
A félhíd áramkör két kapcsolóeszközből és két kondenzátorból áll, és ebben a forgatókönyvben a diódákat főként rögzítésre használjuk. Például a fotovoltaikus invertereknél a félhíd topológia diódákon keresztül biztonságos tartományon belül rögzíti a DC oldali feszültséget, hogy megakadályozza a kapcsolóberendezések túlfeszültség miatti károsodását.
2, A dióda fő funkciója: a szabadonfutástól az energia-visszacsatolásig
1. Folyamatos áramvédelem: elnyomja az induktív terhelések visszafelé irányuló elektromotoros erejét
Amikor az inverter induktív terheléseket hajt meg (például motorokat és transzformátorokat), a terhelési áram elmarad a feszültségváltozásoktól. Abban a pillanatban, amikor a kapcsolókészülék ki van kapcsolva, a terhelés mágneses mező energiája a hátsó elektromotoros erőn (EMF) keresztül magas feszültségcsúcsot hoz létre, amely lebonthatja a kapcsolókészüléket. Ezen a ponton a fordított párhuzamos diódák szabadon futó utat biztosítanak a terhelési áram számára, biztonságos feszültségtartományon belül rögzítve a hátsó elektromotoros erőt.

Eset: Az aszinkron motoros hajtásnál az állórész tekercselés egyenértékű lehet az ellenállás és az induktivitás soros bekötésével. Amikor az IGBT ki van kapcsolva, a tekercsáram átfolyik a fordított párhuzamos diódán, hogy megakadályozza, hogy a feszültségcsúcsok károsítsák a tápegységeket. Kísérleti adatok azt mutatják, hogy a szabadonfutó diódák nélküli inverterekben a kapcsolóberendezések meghibásodási aránya több mint háromszorosa a diódával rendelkező rendszerekének.

2. Energia-visszacsatolás: a meddőteljesítmény kétirányú áramlásának elérése
A feszültség típusú inverter egy párhuzamos kondenzátort igényel az egyenáramú oldalon, hogy egy csatornát biztosítson a meddőenergia-visszacsatoláshoz az AC oldalról a DC oldalra. Ha a kimeneti feszültség polaritása ellentétes az áraméval (például ellenállásos terhelés induktív áramfokozatában), a fordított párhuzamos diódák vezetnek, lehetővé téve a reaktív energia visszatáplálását az egyenáramú oldali kondenzátorba a diódákon keresztül, elkerülve az energia felhalmozódását és a feszültség emelkedését.

Összehasonlító elemzés: Az áramforrás inverter egyenáramú oldala sorba van kötve egy nagy induktorral, és a meddőenergiát az induktor puffereli anélkül, hogy visszacsatoló diódákra lenne szükség; A feszültség típusú invertereknek diódákra kell támaszkodniuk az energia-visszacsatoló csatornák kialakításához, különben a rendszer összeomlik a meddőteljesítmény felhalmozódása miatt.

3. Holtzóna kompenzáció: Kiküszöböli a kapcsolási késleltetés okozta áramtorzulást
A hídkar közvetlen{0}}zárlatának elkerülése érdekében az inverter vezérlésének holtidőt kell beiktatnia (általában 1-5 μs). Ebben az időszakban a kapcsolókészülékek mind kikapcsolt állapotban vannak, de a terhelési áramnak továbbra is folynia kell. A fordított párhuzamos diódák a holtidő alatt automatikusan vezetnek, fenntartva az áram folytonosságát és elkerülve a kimeneti feszültség hullámformájának torzulását.

Kísérleti adatok: 10 kW-os fotovoltaikus inverterben holtzóna kompenzáló dióda nélkül a THD kimeneti feszültség (teljes harmonikus torzítás) eléri a 8%-ot; A diódák bevezetése után a THD 3% alá csökkent, jelentősen javítva az áramminőséget.

3, Tipikus alkalmazási forgatókönyvek: az ipari hajtástól az új energiahálózati csatlakozásig
1. Ipari frekvenciaváltó: nagy-precíziós motorvezérlés
Az ipari frekvenciaváltókban a hídáramkörök változtatható frekvencia-sebesség-szabályozást tesznek lehetővé PWM moduláció révén. Ebben a forgatókönyvben a diódáknak ellenállniuk kell a nagy-frekvenciás kapcsolási igénybevételnek (általában 20 kHz felett), ezért ultragyors helyreállító diódákra (például SiC diódákra) van szükség. Fordított helyreállítási idejük 10 ns alá csökkenthető, ami 10-szer magasabb, mint a hagyományos szilícium{6}}diódáké, és jelentősen csökkenti a kapcsolási veszteségeket.

Eset: A szilícium{0}}alapú eszközök SiC diódákkal való cseréje után egy bizonyos acélipari vállalat hengermű-frekvenciaváltójának rendszerhatékonysága 96%-ról 98,5%-ra nőtt, és az éves energiamegtakarítás elérte a 2 millió kWh-t.

2. Fotovoltaikus inverter: Maximum Power Point Tracking (MPPT)
A fotovoltaikus hálózatra csatlakoztatott inverterekben a hídáramkörnek el kell érnie a DC-AC átalakítást, miközben az MPPT algoritmus révén maximalizálja az energiatermelés hatékonyságát. Ebben a forgatókönyvben a diódáknak egyensúlyban kell lenniük az alacsony előremenő feszültségeséssel és a nagy ellenállási feszültséggel. Például a Schottky-diódák használatával az előremenő feszültségesés 0,7 V-ról 0,3 V-ra csökkenthető, ezáltal csökkenthető a teljesítményveszteség.

Adatok összehasonlítása: Egy 100 kW-os fotovoltaikus inverterben a Schottky-diódák használatával 12000 kWh-val növelhető az éves energiatermelés, és 6 hónappal lerövidül a beruházás megtérülési ideje a hagyományos diódákhoz képest.

3. Elektromos jármű motorvezérlője: nagy-sűrűségű teljesítményátalakítás
Az elektromos jármű motorvezérlőjének nagy teljesítménysűrűségű konverziót kell elérnie korlátozott helyen. A hídáramkörökben lévő diódáknak nagy áramsűrűséget kell kibírniuk (általában 200A/cm² felett), ezért krimpelt diódamodulra van szükség az alacsony hőellenállású kapcsolat eléréséhez ezüst szinterezési technológiával, biztosítva a készülék stabil működését magas, 150 fokos hőmérsékleten.

Technológiai áttörés: Egy bizonyos autógyártó cég legújabb motorvezérlője krimpelt SiC dióda modult alkalmaz, amelynek teljesítménysűrűsége 50 kW/l, ami háromszorosa a hagyományos szilícium{1} alapú megoldásoknak, a rendszer hatékonysága pedig meghaladta a 98,5%-ot.