01.  H-橋電路基礎

 

1.簡介

你也許通過線上-線下的資料對於搭建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qiao電dian路lu比bi較jiao精jing準zhun，但dan有you些xie差cha一yi點dian。當dang你ni實shi際ji使shi用yong橋qiao電dian路lu的de時shi候hou也ye許xu就jiu會hui意yi識shi到dao，很hen多duo電dian路lu特te性xing實shi際ji上shang並bing沒mei有you在zai網wang絡luo資zi料liao中zhong說shuo明ming清qing楚chu。下xia麵mian的de資zi料liao是shi來lai自zi於yu 「H-橋電路基礎」[1] 網絡文章的內容
，作者在自行設計「uM-H橋」電路的過程中寫的博文
，對於H橋電路的原理和 應用都充滿著熱情進行介紹。

雖然作者盡量避免涉及到H橋電路、電機控製原理等更深入的理論，但還是希望讀者對於基本電子元器件的特性（比如
、電阻、電容
、電感、電路網絡原理等）能夠熟知，否則也無法看懂他已經進行簡化並通過圖例、表格進行梳理的內容。

 

2.基本結構

H橋電路與複雜很像中國漢字“「日」”字
，如果去掉上下電源與底線，電路結構與英文字母“「H」”相似。在電路兩邊上下各自放置了四個由功率晶體管組成的“「電子開關」”，負載（通常是功率器件：比如電機）橫亙在左右電子開關中間。電路網絡結構與 「惠斯通電橋」[2] 相同。左右兩個組開關被稱為兩個**半橋。

 

**

▲ H-橋電路基本結構

 

功率電子開關（Q1,Q2,Q3,Q4）通常使用雙極性功率三極管，或者場效應（FET）晶體管。特殊高壓場合使用絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）。四個並聯的二極管（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管內部也都集成有內部反向導通二極管。H-橋電路上下分別連接電源正負極。

 

四個功率開關可以通過驅動電路被控製打開（Open）或者閉合（Close）。本質上四個功率管的開關狀態組合應該有種，但隻有其中幾種不同的組合才能夠真正安全用於負載供電控製。

 

橋電路可以控製很多負載，但通常情況下會使用脈寬調製（PWM）驅動波形來為直流電機、雙極性步進電機等進行高效控製。

 

02. 工作模式

 

1. 靜態工作狀態

下麵顯示了組成橋電路四個功率開關的不同開關狀態組合為負載所提供的不同驅動電源方式。

 

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，負載上施加有左正右負的電源電壓（忽略了晶體管的導通電壓）。電機正轉。

 

▲ H-橋電路驅動電機正向電壓

 

下圖是相反的情況，通過Q3、Q2的導通，Q1、Q4的斷開
，電機負載上施加了相反機型的電源電壓。電機反轉。

 

▲ H-橋電路驅動電機反向電壓

 

也(ye)有(you)一(yi)些(xie)組(zu)合(he)模(mo)式(shi)，是(shi)不(bu)向(xiang)電(dian)機(ji)供(gong)電(dian)。比(bi)如(ru)當(dang)四(si)個(ge)晶(jing)體(ti)開(kai)關(guan)都(dou)斷(duan)開(kai)，此(ci)時(shi)電(dian)機(ji)負(fu)載(zai)相(xiang)當(dang)於(yu)兩(liang)端(duan)懸(xuan)空(kong)。如(ru)果(guo)電(dian)機(ji)此(ci)時(shi)在(zai)運(yun)動(dong)，其(qi)轉(zhuan)子(zi)的(de)動(dong)能(neng)就(jiu)會(hui)在(zai)摩(mo)擦(ca)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)逐(zhu)步(bu)消(xiao)耗(hao)
，電(dian)機(ji)慢(man)慢(man)停(ting)止(zhi)。

 

下圖所示的兩種情況：H橋電路的上半部（或者下半部）的兩個晶體管閉合，對應的另外兩個晶體管斷開。此時電機兩端被橋電路實際上是短接在一起。電機兩端電壓為0。如果此時電機在運動，那麼它轉子的動能會通過所產生的反向電動勢（EMF）在外部短路橋電路回路中形成製動電流，電機會快速製動。

 

▲ 電機兩端電壓被橋電路強製短接在一起

 

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

 

▲ H-橋電路直通

 

同邊橋臂短路情況有時是控製信號不好（沒有給足死區時間）

，有時是功率器件不夠堅強（耐壓不夠被擊穿）。但由於關係到H橋電路的生死

，所以需要精細避免。

 

2. 控製電機的兩種PWM模式

橋電路應用最多的場合是控製電機運動（比如特斯拉電動汽車驅動電路）。電機負載可以使用電阻Rm，電感Lm以及感應電動勢Vg的串聯來描述。電機運動所需要的轉動力矩是由流過串聯電路的電樞電流所產生
，而電樞電流則是由施加在串聯電路上的電壓所產生。

 

由於電機本身帶有儲能慣性環節（包括有電儲能器件Lm以及機械儲能部件轉子的慣性）



，因此當使用高頻的脈衝電壓（PWM）作用在電機兩端時
，產生轉矩的效果實際上由脈衝電壓的平均值決定。

 

▲ 電機的等效模型

 

為了產生驅動電機不同極性
、不同幅值的電壓，控製電機PWM波形有兩種工作模式：

 

●極性-幅值驅動模式（Sign-Magnitude Drive），也稱單極性驅動模式：驅動電機的信號有控製H橋輸出極性的方向控製信號和控製PWM占空比幅值的脈衝信號；PWM占空比為0時
，輸出電壓為0。

 

▲ 極性-幅值驅動模式橋電路的輸出與負載電壓電流波形

 

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

 

▲ 互鎖相位驅動模式下橋電路的輸出與負載的電壓電流波形

 

在單極性（極性-幅值）驅動模式下，H橋電路隻有通常隻有兩個晶體管做高頻開關動作，電路損耗較小。但往往由於回路中的電阻存在，使得電機電流與PWM波形之間不再是線性關係。可以參見博文 「磁鐵驅動反向續流串接電阻的的分析」[3] 中的電路實驗結果。

 

在雙極性（互鎖相位）驅動模式下
，四個功率晶體管都需要同時做高頻開關動作，電路損耗相對較大。但電路控製負載的電流輸出是線性的關係。

 

xiatugeichuledianjizaishuangjixingqudongmoshixia，zhengxiangdianliuyufanxiangxuliuguochengzhongdedianliuhuilu。youyulianggeguochengzhishijixingxiangfan，dandianyaxiangtong，suoyidianjidepingjundianliuyuPWM的占空比呈現線性正比的關係。

 

▲ 電機在雙極性PWM驅動下正向導通與反向續流的回路

 

雙極性PWM模式還可允許電機工作在四項限（正向運行
、正向發電、反向運行、反向發電）的模式下，在驅動大功率電機時會效率更高。

 

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模式下電機負載的電流與PWM占空比之間的關係。為了不嚇走本文一般的讀者

，就不再引用他的很多結論在這了。感興趣的同學可以自行推導，或者參見原文。

 

03. 供電電源

 

qiaodianludegongdiandianyuantongchanghuibinglianyoudarongliangchunengdianronglaiwendingdianyuandianya
，cishiqiaodianlubeichengweidianyagongzuomoshi。yuciduiyingde
，yeyoudeqiaodianlushizaidianyayuanxianshangchuanliandarongliangpingbodiangan，cishitongchangshizuonibiandianyuanshiyong，beichengweidianliugongzuomoshi。

 

對於橋電路並聯的儲能電容需要考慮：

 

●它需要能夠Hold的住多大的負載電感所產生的反向電流？

●電路能夠容忍多大的電壓波動
？

●橋電路的開關頻率是多少？

 

▲ 電源帶有濾波電容的H橋電路

 

下圖顯示了由於電機中的電感存在，橋電路不同PWM相位期間橋電路的工作電流波形情況。可以看到在某些情況下
，橋電路會反向向電源充入電流的。

 

▲ 電機電流與橋電路工作電流波形

 

ruguoduiyudianjifuzaimeiyoushijiadianliufankuikongzhidehua，qiaodianlubingliandianrongxuyaoqudegengdayixie，yicilaijianqingdianjizaituranjiasuhejiansuguochengzhongsuochuxiandelangyongdianliuduiyudianyuansuozaochengdebodong。xiatugeichuleqiaodianludianrongyudianyuanbinglianweiqiaodianlutigonggongzuodianliu。

 

▲ 橋電路並聯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討論了電機在橋電路驅動下的「過渡過程」、「刹車過程」、「穩態狀態」下的電流波形和分析公式。特別分析了電機在製動過程所對應的「動態刹車」、「發電刹車」兩種不同狀態對於電源的 影響。

 

04. 後話

 

雖然我們不能夠確認原文作者所有的結論、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需要設計小型電機H橋電路驅動工程出發 ，不停的在思索橋電路工作的各環節的原理和一些控製細節，並最終後總結成博文。可以體會到他內心在整個知識增長過程中的喜悅。

 

也許每個人都會有這種喜悅。記錄、表達這種收獲喜悅也許可以繼續激勵你繼續前進。更重要的是，這些記錄有可能在你將來遇到新的問題時候會激發出你新的想法。