中文名 | H橋 | 外文名 | H-Bridge |
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常用于 | 逆變器 | 類????型 | 直流電機控制電路 |
控制方式 | 近似方波控制和脈沖寬度調(diào)制等 |
H橋是一種電子電路,可使其連接的負載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。這類電路可用于機器人及其它實作場合中直流電動機的順反向控制及轉(zhuǎn)速控制、步進電機控制(雙極型步進電機還必須要包含兩個H橋的電機控制器),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,以及其它的功率電子裝置。
H橋是一個典型的直流電機控制電路,因為它的電路形狀酷似字母H,故得名與“H橋”。4個三極管組成H的4條垂直腿,而電機就是H中的橫杠
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?!癏橋”的名稱起源于其電路,兩個并聯(lián)支路和一個負載接入/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)。
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)。
你用的IRF540或者IRF054吧? 首先,我覺得,用5V給柵極,他就不會導(dǎo)通,因為它導(dǎo)通需要在10V左右。其次,你說導(dǎo)通后漏源極電壓相等這也是正確的,而且它導(dǎo)通是要考慮Vgs,就像三極管的Vbe一...
第一個方案效率高一些,但是你用單片機可能帶不動,第二個自己帶了pre driver,所以對驅(qū)動要求低很多,但是high side用npn損失了不少效率。用推挽的MOSFET會好一些。
上圖是“H”橋電壓檢測電路。是用于精度測量的橋電路。頂部開關(guān)是用來校正電路電流表平衡的。調(diào)整靠電位器。
h橋應(yīng)用于逆變器
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; 當以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和 T2 、T3 時 , 則 在 負載電 阻 R上 獲 得交變電壓波形(正負交替的方波),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。
h橋應(yīng)用于直流電機
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載的極性倒過來。由于這樣的接法加上中間的負載畫出來經(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極。此時,電路中除了三極管外沒有其他任何負載,因此電路上的電流就可能達到最大值(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。
近似方波控制
即quasi-square-wave-control, 輸出波形比正負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。
脈沖寬度調(diào)制
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。
多電平
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。
如圖《H橋逆變(單相)》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; 當以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和 T2 、T3 時 , 則 在 負載電 阻 R上 獲 得交變電壓波形(正負交替的方波),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。
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。近似方波控制即quasi-square-wave-control, 輸出波形比正負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。 2100433B
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基于 H橋級聯(lián)型逆變器 PWM控制策略的研究 相關(guān)專題: 高壓變頻器 時間: 2009-12-07 07:12 來源: 中國傳動網(wǎng) 摘 要:本文主要對大功率 高壓變頻器 H橋級聯(lián)型逆變器的實現(xiàn)方式進行了探討,主要從系 統(tǒng)中 PWM 實現(xiàn)的控制策略上進行研究, 并針對幾種控制策略的實現(xiàn)方法及性能進行了分析 及比較。 關(guān)鍵字: H橋,PWM; Abstract:This paper mainly discussed high-power high-voltage inverter H-bridge cascade inverter implementations ,and introduced PWM control strategy from the system to achieve ,and control strategies for the realization of sev
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針對80KVA/400A變流器H橋母線排的設(shè)計要求,使用ANSOFTMAXWELL有限元分析軟件比較了不同設(shè)計原則下雜散電感參數(shù)的變化,并提出了一種新型的優(yōu)化母線排結(jié)構(gòu),較少了IGBT模塊的關(guān)斷過沖電壓,并優(yōu)化了高頻電流的分布。通過仿真和實驗分別證實了新型母線排的良好測試結(jié)果,最后給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實驗波形。
鏈式H橋方案每相都由若干單相換流器(即鏈節(jié))串聯(lián)組成,根據(jù)電壓等級確定是否用大容量変壓器接入系統(tǒng)。該方案在35kV及更低電壓下無需變壓器,具有可模塊化設(shè)計、體積小等優(yōu)點,也存在對系統(tǒng)的絕緣水平要求較高的缺點。一個鏈節(jié)的輸出電壓可有-Udc、0Udc三種狀態(tài),N個鏈節(jié)串聯(lián)的輸出電壓峰值范固為[-NUdc,NUdc],而電平數(shù)目為2N 1。對三相鏈式H橋 STATCON而言,有Y型和△型兩種聯(lián)結(jié)型式。
對于確定的電壓等級和容量等級,Y型和△型聯(lián)結(jié)的主要區(qū)別是閥組承受的電壓等級和電流等級不同,由此會導(dǎo)致占地面積和成本會略有差別。Y型和△型聯(lián)結(jié)方式,系統(tǒng)對稱時補償特性相同,系統(tǒng)不對稱時△型聯(lián)結(jié)方式的補償性能較好。
STATCON主電路拓撲主要有功率單元并聯(lián)變壓器多重化方案、鏈式H橋方案和模塊化多電平換流器(modularmultievel convener,MMC)方案三種選擇 。
北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員吳麗然、吳命利,在2017年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,為了抑制級聯(lián)H橋型變流器直流電壓的不均衡,分析變流器交流側(cè)和直流側(cè)的功率傳輸,然后以調(diào)制波重構(gòu)的思想詳細分析直流電壓均衡控制的原理。提出基于單位化的變流器輸出電流構(gòu)造調(diào)制波微調(diào)量的改進直流電壓均衡方法。
根據(jù)分析結(jié)果,給出在整流、無功補償、諧波補償?shù)葢?yīng)用場合直流電壓均衡控制策略的構(gòu)成方法及建議。仿真和實驗結(jié)果表明直流電壓均衡控制策略的有效性。
級聯(lián)型多電平變流器也稱為級聯(lián)H橋型(Cascaded H-Bridge, CHB)變流器或多單元串聯(lián)型多電平變流器,由于是多單元串聯(lián)、各單元結(jié)構(gòu)相同,在直流側(cè)相互獨立,易采用模塊化設(shè)計和安裝,能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓、多電平的輸出,成為高電壓大功率電力電子裝置的主流拓撲結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于靜止同步補償器、光伏并網(wǎng)逆變器、電力電子變壓器等場合[1-4]。
級聯(lián)H橋型變流器也存在缺點:由于開關(guān)損耗、器件斷態(tài)損耗、電容自身損耗和吸收回路損耗的差異以及輸入脈沖延時的不同會造成直流電壓的不均衡[5,6],而直流電壓的均衡是級聯(lián)H橋型變流器正常工作的基礎(chǔ)。因此,直流電壓均衡控制是級聯(lián)H橋型多電平變流器的研究熱點。
文獻[7,8]采用增加額外均衡電路的方法調(diào)節(jié)等效并聯(lián)損耗或直流母線能量實現(xiàn)了直流電壓的均衡,雖然沒有增加控制算法的復(fù)雜程度,但是增加了硬件電路的功率損耗。文獻[9]利用單元間直流電壓差實現(xiàn)均衡控制,但僅適合兩單元級聯(lián)變流器。文獻[10]闡述了脈沖輪換均衡電壓的原理,采用疊加有功電壓矢量的方法。
文獻[11-14]實現(xiàn)了級聯(lián)H橋型靜止無功補償器直流電壓的均衡控制。文獻[15]實現(xiàn)了級聯(lián)H橋型整流器直流電壓的均衡控制,但缺少詳細的直流電壓均衡控制原理的分析,且均衡方法不具有通用性。文獻[16]通過沿電流放電建立微調(diào)量實現(xiàn)了級聯(lián)靜止無功發(fā)生器(Static VarGenerator, SVG)直流電壓均衡控制。
文獻[17]通過直流電壓排序選擇需要投入的功率單元,實現(xiàn)了直流電壓均衡控制。文獻[18]采用相移空間矢量調(diào)試方法,通過冗余矢量的選擇實現(xiàn)了三相級聯(lián)SVG直流電壓均衡控制。
本文基于調(diào)制波重構(gòu)的思想,以與電網(wǎng)電壓同相和垂直的單位交流量以及CHB變流器電流分別構(gòu)造調(diào)制波微調(diào)量,分析了這幾種不同的調(diào)制波微調(diào)量均衡直流電壓的原理和適用場合,給出了級聯(lián)H橋型變流器在整流、無功補償和諧波補償應(yīng)用場合的調(diào)制波微調(diào)量構(gòu)造方法和建議,并通過仿真和實驗驗證了算法的有效性。
圖6 直流電壓均衡控制原理框圖
結(jié)論
針對級聯(lián)H橋型變流器直流電壓不均衡現(xiàn)象,通過調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)吸收功率來重構(gòu)每個功率單元的調(diào)制波,以達到直流電壓均衡的目的。對級聯(lián)H橋型變流器用于整流、無功補償和諧波補償場合的直流電壓均衡控制分別作了原理分析、仿真及實驗驗證,結(jié)果表明:
1)級聯(lián)H橋型變流器用于整流時,可用與電網(wǎng)電壓同相的交流信號構(gòu)造調(diào)制波微調(diào)量,或以單位化的變流器輸出電流構(gòu)造。前者無需檢測電流峰值,實現(xiàn)起來相對簡單,因此應(yīng)優(yōu)先選擇前者。
2)級聯(lián)H橋型變流器用于無功補償時,可用與電網(wǎng)電壓垂直的交流信號構(gòu)造調(diào)制波微調(diào)量,或以單位化的變流器交流電流構(gòu)造,同理應(yīng)優(yōu)先選擇前者。
3)級聯(lián)H橋型變流器用于諧波補償時,可用單位化的變流器交流電流構(gòu)造調(diào)制波微調(diào)量。兼補無功功率時,亦可用與電網(wǎng)電壓垂直的交流信號構(gòu)造。
4)采用單位化的CHB變流器電流構(gòu)造調(diào)制波微調(diào)量,比直接采用CHB變流器電流的方法,參數(shù)整定更加簡單,更適合帶有隨機性、時變性負載的直流電壓均衡控制。