מה תפקידן של דיודות במעגלי גשר אינוורטר?

一, טופולוגיה של מעגל גשר: ערוצי אנרגיה שנבנו על ידי דיודות
מעגל הגשר מורכב מארבעה התקני מיתוג (כגון IGBT, MOSFET) וארבע דיודות, היוצרות מבנה סימטרי בצורת "H" -. על פי סוג התקן המיתוג, ניתן לחלק אותו למעגלי גשר מבוקרים לחלוטין (כגון גשרי IGBT) ומעגלי גשר מבוקרים למחצה (כגון גשרי תיריסטורים), אך ללא קשר לסוג, דיודות ממלאות תפקיד קריטי.

תצורת דיודה בטופולוגיית גשר מלאה
במהפך גשר מלא בשליטה מלאה, כל התקן מיתוג (כגון IGBT) מחובר במקביל הפוך עם דיודה. לדוגמה, בגשר H- המורכב מארבעה N- ערוץ MOSFET, דיודות D1-D4 מחוברות במקביל ל-Q1-Q4, ויוצרות ערוצי זרם דו-כיווני. כאשר Q1 ו-Q4 מוליכים, זרם זורם מהקוטב החיובי של צד DC דרך Q1, עומס ו-Q4 בחזרה אל הקוטב השלילי; כאשר Q1 כבוי ו-Q2 מופעל, זרם העומס זורם דרך D2 כדי למנוע עליות מתח.
תפקידן של דיודות בטופולוגיה של חצי גשר
מעגל חצי גשר מורכב משני התקני מיתוג ושני קבלים, כאשר דיודות משמשות בעיקר להידוק בתרחיש זה. לדוגמה, בממירים פוטו-וולטאיים, טופולוגיית חצי הגשר מהדקת את מתח הצד DC בטווח בטוח דרך דיודות כדי למנוע נזק להתקני המיתוג עקב מתח יתר.
2, תפקוד הליבה של דיודה: מגלגל חופשי למשוב אנרגיה
1. הגנת זרם מתמשך: מדכאת את הכוח האלקטרו-מוטיבי האחורי של עומסים אינדוקטיביים
כאשר המהפך מניע עומסים אינדוקטיביים (כגון מנועים ושנאים), זרם העומס מפגר מאחורי שינויי המתח. ברגע שבו מכשיר המיתוג כבוי, אנרגיית השדה המגנטי של העומס תיצור שיא מתח גבוה- באמצעות הכוח האלקטרו-מוטורי האחורי (EMF), שעלול לשבור את התקן המיתוג. בשלב זה, הדיודות המקבילות ההפוכות מספקות נתיב גלגל חופשי לזרם העומס, מהדק את הכוח האלקטרו-מוטיבי האחורי בטווח מתח בטוח.

מקרה: בהנעה של מנוע אסינכרוני, פיתול הסטטור יכול להיות שווה ערך לחיבור סדרתי של התנגדות והשראות. כאשר ה-IGBT כבוי, זרם המתפתל זורם דרך הדיודה המקבילה ההפוכה כדי למנוע קפיצות מתח מפגיעה בהתקני החשמל. נתוני ניסוי מראים ששיעור הכשל של מיתוג התקני בממירים ללא דיודות גלגלים חופשיים הוא יותר משלושה מזה של מערכות עם דיודות.

2. משוב אנרגיה: השגת זרימה דו כיוונית של כוח תגובתי
מהפך מסוג המתח דורש קבל מקביל בצד DC כדי לספק ערוץ למשוב אנרגיה תגובתי מצד AC לצד DC. כאשר הקוטביות של מתח המוצא הפוכה לזו של הזרם (כגון בשלב הזרם האינדוקטיבי של עומס התנגדות), הדיודות המקבילות ההפוכות מוליכות, ומאפשרות להזנת אנרגיה תגובתית אל הקבל בצד DC דרך הדיודות, תוך הימנעות מהצטברות אנרגיה ועליית מתח.

ניתוח השוואתי: צד ה-DC של מהפך מקור הזרם מחובר בסדרה עם משרן גדול, והאנרגיה התגובתית מבוקרת על ידי המשרן ללא צורך בדיודות משוב; ממירים מסוג מתח חייבים להסתמך על דיודות לבניית ערוצי משוב אנרגיה, אחרת המערכת תקרוס עקב צבירת כוח תגובתי.

3. פיצוי אזור מת: ביטול עיוות זרם הנגרם מהשהיית מתג
כדי למנוע קצר- ישיר של זרוע הגשר, בקרת המהפך צריכה להכניס זמן מת (בדרך כלל 1-5 מיקרון שניות). במהלך תקופה זו, התקני המיתוג נמצאים כולם במצב כבוי, אך זרם העומס עדיין צריך לזרום. דיודות מקבילות הפוכות מוליכות אוטומטית בזמן מת, שומרות על המשכיות הזרם ומונעות עיוות של צורת הגל של מתח המוצא.

נתונים ניסויים: במהפך פוטו-וולטאי 10kW ללא דיודת פיצוי אזורים מתים, מתח המוצא THD (עיוות הרמוני מוחלט) מגיע ל-8%; לאחר הצגת דיודות, ה-THD ירד מתחת ל-3%, מה ששיפר משמעותית את איכות ההספק.

3, תרחישי יישום אופייניים: מכונן תעשייתי לחיבור רשת אנרגיה חדשה
1. ממיר תדרים תעשייתי: בקרת מנוע-בדיוק גבוה
בממירי תדרים תעשייתיים, מעגלי גשר משיגים ויסות מהירות תדר משתנה באמצעות אפנון PWM. בתרחיש זה, דיודות צריכות לעמוד בלחץ מיתוג- גבוה (בדרך כלל מעל 20kHz), ולכן נדרשות דיודות התאוששות מהירה במיוחד (כגון דיודות SiC). ניתן לקצר את זמן ההתאוששות ההפוכה שלהם לפחות מ-10ns, וזה גבוה פי 10 מדיודות מבוססות סיליקון- מסורתיות ומפחית באופן משמעותי את הפסדי המיתוג.

מקרה: לאחר החלפת התקנים מבוססי סיליקון- בדיודות SiC, יעילות המערכת של ממיר תדרים במפעל פלדה מסוים עלתה מ-96% ל-98.5%, והחיסכון השנתי בחשמל הגיע ל-2 מיליון קילוואט-שעה.

2. מהפך פוטו-וולטאי: מעקב נקודות כוח מקסימלי (MPPT)
בממירים המחוברים לרשת פוטו-וולטאית, מעגל הגשר צריך להשיג המרת DC ל-AC תוך מקסום יעילות ייצור החשמל באמצעות אלגוריתם MPPT. בתרחיש זה, דיודות צריכות לאזן בין מפל מתח קדימה נמוך לבין יכולת עמידה גבוהה במתח. לדוגמה, שימוש בדיודות Schottky יכול להפחית את ירידת המתח קדימה מ-0.7V ל-0.3V, ובכך להפחית את אובדן ההספק.

השוואת נתונים: במהפך פוטו-וולטאי 100kW, שימוש בדיודות שוטקי יכול להגדיל את ייצור החשמל השנתי ב-12000kWh ולקצר את תקופת ההחזר על ההשקעה ב-6 חודשים בהשוואה לדיודות רגילות.

3. בקר מנוע לרכב חשמלי: המרת הספק בצפיפות- גבוהה
בקר המנוע של הרכב החשמלי צריך להשיג המרת צפיפות הספק גבוהה בשטח מוגבל. הדיודות במעגלי גשר צריכות לעמוד בצפיפות זרם גבוהה (בדרך כלל מעל 200A/cm ²), ולכן נדרש מודול דיודה מכווץ כדי להשיג חיבור התנגדות תרמית נמוכה באמצעות טכנולוגיית סינטר כסף, מה שמבטיח פעולה יציבה של המכשיר בטמפרטורות גבוהות של 150 מעלות.

פריצת דרך טכנולוגית: בקר המנוע העדכני ביותר של חברת רכב מסוימת מאמץ מודול דיודות SiC מכווץ, עם צפיפות הספק של 50kW/L, הגבוהה פי שלושה מפתרונות מבוססי סיליקון- מסורתיים, ויעילות המערכת עלתה על 98.5%.