H橋驅動原理.doc

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基本概念 H橋（H-Bridge), ，即全橋（因外形與H相似故得名），常用于逆變器（DC-AC轉換，即直流變交流）。通過開關的開合，將直流電（來自電池等）逆變?yōu)槟硞€頻率或可變頻率的交流電，用于驅動交流電機（異步電機等）。 工作原理 H橋逆變（單相） 如右圖所示單相橋式逆變電路工作原理開關T1、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Ud； 開關T1、T4斷開，T2、T3閉合：u0=－ Ud; 當以頻率fS交替切換開關T1、T4和 T2 、T3 時 ， 則 在 負載電 阻 R上 獲 得交變電壓波形（正負交替的方波），其周期 Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓E變成了 交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想 得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波 獲得。 主電路開關T1~T4，它實際是各種半導體開關器件的 一種理想模型。逆變電路中常用的開關器件有快速晶閘管、可關斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。 在實際運用中，開關器件存在損耗：導通損耗（conduction losses) 和換相損耗(commutation losses) 和門極損耗(gate losses)。其中門極損耗極小可忽略不計，而導通損耗和換相損耗隨著開關頻率的增加而增加。 2控制方式編輯 H橋的控制主要分為近似方波控制和脈沖寬度調制（PWM）和級聯(lián)多電平控制。 近似方波控制 即quasi-square-wave-control, 輸出波形比正負交替方波多了一個零電平（3-level），諧波大為減少。 優(yōu)點是開關頻率較低，缺點是諧波成分高，需要濾波器的成本大。 脈沖寬度調制 即Pulse width modulation,分為單極性和雙極性pwm. 隨著開關頻率的升高，輸出電壓電流波形趨于正弦，諧波成分減小，但是高開關頻率帶來一系列問題：開關損耗大，電機絕緣壓力大，發(fā)熱等等。 多電平 即multi-level inverter，采用級聯(lián)H橋的方式，使得在同等開關頻率下諧波失真降到最小，甚至不需要用濾波器，獲得良好的近似正弦輸出波形。 3應用于直流電機編輯 由兩個三極管，一個可以對正極導通實現(xiàn)上拉，另一個可以對負極導通實現(xiàn)下拉。 由兩套這樣的電路，在同一個電路中，同時一個上拉，另一個下拉，或相反，兩者總是保持相反的輸出，這樣可以在單電源的情況下使負載的極性倒過來。由于這樣的接法加上中間的負載畫出來經(jīng)常會像一個H的字樣，故得名H橋。 驅動電路 圖4.12中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：圖4.12及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅動電路沒有畫出來）。 如圖所示，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。 圖4.12 H橋驅動電路 圖4.12 H橋驅動電路 要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖4.13所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 圖4.13 H橋電路驅動電機順時針轉動 圖4.13 H橋電路驅動電機順時針轉動 圖4.14所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 圖4.14 H橋驅動電機逆時針轉動 圖4.14 H橋驅動電機逆時針轉動 使能控制和方向邏輯 驅動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯嶋H驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。 圖4.15 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提供一種方向輸入，可以保證任何時候在H橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。（與本節(jié)前面的示意圖一樣，圖4.15所示也不是一個完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。） 原圖片的邏輯功能有問題 圖4.15 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路 采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR－L信號為0，DIR－R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經(jīng)電機（如圖4.16所示）；如果DIR－L信號變?yōu)?，而DIR－R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。 圖4.16 使能信號與方向信號的使用 實際使用的時候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。 附兩張分立元件的H橋驅動電路：