H橋驅(qū)動(dòng)原理.doc
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基本概念 H橋(H-Bridge), ,即全橋(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€(gè)頻率或可變頻率的交流電,用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)(異步電機(jī)等)。 工作原理 H橋逆變(單相) 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(shí) , 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(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)。 在實(shí)際運(yùn)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(jì),而導(dǎo)通損耗和換相損耗隨著開關(guān)頻率的增加而增加。 2控制方式編輯 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 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 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(jī)絕緣壓力大,發(fā)熱等等。 多電平 即multi-level inverter,采用級(jí)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。 3應(yīng)用于直流電機(jī)編輯 由兩個(gè)三極管,一個(gè)可以對(duì)正極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)上拉,另一個(gè)可以對(duì)負(fù)極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)下拉。 由兩套這樣的電路,在同一個(gè)電路中,同時(shí)一個(gè)上拉,另一個(gè)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(huì)像一個(gè)H的字樣,故得名H橋。 驅(qū)動(dòng)電路 圖4.12中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿,而電機(jī)就是H中的橫杠(注意:圖4.12及隨后的兩個(gè)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(dòng)電路沒有畫出來)。 如圖所示,H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況,電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī),從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖4.12 H橋驅(qū)動(dòng)電路 圖4.12 H橋驅(qū)動(dòng)電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須使對(duì)角線上的一對(duì)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(shí),電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī),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(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí),電流將從左至右流過電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向)。 圖4.13 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.13 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.14所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況,電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí),電流將從右至左流過電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向)。 圖4.14 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.14 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 使能控制和方向邏輯 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通,那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí),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?,在實(shí)際驅(qū)動(dòng)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(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接,這樣,用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸入,可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)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(gè)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。) 原圖片的邏輯功能有問題 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(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制:兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR-L信號(hào)為0,DIR-R信號(hào)為1,并且使能信號(hào)是1,那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通,電流從左至右流經(jīng)電機(jī)(如圖4.16所示);如果DIR-L信號(hào)變?yōu)?,而DIR-R信號(hào)變?yōu)?,那么Q2和Q3將導(dǎo)通,電流則反向流過電機(jī)。 圖4.16 使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用 實(shí)際使用的時(shí)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(jī)和控制信號(hào)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(dòng)電路:- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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- 驅(qū)動(dòng) 原理
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