電晶體｜評估篇
逆變電路中開關反向恢復特性的重要性 三相調製逆變電路的基本工作
2025.05.22
重點
・在逆變電路工作時，會產生Body Diode的反向恢復電流。
・反向恢復時間和反向恢復電流過大會導致損耗增加，這對於逆變電路而言是一個不利因素。
・透過使用反向恢復時間和反向恢復電流峰值小的MOSFET，可以減少逆變電路中的損耗，降低MOSFET損壞的風險。
本文將為您介紹第二個主題“三相調製逆變電路的基本工作”。在上一主題中已經提到過，從本文開始我們將以馬達驅動中常用的“正弦波驅動（三相調製）方式”為例進行講解。
- ■逆變電路的種類和通電方式
- ■三相調製逆變電路的基本工作
- ■透過雙脈衝測試比較PrestoMOS™與一般SJ MOSFET的損耗（實際測試結果）
- ■透過三相調製逆變電路比較PrestoMOS™與一般SJ MOSFET的效率（模擬）
三相調製逆變電路的基本工作
圖6為U相的三相調製逆變電路時序圖。由於在U相呈正極性時High Side（Q1）會進行勵磁，因此閘極驅動訊號的占空比會隨著接近U相電流峰值而逐漸增加，隨著接近負極性而逐漸減小，並在U相呈負極性時進行續流。當U相呈負極性時則相反，Low Side（Q2）會進行勵磁，並在U相呈正極性時續流。
在這種驅動模式下，V相和W相也執行同樣的PWM工作和續流工作，因此具有三相在AC輸出的任何時間點均可進行切換的特點，稱之為“三相調製”。
各開關時間點的占空比D(t)可以使用逆變器輸
出AC頻率f和相位差θ，透過以下公式表示：
\(D(t) = D_{max} \sin(2\pi f t + θ)\) ・・・・・・・・・（1）
其中，Dmax是AC輸出峰值時的占空比，被稱為“調製因數”。
圖7為U相電流峰值附近（正極性）的U相電流波形和各相電晶體（Q1/Q2、Q3/Q4、Q5/Q6）的閘極驅動波形。
下面我們將U相電流峰值附近用來在電感器中積蓄能量的勵磁開關—U相High Side（Q1）從ON到OFF再到ON的區間，分為（1）～（13）個工作模式分別進行說明。下面的圖表示從U相看的電流路徑變化。
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Mode（1）
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Mode（2）
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Mode（3）
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Mode（4）
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Mode（5）
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Mode（6）
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Mode（7）
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Mode（8）
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Mode（9）
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Mode（10）
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Mode（11）
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Mode（12-1）
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Mode（12-2）
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Mode（13）
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透過這樣的工作過程，會產生Mode（12-2）中那樣的Body Diode反向恢復電流。Q1～Q6都會產生該Body Diode的反向恢復電流，因此對於逆變電路而言，反向恢復特性的好壞非常重要。該反向恢復電流的不良影響如下：
●當反向恢復電流（峰值電流）較大時，
例如像Mode（12-2）所示，當Q1導通時，會流過Q2的反向恢復電流。如果反向恢復電流峰值Irr較大，則Q1中將流過過大的電流。此時，如果超過MOSFET的額定值（如果電流密度變大），汲極-源極之間將發生短路，處於橋臂短路狀態，可能會導致Q1和Q2的MOSFET損壞。
●在反向恢復時間較長的情況下，
流過Body Diode的反向恢復電流時，在Mode（12-2）下，當Q2的Body Diode導通時，Q1的汲極和源極之間將被施加Vin量的電壓。此時的導通開關波形如圖11所示。反向恢復時間trr越長，導通時Q1的汲極電流ID(t)流動的時間越長，在汲極和源極之間施加電壓VDS(t)的時間越長。此時的開關損耗PSW透過下列公式來表示（TS為1個開關週期）。
\(P_{sw} = \frac{1}{T_S} \int I_D(t) \times V_{DS}(t) \, dt\) ・・・・・・・・・（2）
從公式（2）可以看出，損耗能量EON是ID(t)和VDS(t)的積乘以時間所得到的面積分，可見，反向恢復越慢，開關損耗越大。在逆變電路中，流過電感的電流會變為正弦波狀，因此導通時的反向恢復電流會隨開關時序發生變化。也就是說，越接近正弦波峰值附近，反向恢復電流越大。所以，對於在正弦波峰值附近的開關工作，要特別注意反向恢復電流引起的損耗會增加這一情況。
綜上所述，反向恢復時間和反向恢復電流過大對於逆變電路而言是一個不利因素。透過使用反向恢復時間短且反向恢復電流峰值小的MOSFET，可以減少逆變電路中的損耗，並降低開關元件損壞的風險。
通常而言，會透過雙脈衝測試對逆變電路的單橋臂進行評估。在下一篇文章中，我們將透過雙脈衝測試對反向恢復特性優異的MOSFET和普通SJ MOSFET的損耗進行比較。
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- • 逆變電路中開關元件反向恢復特性的重要性 －前言－
- • 逆變電路的種類和通電方式
- • 透過雙脈衝測試比較PrestoMOS™與普通SJ MOSFET的損耗（實際測試結果）
- • 透過三相逆變電路比較PrestoMOS™與普通SJ MOSFET的效率（模擬）
- • 逆變電路中開關元件反向恢復特性的重要性 －總結－