¿Cómo funcionan juntos los diodos y los MOSFET/IGBT en los inversores?

1. Complementariedad funcional en la arquitectura topológica.
(1) Modo colaborativo minimalista del inversor de medio puente
El inversor de medio puente adopta una estructura de diodo dual de interruptor dual, y el lado de CC forma dos puntos potenciales de ± Vcc/2 a través de la división de voltaje del capacitor. Cuando se enciende el MOSFET del brazo del puente superior (Q1), la ruta actual es Vdc/2 → Q1 → carga → Vdc/2, y en este momento, el diodo del brazo del puente inferior (D2) está en un estado de corte inverso. Cuando se apaga Q1, la fuerza electromotriz inversa generada por la inductancia de carga forma un circuito de rueda libre a través de D2: carga → D2 → Vcc/2. Este proceso logra dos funciones principales:

Abrazadera de voltaje: limite el voltaje que el MOSFET puede soportar a Vcc/2 para evitar una avería por sobrevoltaje;
Retroalimentación de energía: proporciona un canal de liberación para el almacenamiento de energía inductiva para evitar picos de voltaje causados ​​por cambios repentinos en la corriente.
Los datos experimentales muestran que en un sistema inversor de medio puente de 1 kW, la corriente máxima de circulación libre de D2 puede alcanzar 1,5 veces la corriente de carga nominal, y su tiempo de recuperación inversa debe controlarse dentro de 100 ns para garantizar la eficiencia de conmutación. El uso de diodos de recuperación rápida (como STTH3R06) puede aumentar la eficiencia del sistema en un 2,3 % y reducir el aumento de temperatura en 15 grados.

(2) Arquitectura colaborativa redundante del inversor de puente completo
El inversor de puente completo adopta una estructura de cuatro interruptores y cuatro diodos, que logra la inversión de polaridad del voltaje de salida a través de la conducción alterna de dos pares de interruptores. Su singularidad se refleja en:

Control bipolar: Mediante la combinación de conducción T1-T4 se puede obtener una oscilación completa de voltaje de ± Vdc en el extremo de carga. Los diodos D1 a D4 no sólo realizan la función de marcha libre, sino que también forman un canal de realimentación de energía;
Protección contra fallas: cuando T1 y T4 están equivocados, D2-D3 puede formar una ruta de protección contra cortocircuitos para evitar cortocircuitos en el bus de CC.
Las pruebas comparativas muestran que el voltaje inverso máximo soportado por los diodos en la estructura de puente completo se reduce en un 50% en comparación con la estructura de medio puente, pero es necesario manejar corrientes transitorias más altas (hasta el doble de la corriente de carga). En un inversor de puente completo trifásico-, los diodos también deben asumir la función de equilibrio energético entre fases. Cuando la corriente de una determinada fase conduce, los diodos del brazo del puente correspondiente pueden guiar el exceso de energía para que fluya a otras fases, logrando una distribución dinámica de la energía.

2, mecanismo de gestión de energía en respuesta dinámica.
(1) Protección de corriente continua del diodo del cuerpo MOSFET
El diodo del cuerpo integrado dentro del MOSFET juega un papel clave en los inversores. Cuando la carga inductiva se conecta al drenaje MOSFET, la energía eléctrica se almacena inmediatamente dentro de la carga y el pico inverso de EMF generado en el momento del apagado forma un camino libre a través del diodo del cuerpo. Tomando como ejemplo el motor de CC sin escobillas:

Escenario de conmutación de alta frecuencia: durante la conmutación de alta-frecuencia del MOSFET Q1, el diodo del cuerpo D2 proporciona una ruta libre para la corriente del inductor durante el período de apagado de Q1;
Supresión de picos de corriente: la inductancia L1 muestra una alta impedancia al pico de corriente, lo que genera picos de corriente adicionales cuando Q1 conduce. Al utilizar MOSFET con características rápidas de recuperación de diodos de cuerpo (como la serie SuperFREDmesh de ST), las pérdidas de conmutación se pueden reducir en un 65 % y la temperatura de la carcasa se puede reducir de 60 grados a 50 grados.
(2) Retroalimentación de energía del diodo antiparalelo IGBT
Como dispositivo principal en escenarios de alto-voltaje y alta corriente, el diodo de recuperación rápida antiparalelo (FRD) de IGBT desempeña un papel fundamental en el flujo de energía bidireccional. En un inversor resonante en serie:

Gestión del tiempo muerto: durante la conmutación del IGBT en los brazos del puente superior e inferior, los diodos antiparalelos proporcionan un camino para la corriente reactiva para evitar picos de voltaje causados ​​por inductancia parásita en el circuito;
Absorción de energía resonante: cuando se apaga VT1, la energía almacenada en la inductancia parásita Lm de la línea se transfiere al circuito amortiguador a través del diodo anti-paralelo VD1 para evitar el sobreimpulso de Uce.
Los experimentos han demostrado que el uso de diodos de recuperación rápida de alto-rendimiento (como C3D10060E) puede reducir las pérdidas de conmutación de los módulos IGBT en un 40 % y mejorar la eficiencia del sistema en un 98,2 %.

3. Requisitos de coincidencia de parámetros en estrategias de control.
(1) Adaptación de control simple del inversor de medio puente
La estructura de medio puente generalmente adopta control SPWM bipolar o unipolar, y los requisitos para los diodos se centran en las características estáticas:

Tiempo de recuperación inversa: trr Menor o igual a 50 ns (adecuado para conmutación de alta-frecuencia);
Capacitancia de unión: Cj Menor o igual a 100pF (reduce el ruido del interruptor).
Según los datos de selección de un determinado proyecto de inversor para automóvil, el uso de diodos de recuperación ultrarrápida (como MUR860) puede reducir la interferencia electromagnética (EMI) en 8 dB y acortar el tiempo de la zona muerta de 500 ns a 200 ns.

(2) Adaptación de modulación compleja del inversor de puente completo
La estructura de puente completo admite tecnologías de modulación avanzadas, como la duplicación de frecuencia SPWM, que impone mayores requisitos dinámicos a los diodos.

Estabilidad de temperatura: dentro del rango de -40 grados ~ 150 grados, la tasa de cambio de caída de presión directa debe ser menor o igual a 5 mV/grado;
Capacidad anti-avalanchas: Debe soportar una energía de avalanchas de al menos 1,5 veces la corriente nominal.
Cierto caso de accionamiento de motor industrial muestra que el uso de diodos de carburo de silicio (como el C3D10060E) puede reducir el volumen del sistema en un 40 % y aumentar la densidad de potencia a 3,2 kW/L. Sus principales ventajas residen en:

La recuperación inversa de carga Qrr se reduce en un 70%;
La estabilidad de la caída de presión de conducción aumenta tres veces en ambientes de alta temperatura.