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H桥的工作模式

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OKAKAKO|  楼主 | 2025-6-12 16:11 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
1.静态工作状态
下面显示了组成桥电路四个功率开关的不同开关状态组合为负载所提供的不同驱动电源方式。

比如下图中:左上右下(Q1,Q4)晶体管闭合,右上左下(Q3,Q4)晶体管断开,负载上施加有左正右负的电源电压(忽略了晶体管的导通电压)。电机正转。


▲ H-桥电路驱动电机正向电压
下图是相反的情况,通过Q3、Q2的导通,Q1、Q4的断开,电机负载上施加了相反机型的电源电压。电机反转。


▲ H-桥电路驱动电机反向电压
也有一些组合模式,是不向电机供电。比如当四个晶体开关都断开,此时电机负载相当于两端悬空。如果电机此时在运动,其转子的动能就会在摩擦力的作用下逐步消耗,电机慢慢停止。


下图所示的两种情况:H桥电路的上半部(或者下半部)的两个晶体管闭合,对应的另外两个晶体管断开。此时电机两端被桥电路实际上是短接在一起。电机两端电压为0。如果此时电机在运动,那么它转子的动能会通过所产生的反向电动势(EMF)在外部短路桥电路回路中形成制动电流,电机会快速制动。


▲ 电机两端电压被桥电路强制短接在一起
也有一些组合是需要坚决避免的。比如下图所示的,当H-桥电路一边的上下两个晶体管同时导通(同时断开是允许的),电源就会通过这两个晶体管形成短路回路。所产生巨大的短路电流通常会毫不客气的将这两个晶体管给烧毁。


▲ H-桥电路直通
同边桥臂短路情况有时是控制信号不好(没有给足死区时间),有时是功率器件不够坚强(耐压不够被击穿)。但由于关系到H桥电路的生死,所以需要精细避免。

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沙发
OKAKAKO|  楼主 | 2025-6-12 16:12 | 只看该作者
2.控制电机的两种PWM模式
桥电路应用最多的场合是控制电机运动(比如特斯拉电动汽车驱动电路)。电机负载可以使用电阻Rm,电感Lm以及感应电动势Vg的串联来描述。电机运动所需要的转动力矩是由流过串联电路的电枢电流所产生,而电枢电流则是由施加在串联电路上的电压所产生。

由于电机本身带有储能惯性环节(包括有电储能器件Lm以及机械储能部件转子的惯性),因此当使用高频的脉冲电压(PWM)作用在电机两端时,产生转矩的效果实际上由脉冲电压的平均值决定。


▲ 电机的等效模型
为了产生驱动电机不同极性、不同幅值的电压,控制电机PWM波形有两种工作模式:

极性-幅值驱动模式(Sign-Magnitude Drive),也称单极性驱动模式:驱动电机的信号有控制H桥输出极性的方向控制信号和控制PWM占空比幅值的脉冲信号;PWM占空比为0时,输出电压为0。

▲ 极性-幅值驱动模式桥电路的输出与负载电压电流波形
互锁相位驱动模式(Lock Anti-Phase),也称双极性驱动模式:桥电路两边由极性相反PWM信号驱动。PWM占空比为50%时,输出平均电压为0。

▲ 互锁相位驱动模式下桥电路的输出与负载的电压电流波形
在单极性(极性-幅值)驱动模式下,H桥电路只有通常只有两个晶体管做高频开关动作,电路损耗较小。但往往由于回路中的电阻存在,使得电机电流与PWM波形之间不再是线性关系。可以参见博文 「磁铁驱动反向续流串接电阻的的分析」[3] 中的电路实验结果。

在双极性(互锁相位)驱动模式下,四个功率晶体管都需要同时做高频开关动作,电路损耗相对较大。但电路控制负载的电流输出是线性的关系。


下图给出了电机在双极性驱动模式下,正向电流与反向续流过程中的电流回路。由于两个过程只是极性相反,但电压相同,所以电机的平均电流与PWM的占空比呈现线性正比的关系。


▲ 电机在双极性PWM驱动下正向导通与反向续流的回路
双极性PWM模式还可允许电机工作在四项限(正向运行、正向发电、反向运行、反向发电)的模式下,在驱动大功率电机时会效率更高。


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板凳
LOVEEVER| | 2025-6-12 16:30 | 只看该作者
H桥讲解的非常详细,通俗易懂

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