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H桥

时间:2022-10-16 人气: 来源:山东合运电气有限公司

  H桥是一种电子电路,可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向。这类电路可用于机器人及其它实作场合中直流电动机的顺反向控制及转速控制、步进电机控制(双极型步进电机还必须要包含两个H桥的电机控制器)[1],电能变换中的大部分直流-交流变换器(如逆变器及变频器)、部分直流-直流变换器(推挽式变换器)等[2],以及其它的功率电子装置。


  H桥电路,既可以分立元器件形式搭建,也可以整合到集成电路上。[1]“H桥”的名称起源于其电路的形状:两个并联支路和一个负载接入/电路输出支路,看上去构成了形如“H”字母的电路结构。

工作原理


作为直流电动机驱动器

620px-H_bridge.svg.png

  在一个H桥中有四个开关(S1~S4)。如H桥电路图(图2)所示,当开关S1和S4闭合,S2和S3断开时,中间桥接的直流电动机两端加上正向电压,{\displaystyle V_{M}=V_{\text{in}}}{\displaystyle V_{M}=V_{\text{in}}},电动机M正转工作;当开关S1和S4断开,S2和S3闭合时,{\displaystyle V_{M}=-V_{\text{in}}}{\displaystyle V_{M}=-V_{\text{in}}},电动机两端电压反相,电动机M反转工作。H桥也可以使运转中的电动机停转:在电动机运转时,将S1和S3闭合或将S2和S4闭合(即短接电动机两端),则电动机被刹停;将H桥的全部开关断开,则电动机自由停转。620px-H_bridge_operating.svg.png


  在这个电路的正常工作情况下,一个并联支路侧的开关S1和S2不可以同时闭合,同样另一侧支路的开关S3和S4也是如此。如果某一侧支路的开关同时闭合,会将供电电源的正负两极短路。这个状态称为短路直通。短路直通状态通常会对电源与开关器件造成危险。


  下表是H桥的工作状态表,其中以"1"代表开关接通,"0"代表开关断路:


  •   注:以下的“电动机”均指直流电动机

  •   注:短路直通状态通常被视为不允许的状态,要避免这些状态发生。


  S1 S2 S3 S4工作状态


  1 0 0 1电动机正向(反向)转动


  0 1 1 0电动机反向(正向)转动


  0 0 0 0电动机自由停止


  0 1 0 1电动机刹停


  1 0 1 0电动机刹停


  1 1 0 0短路直通*危险*


  0 0 1 1短路直通*危险*


  1 1 1 1短路直通*危险*


作为逆變器驱动器


  当以频率{\displaystyle f_{s}}f_{s}交替切换开关S1、S4和S2、S3时,即可在负载M上获得正负交替的方波波形,其周期{\displaystyle T_{s}={\frac{1}{f_{s}}}}{\displaystyle T_{s}={\frac{1}{f_{s}}}}。这样,就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波,如果想得到正弦波电压,则可通过滤波器滤波获得[不合逻辑]。


  电路中的四个开关可以是机械式开关,也可以是各种半导体固态器件。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)等。在实际运用中,开关器件存在损耗:导通损耗(conduction losses),换相损耗(commutation losses)和门极损耗(gate losses)。其中门极损耗极小可忽略不计,而导通损耗和换相损耗随着开关频率的增加而增加。


  三相桥式(可控)整流电路/逆变电路的工作原理和H桥类似:两者都是通过开关器件的通断状态的改变来实现电能变换。但严格来说它们并不完全属于H桥的范围。


工作方式


  H桥的控制主要分为近似方波控制和脉冲宽度调制(PWM)和级联多电平控制。


近似方波控制


  近似方波控制即quasi-square-wave-control,输出波形比正负交替方波多了一个零电平(3-level),谐波大为减少。优点是开关频率较低,缺点是谐波成分高,需要滤波器的成本大。


脉冲宽度调制


  脉冲宽度调制即Pulse width modulation,分为单极性和双极性pwm.随着开关频率的升高,输出电压电流波形趋于正弦,谐波成分减小,但是高开关频率带来一系列问题:开关损耗大,电机绝缘压力大,发热等等。


级联多电平控制


  级联多电平控制即multi-level inverter,采用级联H桥的方式,使得在同等开关频率下谐波失真降到最小,甚至不需要用滤波器,获得良好的近似正弦输出波形。


  

关于H桥,小编为大家就分享这些。欢迎联系我们合运电气有限公司,以获取更多相关知识。

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