01.  H-橋電路基礎(chǔ)

 

1.簡介

你也許通過線上-線下的資料對于搭建H-橋電路有所了解，畢竟這些電路相對比較簡單。但有些資料介紹H-橋電路比較精準(zhǔn)，但有些差一點(diǎn)。當(dāng)你實(shí)際使用橋電路的時(shí)候也許就會意識到，很多電路特性實(shí)際上并沒有在網(wǎng)絡(luò)資料中說明清楚。下面的資料是來自于 「H-橋電路基礎(chǔ)」[1] 網(wǎng)絡(luò)文章的內(nèi)容，作者在自行設(shè)計(jì)「uM-H橋」電路的過程中寫的博文，對于H橋電路的原理和 應(yīng)用都充滿著熱情進(jìn)行介紹。

雖然作者盡量避免涉及到H橋電路、電機(jī)控制原理等更深入的理論，但還是希望讀者對于基本電子元器件的特性（比如、電阻、電容、電感、電路網(wǎng)絡(luò)原理等）能夠熟知，否則也無法看懂他已經(jīng)進(jìn)行簡化并通過圖例、表格進(jìn)行梳理的內(nèi)容。

 

2.基本結(jié)構(gòu)

H橋電路與復(fù)雜很像中國漢字“「日」”字，如果去掉上下電源與底線，電路結(jié)構(gòu)與英文字母“「H」”相似。在電路兩邊上下各自放置了四個(gè)由功率晶體管組成的“「電子開關(guān)」”，負(fù)載（通常是功率器件：比如電機(jī)）橫亙在左右電子開關(guān)中間。電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與 「惠斯通電橋」[2] 相同。左右兩個(gè)組開關(guān)被稱為兩個(gè)**半橋。

 

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▲ H-橋電路基本結(jié)構(gòu)

 

功率電子開關(guān)（Q1,Q2,Q3,Q4）通常使用雙極性功率三極管，或者場效應(yīng)（FET）晶體管。特殊高壓場合使用絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）。四個(gè)并聯(lián)的二極管（D1，D2，D3，D4）通常被稱為鉗位二極管（Catch  Diode），通常使用肖特基二極管。很多功率MOS管內(nèi)部也都集成有內(nèi)部反向?qū)ǘO管。H-橋電路上下分別連接電源正負(fù)極。

 

四個(gè)功率開關(guān)可以通過驅(qū)動電路被控制打開（Open）或者閉合（Close）。本質(zhì)上四個(gè)功率管的開關(guān)狀態(tài)組合應(yīng)該有種，但只有其中幾種不同的組合才能夠真正安全用于負(fù)載供電控制。

 

橋電路可以控制很多負(fù)載，但通常情況下會使用脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動波形來為直流電機(jī)、雙極性步進(jìn)電機(jī)等進(jìn)行高效控制。

 

02. 工作模式

 

1. 靜態(tài)工作狀態(tài)

下面顯示了組成橋電路四個(gè)功率開關(guān)的不同開關(guān)狀態(tài)組合為負(fù)載所提供的不同驅(qū)動電源方式。

 

比如下圖中：左上右下（Q1,Q4）晶體管閉合，右上左下（Q3，Q4）晶體管斷開，負(fù)載上施加有左正右負(fù)的電源電壓（忽略了晶體管的導(dǎo)通電壓）。電機(jī)正轉(zhuǎn)。

 

▲ H-橋電路驅(qū)動電機(jī)正向電壓

 

下圖是相反的情況，通過Q3、Q2的導(dǎo)通，Q1、Q4的斷開，電機(jī)負(fù)載上施加了相反機(jī)型的電源電壓。電機(jī)反轉(zhuǎn)。

 

▲ H-橋電路驅(qū)動電機(jī)反向電壓

 

也有一些組合模式，是不向電機(jī)供電。比如當(dāng)四個(gè)晶體開關(guān)都斷開，此時(shí)電機(jī)負(fù)載相當(dāng)于兩端懸空。如果電機(jī)此時(shí)在運(yùn)動，其轉(zhuǎn)子的動能就會在摩擦力的作用下逐步消耗，電機(jī)慢慢停止。

 

下圖所示的兩種情況：H橋電路的上半部（或者下半部）的兩個(gè)晶體管閉合，對應(yīng)的另外兩個(gè)晶體管斷開。此時(shí)電機(jī)兩端被橋電路實(shí)際上是短接在一起。電機(jī)兩端電壓為0。如果此時(shí)電機(jī)在運(yùn)動，那么它轉(zhuǎn)子的動能會通過所產(chǎn)生的反向電動勢（EMF）在外部短路橋電路回路中形成制動電流，電機(jī)會快速制動。

 

▲ 電機(jī)兩端電壓被橋電路強(qiáng)制短接在一起

 

也有一些組合是需要堅(jiān)決避免的。比如下圖所示的，當(dāng)H-橋電路一邊的上下兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通（同時(shí)斷開是允許的），電源就會通過這兩個(gè)晶體管形成短路回路。所產(chǎn)生巨大的短路電流通常會毫不客氣的將這兩個(gè)晶體管給燒毀。

 

▲ H-橋電路直通

 

同邊橋臂短路情況有時(shí)是控制信號不好（沒有給足死區(qū)時(shí)間），有時(shí)是功率器件不夠堅(jiān)強(qiáng)（耐壓不夠被擊穿）。但由于關(guān)系到H橋電路的生死，所以需要精細(xì)避免。

 

2. 控制電機(jī)的兩種PWM模式

橋電路應(yīng)用最多的場合是控制電機(jī)運(yùn)動（比如特斯拉電動汽車驅(qū)動電路）。電機(jī)負(fù)載可以使用電阻Rm，電感Lm以及感應(yīng)電動勢Vg的串聯(lián)來描述。電機(jī)運(yùn)動所需要的轉(zhuǎn)動力矩是由流過串聯(lián)電路的電樞電流所產(chǎn)生，而電樞電流則是由施加在串聯(lián)電路上的電壓所產(chǎn)生。

 

由于電機(jī)本身帶有儲能慣性環(huán)節(jié)（包括有電儲能器件Lm以及機(jī)械儲能部件轉(zhuǎn)子的慣性），因此當(dāng)使用高頻的脈沖電壓（PWM）作用在電機(jī)兩端時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的效果實(shí)際上由脈沖電壓的平均值決定。

 

▲ 電機(jī)的等效模型

 

為了產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)不同極性、不同幅值的電壓，控制電機(jī)PWM波形有兩種工作模式：

 

●極性-幅值驅(qū)動模式（Sign-Magnitude Drive），也稱單極性驅(qū)動模式：驅(qū)動電機(jī)的信號有控制H橋輸出極性的方向控制信號和控制PWM占空比幅值的脈沖信號；PWM占空比為0時(shí)，輸出電壓為0。

 

▲ 極性-幅值驅(qū)動模式橋電路的輸出與負(fù)載電壓電流波形

 

●互鎖相位驅(qū)動模式（Lock Anti-Phase），也稱雙極性驅(qū)動模式：橋電路兩邊由極性相反PWM信號驅(qū)動。PWM占空比為50%時(shí)，輸出平均電壓為0。

 

▲ 互鎖相位驅(qū)動模式下橋電路的輸出與負(fù)載的電壓電流波形

 

在單極性（極性-幅值）驅(qū)動模式下，H橋電路只有通常只有兩個(gè)晶體管做高頻開關(guān)動作，電路損耗較小。但往往由于回路中的電阻存在，使得電機(jī)電流與PWM波形之間不再是線性關(guān)系。可以參見博文 「磁鐵驅(qū)動反向續(xù)流串接電阻的的分析」[3] 中的電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

 

在雙極性（互鎖相位）驅(qū)動模式下，四個(gè)功率晶體管都需要同時(shí)做高頻開關(guān)動作，電路損耗相對較大。但電路控制負(fù)載的電流輸出是線性的關(guān)系。

 

下圖給出了電機(jī)在雙極性驅(qū)動模式下，正向電流與反向續(xù)流過程中的電流回路。由于兩個(gè)過程只是極性相反，但電壓相同，所以電機(jī)的平均電流與PWM的占空比呈現(xiàn)線性正比的關(guān)系。

 

▲ 電機(jī)在雙極性PWM驅(qū)動下正向?qū)ㄅc反向續(xù)流的回路

 

雙極性PWM模式還可允許電機(jī)工作在四項(xiàng)限（正向運(yùn)行、正向發(fā)電、反向運(yùn)行、反向發(fā)電）的模式下，在驅(qū)動大功率電機(jī)時(shí)會效率更高。

 

原文作者分別在 「Sign-Magnitude Drive」[4] 和 「Lock Anti-Phase Drive」 博文中給出了兩種PWM模式下電機(jī)負(fù)載的電流與PWM占空比之間的關(guān)系。為了不嚇走本文一般的讀者，就不再引用他的很多結(jié)論在這了。感興趣的同學(xué)可以自行推導(dǎo)，或者參見原文。

 

03. 供電電源

 

橋電路的供電電源通常會并聯(lián)有大容量儲能電容來穩(wěn)定電源電壓，此時(shí)橋電路被稱為電壓工作模式。與此對應(yīng)的，也有的橋電路是在電壓源線上串聯(lián)大容量平波電感，此時(shí)通常是做逆變電源使用，被稱為電流工作模式。

 

對于橋電路并聯(lián)的儲能電容需要考慮：

 

●它需要能夠Hold的住多大的負(fù)載電感所產(chǎn)生的反向電流？

●電路能夠容忍多大的電壓波動？

●橋電路的開關(guān)頻率是多少？

 

▲ 電源帶有濾波電容的H橋電路

 

下圖顯示了由于電機(jī)中的電感存在，橋電路不同PWM相位期間橋電路的工作電流波形情況?？梢钥吹皆谀承┣闆r下，橋電路會反向向電源充入電流的。

 

▲ 電機(jī)電流與橋電路工作電流波形

 

如果對于電機(jī)負(fù)載沒有施加電流反饋控制的話，橋電路并聯(lián)電容需要取的更大一些，以此來減輕電機(jī)在突然加速和減速過程中所出現(xiàn)的浪涌電流對于電源所造成的波動。下圖給出了橋電路電容與電源并聯(lián)為橋電路提供工作電流。

 

▲ 橋電路并聯(lián)電容與電源一起為橋電路供電

 

原文作者起來他的橋電路三部曲博文中還詳細(xì)討論了電機(jī)在橋電路驅(qū)動下的「過渡過程」、「剎車過程」、「穩(wěn)態(tài)狀態(tài)」下的電流波形和分析公式。特別分析了電機(jī)在制動過程所對應(yīng)的「動態(tài)剎車」、「發(fā)電剎車」兩種不同狀態(tài)對于電源的 影響。

 

04. 后話

 

雖然我們不能夠確認(rèn)原文作者所有的結(jié)論、公式都是正確的。但看到他清晰的話語、生動的插圖、詳盡的公式分析反映了他從一個(gè)需要設(shè)計(jì)小型電機(jī)H橋電路驅(qū)動工程出發(fā) ，不停的在思索橋電路工作的各環(huán)節(jié)的原理和一些控制細(xì)節(jié)，并最終后總結(jié)成博文?？梢泽w會到他內(nèi)心在整個(gè)知識增長過程中的喜悅。

 

也許每個(gè)人都會有這種喜悅。記錄、表達(dá)這種收獲喜悅也許可以繼續(xù)激勵(lì)你繼續(xù)前進(jìn)。更重要的是，這些記錄有可能在你將來遇到新的問題時(shí)候會激發(fā)出你新的想法。