¿Cuál es la función de los diodos en los circuitos puente inversores?

一, Topología del circuito puente: canales de energía construidos por diodos
El circuito puente consta de cuatro dispositivos de conmutación (como IGBT, MOSFET) y cuatro diodos, que forman una estructura simétrica en forma de "H" -. Según el tipo de dispositivo de conmutación, se puede dividir en circuitos puente totalmente controlados (como puentes IGBT) y circuitos puente semicontrolados (como puentes de tiristores), pero independientemente del tipo, los diodos desempeñan un papel fundamental.

Configuración de diodo en topología de puente completo
En un inversor de puente completo totalmente controlado, cada dispositivo de conmutación (como IGBT) está conectado en paralelo inverso con un diodo. Por ejemplo, en un puente H-compuesto por cuatro MOSFET de N-canales, los diodos D1-D4 están conectados en paralelo inverso con Q1-Q4, formando canales de corriente bidireccionales. Cuando Q1 y Q4 son conductores, la corriente fluye desde el polo positivo del lado de CC a través de Q1, la carga y Q4 de regreso al polo negativo; Cuando Q1 se apaga y Q2 se enciende, la corriente de carga fluye a través de D2 para evitar picos de voltaje.
El papel de los diodos en la topología de medio puente.
Un circuito de medio puente consta de dos dispositivos de conmutación y dos condensadores, y en este escenario se utilizan diodos principalmente para la sujeción. Por ejemplo, en los inversores fotovoltaicos, la topología de medio puente fija la tensión del lado de CC dentro de un rango seguro a través de diodos para evitar daños a los dispositivos de conmutación debido a la sobretensión.
2, La función principal de un diodo: del funcionamiento libre a la retroalimentación de energía
1. Protección de corriente continua: suprime la fuerza contraelectromotriz de cargas inductivas
Cuando el inversor acciona cargas inductivas (como motores y transformadores), la corriente de carga va por detrás de los cambios de voltaje. En el momento en que se apaga el dispositivo de conmutación, la energía del campo magnético de carga formará un pico de alto-voltaje a través de la fuerza contraelectromotriz (EMF), que puede dañar el dispositivo de conmutación. En este punto, los diodos en paralelo inverso proporcionan una ruta libre para la corriente de carga, sujetando la fuerza contraelectromotriz dentro de un rango de voltaje seguro.

Caso: En el accionamiento de un motor asíncrono, el devanado del estator puede ser equivalente a una conexión en serie de resistencia e inductancia. Cuando el IGBT está apagado, la corriente del devanado fluye a través del diodo paralelo inverso para evitar que los picos de voltaje dañen los dispositivos de energía. Los datos experimentales muestran que la tasa de fallos de los dispositivos de conmutación en inversores sin diodos de funcionamiento libre es más de tres veces mayor que la de los sistemas con diodos.

2. Retroalimentación de energía: lograr un flujo bidireccional de potencia reactiva
El inversor de tipo voltaje requiere un capacitor paralelo en el lado de CC para proporcionar un canal para la retroalimentación de energía reactiva desde el lado de CA al lado de CC. Cuando la polaridad del voltaje de salida es opuesta a la de la corriente (como en la etapa de corriente inductiva de una carga resistiva), los diodos en paralelo inverso conducen, lo que permite que la energía reactiva se retroalimente al capacitor del lado de CC a través de los diodos, evitando la acumulación de energía y el aumento de voltaje.

Análisis comparativo: el lado de CC del inversor de fuente de corriente está conectado en serie con un inductor grande, y el inductor amortigua la energía reactiva sin necesidad de diodos de retroalimentación; Los inversores de tipo voltaje deben depender de diodos para construir canales de retroalimentación de energía; de lo contrario, el sistema colapsará debido a la acumulación de energía reactiva.

3. Compensación de zona muerta: eliminación de la distorsión de corriente causada por el retardo del interruptor
Para evitar un cortocircuito directo-del brazo del puente, el control del inversor debe insertar un tiempo muerto (normalmente de 1 a 5 μs). Durante este período, todos los dispositivos de conmutación están apagados, pero la corriente de carga aún necesita fluir. Los diodos paralelos inversos conducen automáticamente durante el tiempo muerto, manteniendo la continuidad de la corriente y evitando la distorsión de la forma de onda del voltaje de salida.

Datos experimentales: En un inversor fotovoltaico de 10kW sin diodo de compensación de zona muerta, la tensión de salida THD (distorsión armónica total) alcanza el 8%; Después de introducir diodos, la THD disminuyó a menos del 3%, lo que mejoró significativamente la calidad de la energía.

3, escenarios de aplicación típicos: desde el accionamiento industrial hasta la nueva conexión a la red energética
1. Convertidor de frecuencia industrial: control de motores de alta-precisión
En los convertidores de frecuencia industriales, los circuitos puente logran una regulación de velocidad de frecuencia variable mediante modulación PWM. En este escenario, los diodos deben soportar estrés de conmutación de alta-frecuencia (normalmente superior a 20 kHz), por lo que se requieren diodos de recuperación ultrarrápida (como los diodos de SiC). Su tiempo de recuperación inversa se puede acortar a menos de 10 ns, lo que es 10 veces mayor que el de los diodos tradicionales basados ​​en silicio-y reduce significativamente las pérdidas de conmutación.

Caso: Después de reemplazar los dispositivos basados ​​en silicio-por diodos de SiC, la eficiencia del sistema de un convertidor de frecuencia de laminador en una determinada empresa siderúrgica aumentó del 96 % al 98,5 % y el ahorro anual de energía alcanzó los 2 millones de kWh.

2. Inversor fotovoltaico: Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)
En los inversores fotovoltaicos conectados a la red, el circuito puente debe lograr la conversión de CC a CA y, al mismo tiempo, maximizar la eficiencia de generación de energía a través del algoritmo MPPT. En este escenario, los diodos necesitan equilibrar una baja caída de tensión directa y una alta capacidad de tensión soportada. Por ejemplo, el uso de diodos Schottky puede reducir la caída de voltaje directo de 0,7 V a 0,3 V, reduciendo así la pérdida de energía.

Comparación de datos: en un inversor fotovoltaico de 100 kW, el uso de diodos Schottky puede aumentar la generación de energía anual en 12000 kWh y acortar el período de recuperación de la inversión en 6 meses en comparación con los diodos normales.

3. Controlador de motor de vehículo eléctrico: conversión de energía de alta-densidad
El controlador del motor del vehículo eléctrico debe lograr una conversión de alta densidad de potencia en un espacio limitado. Los diodos en los circuitos puente deben soportar altas densidades de corriente (generalmente superiores a 200 A/cm²), por lo que se requiere un módulo de diodo engarzado para lograr una conexión de baja resistencia térmica a través de la tecnología de sinterización de plata, lo que garantiza un funcionamiento estable del dispositivo a altas temperaturas de 150 grados.

Avance tecnológico: el último controlador de motor de una determinada empresa automovilística adopta un módulo de diodo de SiC engarzado, con una densidad de potencia de 50 kW/L, que es tres veces mayor que las soluciones tradicionales basadas en silicio-, y la eficiencia del sistema ha superado el 98,5 %.