كيف تعمل الثنائيات و MOSFETs/IGBTs معًا في العاكسات؟

1، التكامل الوظيفي في العمارة الطوبولوجية
(1) الوضع التعاوني البسيط لعاكس نصف الجسر
يستخدم عاكس نصف الجسر هيكل ثنائي الصمام الثنائي، وجانب التيار المستمر يشكل نقطتين محتملتين ± Vdc/2 من خلال تقسيم جهد المكثف. عند تشغيل ذراع الجسر العلوي MOSFET (Q1)، يكون المسار الحالي هو Vdc/2 → Q1 → تحميل → Vdc/2، وفي هذا الوقت، يكون الصمام الثنائي لذراع الجسر السفلي (D2) في حالة قطع عكسي. عند إيقاف تشغيل Q1، تشكل القوة الدافعة الكهربائية العكسية الناتجة عن محاثة الحمل دائرة حرة من خلال D2: الحمل → D2 → Vdc/2. تحقق هذه العملية وظيفتين أساسيتين:

مشبك الجهد: حدد الجهد الذي يمكن أن تتحمله MOSFET إلى Vdc/2 لتجنب انهيار الجهد الزائد؛
التغذية المرتدة للطاقة: توفر قناة إطلاق لتخزين الطاقة الاستقرائية لمنع ارتفاع الجهد الناتج عن التغيرات المفاجئة في التيار.
تظهر البيانات التجريبية أنه في نظام عاكس نصف الجسر بقدرة 1 كيلو وات، يمكن أن يصل تيار الحركة الحرة الأقصى لـ D2 إلى 1.5 مرة من تيار الحمل المقدر، ويجب التحكم في وقت الاسترداد العكسي خلال 100ns لضمان كفاءة التحويل. يمكن أن يؤدي استخدام ثنائيات الاسترداد السريع (مثل STTH3R06) إلى زيادة كفاءة النظام بنسبة 2.3% وتقليل ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 15 درجة.

(2) بنية تعاونية زائدة عن الحاجة لعاكس الجسر الكامل
يعتمد عاكس الجسر الكامل هيكل ثنائي الصمام ذو أربعة مفاتيح، والذي يحقق عكس قطبية جهد الخرج من خلال التوصيل المتناوب لزوجين من المفاتيح. وينعكس تفرده في:

التحكم ثنائي القطب: من خلال الجمع بين التوصيل T1-T4، يمكن الحصول على تأرجح كامل للجهد قدره ± Vdc عند نهاية الحمل. لا تقوم الثنائيات D1-D4 بوظيفة التحرر فحسب، بل تشكل أيضًا قناة تغذية مرتدة للطاقة؛
الحماية من الأخطاء: عندما يكون كل من T1 وT4 مضللين، يمكن أن يشكل D2-D3 مسار حماية ماس كهربائى لمنع ماس كهربائى لحافلة التيار المستمر.
يظهر الاختبار المقارن أن ذروة الجهد العكسي الذي تتحمله الثنائيات في هيكل الجسر الكامل يتم تقليله بنسبة 50% مقارنة بهيكل نصف الجسر، ولكن يجب التعامل مع التيارات العابرة الأعلى (ما يصل إلى ضعف تيار الحمل). في عاكس الجسر الكامل ثلاثي الطور-، تحتاج الثنائيات أيضًا إلى القيام بوظيفة توازن الطاقة بين الطور والطور. عندما يتقدم تيار مرحلة معينة، يمكن للثنائيات الموجودة في ذراع الجسر المقابل توجيه الطاقة الزائدة للتدفق إلى مراحل أخرى، مما يحقق توزيعًا ديناميكيًا للطاقة.

2، آلية إدارة الطاقة في الاستجابة الديناميكية
(1) الحماية الحالية المستمرة لصمام الجسم MOSFET
يلعب صمام ثنائي الجسم المدمج داخل MOSFET دورًا رئيسيًا في العاكسات. عندما يتم توصيل الحمل الحثي بمصرف MOSFET، يتم تخزين الطاقة الكهربائية على الفور داخل الحمل، وتشكل ذروة EMF العكسية المتولدة في لحظة إيقاف التشغيل مسارًا حرًا عبر الصمام الثنائي للجسم. أخذ محرك DC بدون فرش كمثال:

سيناريو التبديل عالي التردد: أثناء تبديل التردد العالي-لـ MOSFET Q1، يوفر الصمام الثنائي للجسم D2 مسارًا حرًا لتيار المحث أثناء فترة إيقاف تشغيل Q1؛
قمع ارتفاع التيار: يظهر الحث L1 مقاومة عالية لتيار الارتفاع، مما يؤدي إلى ارتفاع تيار إضافي عند توصيل Q1. باستخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات خصائص استعادة الصمام الثنائي السريع للجسم (مثل سلسلة SuperFREDmesh من ST)، يمكن تقليل خسائر التبديل بنسبة 65%، ويمكن خفض درجة حرارة الغلاف من 60 درجة إلى 50 درجة.
(2) التغذية المرتدة للطاقة من الصمام الثنائي المضاد للتوازي IGBT
باعتباره الجهاز السائد في سيناريوهات الجهد-والتيار العالي، يلعب صمام ثنائي الاسترداد السريع (FRD) المضاد للتوازي والجهد من IGBT دورًا أساسيًا في تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه. في سلسلة العاكس الرنانة:

إدارة الوقت الميت: أثناء تخفيف IGBT في أذرع الجسر العلوي والسفلي، توفر الثنائيات المضادة للتوازي مسارًا للتيار التفاعلي لتجنب ارتفاع الجهد الناتج عن الحث الشارد في الدائرة؛
امتصاص طاقة الرنين: عند إيقاف تشغيل VT1، يتم نقل الطاقة المخزنة في الحث الشارد Lm للخط إلى الدائرة العازلة من خلال الصمام الثنائي المضاد للتوازي VD1 لمنع تجاوز Uce.
أظهرت التجارب أن استخدام الثنائيات عالية الأداء -للاسترداد السريع (مثل C3D10060E) يمكن أن يقلل من خسائر التحويل لوحدات IGBT بنسبة 40% ويحسن كفاءة النظام إلى 98.2%.

3، متطلبات مطابقة المعلمات في استراتيجيات التحكم
(1) التكيف البسيط للتحكم في عاكس نصف الجسر
يعتمد هيكل نصف الجسر عادة التحكم في SPWM ثنائي القطب أو أحادي القطب، وتركز متطلبات الثنائيات على الخصائص الثابتة:

وقت الاسترداد العكسي: trr أقل من أو يساوي 50ns (مناسب لتبديل التردد العالي-)؛
سعة الوصلة: Cj أقل من أو تساوي 100pF (تقلل من ضوضاء المفتاح).
وفقًا لبيانات التحديد الخاصة بمشروع عاكس سيارة معين، يمكن أن يؤدي استخدام صمامات ثنائية الاسترداد فائقة السرعة (مثل MUR860) إلى تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بمقدار 8 ديسيبل وتقصير وقت المنطقة الميتة من 500 نانو ثانية إلى 200 نانو ثانية.

(2) تعديل التعديل المعقد لعاكس الجسر الكامل
يدعم هيكل الجسر الكامل تقنيات التعديل المتقدمة مثل مضاعفة التردد SPWM، مما يفرض متطلبات ديناميكية أعلى على الثنائيات

استقرار درجة الحرارة: في نطاق -40 درجة ~ 150 درجة، يجب أن يكون معدل تغيير انخفاض الضغط الأمامي أقل من أو يساوي 5 مللي فولت/درجة؛
القدرة على مقاومة الانهيار الجليدي: تحتاج إلى تحمل طاقة الانهيار الجليدي بما لا يقل عن 1.5 مرة من التيار المقدر.
تظهر إحدى حالات محرك المحرك الصناعي أن استخدام ثنائيات كربيد السيليكون (مثل C3D10060E) يمكن أن يقلل من حجم النظام بنسبة 40% ويزيد من كثافة الطاقة إلى 3.2 كيلو واط/لتر. مزاياها الرئيسية تكمن في:

الاسترداد العكسي للشحنة Qrr يقلل بنسبة 70%؛
يتم زيادة استقرار انخفاض ضغط التوصيل بمقدار ثلاث مرات في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.