【全桥整流侠】什么是H桥（HDRIVE）？
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【全桥整流侠】什么是H桥（HDRIVE）？
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-Bridge百度百科英语，假的，我还AMERICAN BIG SOLDIER）H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠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，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。
H桥（H-Bridge），因外形与H相似故得名，常用于逆变器（DC-AC转换，即直流变交流）。通过开关的开合，将直流电（来自电池等）逆变为某个频率或可变频率的交流电，用于驱动交流电机（异步电机等）。
h桥用于直流电机工作原理
上图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
上图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
h桥用于逆变器工作原理
如上图所示单相桥式逆变电路工作原理开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud；开关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=－Ud;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在负载电阻R上获得交变电压波形（正负交替的方波），其周期Ts=1/fS，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。
主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。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）。
在实际运用中，开关器件存在损耗：导通损耗（conducTIonlosses）和换相损耗（commutaTIonlosses）和门极损耗（gatelosses）。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。主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的 一种理想模型。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）。在实际运用中，开关器件存在损耗：导通损耗（conduction losses) 和换相损耗(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。一个H桥有四个开关器件（可以是固态器件，也可以是机械式开关），如H桥电路图（图2）所示，当开关S1和S4闭合时，开关S2和S3断开，此时中间桥接的直流电动机两端加上正向电压正转工作。当S1、S4断开，同时闭合S2、S3时，电动机两端电压反相，使电动机反转工作。在这个电路中，正常工作情况下，一个并联支路侧的开关S1、S2不可能同时闭合，同样另一侧支路的开关S3、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，称为直通短路。H桥也可以刹停电动机，来使电动机停转，具体做法是在电动机运转时断开S2、S4，将S1、S3闭合（或断开S1、S3，将S2、S4闭合）。也可以全部开关断开，让电动机自由停转。下表将S1~S4分别作为一个0/1输入变量，运行状态作为一个0/1输出变量，列出一个逻辑功能表：注：以下的“电动机”均指直流电动机S1S2S3S4工作状态1001电动机正向（反向）转动0110电动机反向（正向）转动0000电动机自由停止0101电动机制动1010电动机制动1100短路直通0011短路直通1111短路直通三相桥式(可控)整流电路/逆变电路，工作原理和H桥类似，都是通过半控式器件/开关器件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。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。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。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。H型双极模式PWM控制的功率转换电路设计与分析
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H型双极模式PWM控制的功率转换电路设计与分析
H型提高转台伺服系统低速特性的作用十分显著，而且简单易行。H型能够提高伺服系统的低速特性，是因为H型的电动机电枢回路中始终流过一个交变的电流，这个电流可以使电动机发生高频颤动，有利于减小静摩擦，从而改善伺服系统的低速特性。但因其损耗大，H型双极模式PWM控制只适用于中、小的伺服系统。因此，有必要设计一种能够减小损耗的H型双极模式PWM控制的功率电路，使得H型双极模式PWM控制应用在大功率伺服系统中。本文引用地址：　　H型双极模式PWM控制的功率损耗　　如图1所示，H型双极模式PWM控制一般由4个大功率可控开关管(V 1-4)和4个续流二极管(VD 1-4)组成H桥式电路。4个大功率可控开关管分为2组，V1和V4为一组，V2和V3为一组。同一组的两个大功率可控开关管同时导通，同时关闭，两组交替轮流导通和关闭，即驱动信号u1=u4，u2=u3=-u1，电枢电流的方向在一个调宽波周期中依次按图1中方向1、2、3、4变化。由于允许电流反向，所以H型双极模式PWM控制工作时电枢电流始终是连续的。电枢电流始终连续产生电动机的附加功耗、大功率可控开关管高频开通关闭产生的导通功耗和开关功耗等动态功耗，是H型双极模式PWM控制功率损耗的主要来源。决定电动机附加功耗大小的因素主要是PWM的开关频率，开关频率越大附加功耗就越小。决定大功率可控开关管的动态功耗大小的因素主要是大功率可控开关管的开通关闭时间和PWM的开关频率，开通关闭时间越长动态功耗就越大，PWM开关频率越大动态功耗就越大。　　　　图1H型双极模式PWM控制原理图　　电枢回路的附加功耗、大功率可控开关管的动态损耗，使得H型双极模式PWM控制的功率损耗很大、不适合应用在大功率伺服系统中。为了解决这个问题，本文将以减小电动机电枢回路的附加功耗和大功率开关管的动态功耗为原则，设计H型双极模式PWM控制的功率电路，以使H型双极模式PWM控制应用在大功率伺服系统中。　　H型双极模式PWM控制的功率　　设计H型双极模式PWM控制的功率转换电路的核心是：功率转换器件的选取及其驱动、保护电路的设计。　　功率转换器件　　常用的大功率可控开关管主要有大功率双极型晶体管(GTR)、大功率电力场效应管(MOSFET)和IGBT等。GTR的主要缺点是：开通关闭时间长、开关功耗大、工作频率低、热稳定性差、容易损坏。MOSFET的主要缺点是：管子导通时通态压降比较大、管子功率损耗大。绝缘栅双极晶体管IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)集GTR和MOSFET的优点于一身，既具有通态电压低、耐高压、承受电流大、功率损耗低的特点，又具有输出阻抗高、速度快、热稳定性好的特点。因此，IGBT具有广阔的工程应用前景。　　本文的功率转换电路采用2MB型号的IGBT作为功率转换器件，其示意图如图2中右侧所示，G是栅(门)极、C极是集电极、E极是发射极。IGBT驱动条件与IGBT特性的关系经实验测得如表1所示，其中Vces、ton、toff、Vce、R分别为集电极-发射极饱和压降、开通时间、关闭时间、集电极-发射极电压和栅极电阻，&、-、&分别表示增大、不变、减小。从表1可以看出：　　①增大正向栅压+Vge，Vces和ton随之减小，IGBT的动态功耗随之减小;　　②增大反向栅压-Vge，toff随之减小，IGBT的动态功耗随之减小;　　③增大R，IGBT的ton、toff随之增大，IGBT的动态功耗随之增大。　　表1IGBT驱动条件与IGBT特性的关系　　　　因此，减小IGBT的动态功耗，需要增大正向栅压+Vge、增大反向栅压-Vge、减小ton和toff。但Vge并非越高越好，原因是Vge过高时电流增大，容易损坏IGBT。一般+Vge不超过+20V。IGBT关断期间，由于电路中其它部分的干扰，会在栅极G上产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该关闭的IGBT处于微通状态、增加IGBT的功耗，重则会使逆变电路处于短路直通状态，为了防止这些现象发生反向栅压-Vge越大越好。根据上述关系可以总结，IGBT对驱动电路的要求主要有：动态驱动能力强、正向和反向栅压合适、输入输出电隔离能力强、输入输出信号传输无延时、具有一定保护功能。　　为了减小IGBT的动态功耗和保障电路安全，满足IGBT的驱动要求，需合理确定+Vge、-Vge和R的值。这些都需要通过设计驱动电路来实现。　　驱动　　设计性能良好的驱动电路，可以使IGBT工作在比较理想的开关状态、缩短开关时间、减小开关功耗、提高功率转换电路的运行效率。IGBT栅极驱动方式主要有变压器驱动法、直接驱动法和光耦隔离驱动法。变压器驱动法有利于驱动信号的隔离、驱动功率损耗很小，但限制了使用频率，不利于PWM信号的传输。直接驱动法适用于小容量的不加保护的IGBT的场合。光耦隔离驱动法对光耦的要求较高，要求光耦速度快，绝缘耐压高于电源电压，共模抑制比大。　　SEMIKRON公司的SKHI22AH4模块是应用变压器驱动原理的驱动器件。当SKHI22AH4模块驱动IGBT时，它的最大工作频率可达100kHz，完全解决了限制使用频率问题。SKHI22AH4模块驱动IGBT的电路原理图如图2。图2中虚线方框是SKHI22AH4模块结构简图，模块中分初级和次级两个部分，这两个部分是绝缘的，使得驱动电路具有良好的输入输出电隔离能力;模块有2个input、2个output，一个input对应一个output，input是变压器初级，output是变压器次级;SKHI22AH4模块中还有针对短路、过流和电压不稳等错误的测量装置和错误信息储存装置，用来实现多种电路保护功能。SKHI22AH4模块的工作原理是：PWM控制信号加在变压器初级，变压器次级输出放大的驱动信号驱动IGBT。SKHI22AH4模块的供电电压是+15V，当其驱动2MB型号的IGBT时，其驱动输出的导通电压可达+14.2V、关闭电压可达-2V，完全满足减小IGBT动态功耗对+Vge、-Vge的要求。为了减小ton、toff，在允许的范围内取Ron=3.38，Roff=3.38。在力求减小功率损耗的原则下，在设计电路保护功能过程中选择其外围元器件。　　　　图2SKHI22AH4模块驱动IGBT的原理图
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