H橋

　　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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