二極管在逆變器中的應(yīng)用

　　在家電應(yīng)用中，最主要的就是高效率和節(jié)能，三相無刷直流電機(jī)正是因?yàn)榫哂行矢?、尺寸小的?yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在家電設(shè)備及其他很多應(yīng)用中。除此之外，由于還將機(jī)械換向裝置替換成電子換向器，三相無刷電機(jī)進(jìn)而被認(rèn)為可靠性比原來更高了。

　　標(biāo)準(zhǔn)的三相功率級（power stage）被用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相無刷直流電機(jī)，如圖1所示。功率級產(chǎn)生一個(gè)電場，為了使電機(jī)很好地工作，這個(gè)電場必須保持與轉(zhuǎn)子磁場之間的角度接近 90°。六步序列控制產(chǎn)生6個(gè)定子磁場向量，這些向量必須在一個(gè)指定的轉(zhuǎn)子位置下改變。霍爾效應(yīng)傳感器掃描轉(zhuǎn)子的位置。為了向轉(zhuǎn)子提供6個(gè)步進(jìn)電流，功率級利用6個(gè)可以按不同的特定序列切換的功率MOSFET。下面解釋一個(gè)常用的切換模式，可提供6個(gè)步進(jìn)電流。

　　MOSFET Q1、Q3和Q5高頻（HF）切換，Q2、Q4和Q6低頻（LF）切換。當(dāng)一個(gè)低頻MOSFET處于開狀態(tài)，而且一個(gè)高頻MOSFET 處于切換狀態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)功率級。

　　步驟1） 功率級同時(shí)給兩個(gè)相位供電，而對第三個(gè)相位未供電。假設(shè)供電相位為L1、L2，L3未供電。在這種情況下，MOSFET Q1和Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流流經(jīng)Q1、L1、L2和Q4。

　　步驟2） MOSFET Q1關(guān)斷。因?yàn)殡姼胁荒芡蝗恢袛嚯娏?，它?huì)產(chǎn)生額外電壓，直到體二極管D2被直接偏置，并允許續(xù)流電流流過。續(xù)流電流的路徑為D2、L1、L2和Q4。

　　步驟3） Q1打開，體二極管D2突然反偏置。Q1上總的電流為供電電流與二極管D2上的恢復(fù)電流之和?！　★@示出其中的體-漏二極管。電流流入到體-漏二極管D2（見圖1），該二極管被正向偏置，少數(shù)載流子注入到二極管的區(qū)和P區(qū)。

　　當(dāng)MOSFET Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管D2被反向偏置， N區(qū)的少數(shù)載流子進(jìn)入P+體區(qū)，反之亦然。這種快速轉(zhuǎn)移導(dǎo)致大量的電流流經(jīng)二極管，從N-epi到P+區(qū)，即從漏極到源極。電感L1對于流經(jīng)Q2和Q1的尖峰電流表現(xiàn)出高阻抗。Q1表現(xiàn)出額外的電流尖峰，增加了在導(dǎo)通期間的開關(guān)損耗。

　　為改善在這些特殊應(yīng)用中體二極管的性能，研發(fā)人員開發(fā)出具有快速體二極管恢復(fù)特性MOSFET。當(dāng)二極管導(dǎo)通后被反向偏置，反向恢復(fù)峰值電流Irrm較小。

　　結(jié)合一種簡單的逆變器電路圖分析PWM逆變器電路的工作原理

　　電阻R2和電容C1套集成電路內(nèi)部振蕩器的頻率。預(yù)設(shè)R1可用于振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。14腳和11腳IC內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管的發(fā)射極終端。的驅(qū)動(dòng)晶體管（引腳13和12）的集電極終端連接在一起，并連接到8 V軌（7808輸出）。可在IC的引腳14和15兩個(gè)180度，淘汰50赫茲脈沖列車。

　　這些信號驅(qū)動(dòng)器在隨后的晶體管階段。當(dāng)14腳的信號為高電平，晶體管Q2接通，就這反過來又使晶體管Q4，Q5，Q6點(diǎn)從目前的+12 V電源（電池）連接流一個(gè)通過的上半部分（與標(biāo)簽的標(biāo)記）變壓器（T1）中，小學(xué)通過晶體管Q4，Q5和Q6匯到地面。

　　因此誘導(dǎo)變壓器二次電壓（由于電磁感應(yīng)），這個(gè)電壓220V輸出波形的上半周期。在此期間，11腳低，其成功的階段將處于非活動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)IC引腳 11云高的第三季度結(jié)果Q7的獲取和交換，Q8和Q9將被打開。從+12 V電源通過變壓器的初級下半部和匯到地面通過晶體管的Q7，Q8，Q9，以及由此產(chǎn)生的電壓，在T2次級誘導(dǎo)有助于的下半部周期（標(biāo)簽上標(biāo)明）電流流 220V輸出波形。

　　逆變電路的輸出電壓調(diào)節(jié)部分的工作原理

　　逆變器輸出（T2的輸出）挖掘點(diǎn)的標(biāo)記為B，C，并提供給變壓器T2的主。在變壓器T2的下降這個(gè)高電壓的步驟，橋梁D5整流它和這個(gè)電壓（將逆變器的輸出電壓成正比）是提供的PIN1通過奧迪R8，R9，R16和（該IC的內(nèi)部錯(cuò)誤放大器的反相輸入）這個(gè)電壓與內(nèi)部參考電壓比較。

　　此誤差電壓成正比的輸出電壓所需的值和IC調(diào)節(jié)占空比的驅(qū)動(dòng)信號（引腳14和12）為了使輸出電壓為所需的值的變化。R9的預(yù)設(shè)，可用于調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，因?yàn)樗苯涌刂谱冾l器的輸出電壓誤差放大器部分的反饋量。

　　二極管D3和D4續(xù)流二極管，保護(hù)驅(qū)動(dòng)級晶體管的開關(guān)變壓器（T2）初選時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。R14和R15限制基地的第四季度和Q7。R12和 R13為第四季度和Q7防止意外的開關(guān)ON下拉電阻。C10和C11是繞過從變頻器的輸出噪聲。C8是一個(gè)濾波電容的穩(wěn)壓IC 7805。R11的限制限制了電流通過LED指示燈D2的。

　　電力逆變器中的二極管作用

　　高效率和節(jié)能是家電應(yīng)用中首要的問題。三相無刷直流電機(jī)因其效率高和尺寸小的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用在家電設(shè)備中以及很多其他應(yīng)用中。此外，由于采用了逆變器電子換向器代替機(jī)械換向裝置，三相無刷直流電機(jī)被認(rèn)為可靠性更高。

　　標(biāo)準(zhǔn)的三相功率級（power stage）被用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相無刷直流電機(jī)。功率級產(chǎn)生一個(gè)電場，為了使電機(jī)很好地工作，這個(gè)電場必須保持與轉(zhuǎn)子磁場之間的角度接近90°。六步序列控制產(chǎn)生6個(gè)定子磁場向量，這些向量必須在一個(gè)指定的轉(zhuǎn)子位置下改變?；魻栃?yīng)傳感器掃描轉(zhuǎn)子的位置。為了向轉(zhuǎn)子提供6個(gè)步進(jìn)電流，功率級利用6個(gè)可以按不同的特定序列切換的功率MOSFET。下面解釋一個(gè)常用的切換模式，可提供6個(gè)步進(jìn)電流。

　　MOSFET Q1、Q3和Q5高頻（HF）切換，Q2、Q4和Q6低頻（LF）切換。當(dāng)一個(gè)低頻MOSFET處于開狀態(tài)，而且一個(gè)高頻MOSFET 處于切換狀態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)功率級。

　　步驟1） 功率級同時(shí)給兩個(gè)相位供電，而對第三個(gè)相位未供電。假設(shè)供電相位為L1、L2，L3未供電。在這種情況下，MOSFET Q1和Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流流經(jīng)Q1、L1、L2和Q4。

　　步驟2）MOSFET Q1關(guān)斷。因?yàn)槟孀兤麟姼胁荒芡蝗恢袛嚯娏?，它?huì)產(chǎn)生額外電壓，直到體二極管D2被直接偏置，并允許續(xù)流電流流過。續(xù)流電流的路徑為D2、L1、L2和Q4。

　　步驟3）Q1打開，體二極管D2突然反偏置。Q1上總的電流為供電電流（如步驟1）與二極管D2上的恢復(fù)電流之和。

　　顯示出其中的體-漏二極管。在步驟2，電流流入到體-漏二極管D2（見圖1），該二極管被正向偏置，少數(shù)載流子注入到二極管的區(qū)和P區(qū)。

　　當(dāng)MOSFET Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管D2被反向偏置， N區(qū)的少數(shù)載流子進(jìn)入P+體區(qū)，反之亦然。這種快速轉(zhuǎn)移導(dǎo)致大量的電流流經(jīng)二極管，從N-epi到P+區(qū)，即從漏極到源極。電感L1對于流經(jīng)Q2和Q1的尖峰電流表現(xiàn)出高阻抗。Q1表現(xiàn)出額外的電流尖峰，增加了在導(dǎo)通期間的開關(guān)損耗。圖4a描述了MOSFET的導(dǎo)通過程。

　　為改善在這些特殊應(yīng)用中體二極管的性能，研發(fā)人員開發(fā)出具有快速體二極管恢復(fù)特性MOSFET。當(dāng)二極管導(dǎo)通后被反向偏置，反向恢復(fù)峰值電流Irrm較小。

　　在電力逆變電源中我們對比測試了標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET和快恢復(fù)MOSFET。ST推出的STD5NK52ZD（SuperFREDmesh系列）放在Q2（LF）中，如圖4b所示。在Q1 MOSFET（HF）的導(dǎo)通工作期間，開關(guān)損耗降低了65%。采用STD5NK52ZD時(shí)效率和熱性能獲得很大提升（在不采用散熱器的自由流動(dòng)空氣環(huán)境下，殼溫從60°C降低到50°C）。在這種拓?fù)渲?，MOSFET內(nèi)部的體二極管用作續(xù)流二極管，采用具有快速體二極管恢復(fù)特性MOSFET更為合適。

　　SuperFREDmesh技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有的FDmesh技術(shù)，具有降低導(dǎo)通電阻，齊納柵保護(hù)以及非常高的dv/dt性能，并采用了快速體-漏恢復(fù)二極管。N溝道520V、1.22歐姆、4.4A STD5NK52ZD可提供多種封裝，包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封裝。該器件為工程師設(shè)計(jì)開關(guān)應(yīng)用提供了更大的靈活性。其他優(yōu)勢包括非常高的dv/dt，經(jīng)過100%雪崩測試，具有非常低的本征電容、良好的可重復(fù)制造性，以及改良的ESD性能。此外，逆變器與其他可選模塊解決方案相比，使用分立解決方案還能在PCB上靈活定位器件，從而實(shí)現(xiàn)空間的優(yōu)化，并獲得有效的熱管理，因而這是一種具有成本效益的解決方案。