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H橋
時(shí)間:2022-10-16 人氣: 來(lái)源:山東合運(yùn)電氣有限公司
H橋是一種電子電路,可使其連接的負(fù)載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。這類電路可用于機(jī)器人及其它實(shí)作場(chǎng)合中直流電動(dòng)機(jī)的順?lè)聪蚩刂萍稗D(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)控制(雙極型步進(jìn)電機(jī)還必須要包含兩個(gè)H橋的電機(jī)控制器)[1],電能變換中的大部分直流-交流變換器(如逆變器及變頻器)、部分直流-直流變換器(推挽式變換器)等[2],以及其它的功率電子裝置。
H橋電路,既可以分立元器件形式搭建,也可以整合到集成電路上。[1]“H橋”的名稱起源于其電路的形狀:兩個(gè)并聯(lián)支路和一個(gè)負(fù)載接入/電路輸出支路,看上去構(gòu)成了形如“H”字母的電路結(jié)構(gòu)。
工作原理
作為直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
在一個(gè)H橋中有四個(gè)開(kāi)關(guān)(S1~S4)。如H橋電路圖(圖2)所示,當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S4閉合,S2和S3斷開(kāi)時(shí),中間橋接的直流電動(dòng)機(jī)兩端加上正向電壓,{\displaystyle V_{M}=V_{\text{in}}}{\displaystyle V_{M}=V_{\text{in}}},電動(dòng)機(jī)M正轉(zhuǎn)工作;當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S4斷開(kāi),S2和S3閉合時(shí),{\displaystyle V_{M}=-V_{\text{in}}}{\displaystyle V_{M}=-V_{\text{in}}},電動(dòng)機(jī)兩端電壓反相,電動(dòng)機(jī)M反轉(zhuǎn)工作。H橋也可以使運(yùn)轉(zhuǎn)中的電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn):在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),將S1和S3閉合或?qū)2和S4閉合(即短接電動(dòng)機(jī)兩端),則電動(dòng)機(jī)被剎停;將H橋的全部開(kāi)關(guān)斷開(kāi),則電動(dòng)機(jī)自由停轉(zhuǎn)。
在這個(gè)電路的正常工作情況下,一個(gè)并聯(lián)支路側(cè)的開(kāi)關(guān)S1和S2不可以同時(shí)閉合,同樣另一側(cè)支路的開(kāi)關(guān)S3和S4也是如此。如果某一側(cè)支路的開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合,會(huì)將供電電源的正負(fù)兩極短路。這個(gè)狀態(tài)稱為短路直通。短路直通狀態(tài)通常會(huì)對(duì)電源與開(kāi)關(guān)器件造成危險(xiǎn)。
下表是H橋的工作狀態(tài)表,其中以"1"代表開(kāi)關(guān)接通,"0"代表開(kāi)關(guān)斷路:
注:以下的“電動(dòng)機(jī)”均指直流電動(dòng)機(jī)
注:短路直通狀態(tài)通常被視為不允許的狀態(tài),要避免這些狀態(tài)發(fā)生。
S1 S2 S3 S4工作狀態(tài)
1 0 0 1電動(dòng)機(jī)正向(反向)轉(zhuǎn)動(dòng)
0 1 1 0電動(dòng)機(jī)反向(正向)轉(zhuǎn)動(dòng)
0 0 0 0電動(dòng)機(jī)自由停止
0 1 0 1電動(dòng)機(jī)剎停
1 0 1 0電動(dòng)機(jī)剎停
1 1 0 0短路直通*危險(xiǎn)*
0 0 1 1短路直通*危險(xiǎn)*
1 1 1 1短路直通*危險(xiǎn)*
作為逆變器驅(qū)動(dòng)器
當(dāng)以頻率{\displaystyle f_{s}}f_{s}交替切換開(kāi)關(guān)S1、S4和S2、S3時(shí),即可在負(fù)載M上獲得正負(fù)交替的方波波形,其周期{\displaystyle T_{s}={\frac{1}{f_{s}}}}{\displaystyle T_{s}={\frac{1}{f_{s}}}}。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(guò)濾波器濾波獲得[不合邏輯]。
電路中的四個(gè)開(kāi)關(guān)可以是機(jī)械式開(kāi)關(guān),也可以是各種半導(dǎo)體固態(tài)器件。逆變電路中常用的開(kāi)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)等。在實(shí)際運(yùn)用中,開(kāi)關(guān)器件存在損耗:導(dǎo)通損耗(conduction losses),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(kāi)關(guān)頻率的增加而增加。
三相橋式(可控)整流電路/逆變電路的工作原理和H橋類似:兩者都是通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的通斷狀態(tài)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)電能變換。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它們并不完全屬于H橋的范圍。
工作方式
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
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(kāi)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
脈沖寬度調(diào)制即Pulse width modulation,分為單極性和雙極性pwm.隨著開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)一系列問(wèn)題:開(kāi)關(guān)損耗大,電機(jī)絕緣壓力大,發(fā)熱等等。
級(jí)聯(lián)多電平控制
級(jí)聯(lián)多電平控制即multi-level inverter,采用級(jí)聯(lián)H橋的方式,使得在同等開(kāi)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。
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