H橋驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換，即直流變交流）。通過開關(guān)的開合，將直流電（來(lái)自電池等）逆變?yōu)槟硞€(gè)頻率或可變頻率的交流電，用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)（異步電機(jī)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(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Ud； 開關(guān)T1、T4斷開，T2、T3閉合：u0=－ Ud; 當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和 T2 、T3 時(shí) ， 則 在 負(fù)載電 阻 R上 獲 得交變電壓波形（正負(fù)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(guān)T1~T4，它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的 一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。 在實(shí)際運(yùn)用中，開關(guān)器件存在損耗：導(dǎo)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(jì)，而導(dǎo)通損耗和換相損耗隨著開關(guān)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(diào)制（PWM）和級(jí)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(fù)交替方波多了一個(gè)零電平（3-level），諧波大為減少。 優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率較低，缺點(diǎn)是諧波成分高，需要濾波器的成本大。 脈沖寬度調(diào)制 即Pulse width modulation,分為單極性和雙極性pwm. 隨著開關(guān)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(guān)頻率帶來(lái)一系列問題：開關(guān)損耗大，電機(jī)絕緣壓力大，發(fā)熱等等。 多電平 即multi-level inverter，采用級(jí)聯(lián)H橋的方式，使得在同等開關(guān)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(yīng)用于直流電機(jī)編輯 由兩個(gè)三極管，一個(gè)可以對(duì)正極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)上拉，另一個(gè)可以對(duì)負(fù)極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)下拉。 由兩套這樣的電路，在同一個(gè)電路中，同時(shí)一個(gè)上拉，另一個(gè)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(fù)載的極性倒過來(lái)。由于這樣的接法加上中間的負(fù)載畫出來(lái)經(jīng)常會(huì)像一個(gè)H的字樣，故得名H橋。 驅(qū)動(dòng)電路 圖4.12中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖4.12及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來(lái)）。 如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖4.12 H橋驅(qū)動(dòng)電路 圖4.12 H橋驅(qū)動(dòng)電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖4.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。 圖4.13 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.13 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.14所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。 圖4.14 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.14 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 使能控制和方向邏輯 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)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?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。 圖4.15 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。（與本節(jié)前面的示意圖一樣，圖4.15所示也不是一個(gè)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(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR－L信號(hào)為0，DIR－R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（如圖4.16所示）；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。 圖4.16 使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用 實(shí)際使用的時(shí)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(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)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(qū)動(dòng)電路：