H橋工作方式

由兩個三極管，一個可以對正極導(dǎo)通實現(xiàn)上拉，另一個可以對負(fù)極導(dǎo)通實現(xiàn)下拉。

由兩套這樣的電路，在同一個電路中，同時一個上拉，另一個下拉，或相反，兩者總是保持相反的輸出，這樣可以在單電源的情況下使負(fù)載的極性倒過來。由于這樣的接法加上中間的負(fù)載畫出來經(jīng)常會像一個H的字樣，故得名H橋。

圖4.12中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于"H橋驅(qū)動電路"是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠(注意:圖4.12及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來)。

如圖所示，H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。

圖4.12 H橋驅(qū)動電路

要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖4.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動(電機周圍的箭頭指示為順時針方向)。

圖4.13 H橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動

圖4.14所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動(電機周圍的箭頭表示為逆時針方向)。

圖4.14 H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動

驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯嶋H驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。

圖4.15 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個"使能"導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸入，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。(與本節(jié)前面的示意圖一樣，圖4.15所示也不是一個完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。)

圖4.15 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路

采用以上方法，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制:兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR-L信號為0，DIR-R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(如圖4.16所示);如果DIR-L信號變?yōu)?，而DIR-R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機。

圖4.16 使能信號與方向信號的使用

實際使用的時候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

附兩張分立元件的H橋驅(qū)動電路:

H橋的控制主要分為近似方波控制和脈沖寬度調(diào)制(PWM)和級聯(lián)多電平控制。

即quasi-square-wave-control, 輸出波形比正負(fù)交替方波多了一個零電平(3-level)，諧波大為減少。

優(yōu)點是開關(guān)頻率較低，缺點是諧波成分高，需要濾波器的成本大。

即Pulse width modulation,分為單極性和雙極性pwm. 隨著開關(guān)頻率的升高，輸出電壓電流波形趨于正弦，諧波成分減小，但是高開關(guān)頻率帶來一系列問題:開關(guān)損耗大，電機絕緣壓力大，發(fā)熱等等。

即multi-level inverter，采用級聯(lián)H橋的方式，使得在同等開關(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。

H橋(H-Bridge), ，因外形與H相似故得名，常用于逆變器(DC-AC轉(zhuǎn)換，即直流變交流)。通過開關(guān)的開合，將直流電(來自電池等)逆變?yōu)槟硞€頻率或可變頻率的交流電，用于驅(qū)動交流電機(異步電機等)。

如右圖所示單相橋式逆變電路工作原理開關(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開:u0=Ud; 開關(guān)T1、T4斷開，T2、T3閉合:u0=- Ud; 當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和 T2 、T3 時 ， 則 在 負(fù)載電 阻 R上 獲 得交變電壓波形(正負(fù)交替的方波)，其周期 Ts=1/fS，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，則可通過濾波器濾波 獲得。

主電路開關(guān)T1~T4，它實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的 一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)。

在實際運用中，開關(guān)器件存在損耗:導(dǎo)通損耗(conduction losses) 和換相損耗(commutation losses) 和門極損耗(gate losses)。其中門極損耗極小可忽略不計，而導(dǎo)通損耗和換相損耗隨著開關(guān)頻率的增加而增加。