H橋是一種電子電路，用于切換施加到負載上的電壓極性。這種電路通常用于機器人和其他應(yīng)用中，以使直流電機可以正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。
大多數(shù)直流-交流轉(zhuǎn)換器(功率逆變器)、大多數(shù)交流/交流轉(zhuǎn)換器、DC-DC推挽式轉(zhuǎn)換器、大多數(shù)電機控制器和許多其他類型的電力電子設(shè)備都使用H橋。特別地，雙極步進電機幾乎總是由包含兩個H橋的電機控制器驅(qū)動。
H橋可以作為集成電路使用，也可以由分立元件構(gòu)成。[1]
術(shù)語“H橋”源自這種電路的典型圖形表示。H橋由四個開關(guān)(固態(tài)或機械式)組成。當開關(guān)S1和S4(根據(jù)第一個圖)閉合(S2和S3斷開)時，電機兩端將被施加正電壓。通過打開S1和S4開關(guān)，關(guān)閉S2和S3開關(guān)，該電壓方向變?yōu)榉聪?，從而使電機反向運行。
保持上述術(shù)語表示，開關(guān)S1和S2決不能同時閉合，因為這會導(dǎo)致輸入電壓源短路。這同樣適用于開關(guān)S3和S4。這種情況被稱為擊穿。
H橋裝置通常用于反轉(zhuǎn)電機的極性/方向，但也可用于“制動”電機，當電機端子短路時電機突然停止運行，或者當電機與電路有效斷開時讓電機“自由運行”至停止。下表總結(jié)了操作，S1-S4對應(yīng)于上圖。
| S1 | S2 | S3 | S4 | 結(jié)果 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1 | 電機向右移動 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 電機向左移動 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 電機滑行 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 電機滑行 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 電機滑行 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 電機滑行 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 電機滑行 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 電機制動 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 電機制動 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 短路 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 短路 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 短路 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 短路 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 短路 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 短路 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 短路 |
構(gòu)建H橋的一種方法是使用繼電器板上的繼電器陣列。[1]
“雙極雙擲”(DPDT)繼電器通?？梢詫崿F(xiàn)與H橋相同的電氣功能(考慮到設(shè)備的通常功能)。然而，在需要較小的物理尺寸、高速開關(guān)或低驅(qū)動電壓(或低驅(qū)動功率)或不希望機械部件磨損的情況下，基于半導(dǎo)體的H橋?qū)?yōu)于繼電器。
另一種選擇是用一個DPDT繼電器來設(shè)定電流方向，用一個晶體管來啟動電流。這可以延長繼電器的壽命，因為當晶體管關(guān)閉時繼電器將被切換，因此沒有電流流動。它還允許使用脈寬調(diào)制開關(guān)來控制電流水平。
固態(tài)H橋通常使用相反極性的器件構(gòu)建，例如連接到高壓總線的PNP雙極結(jié)型晶體管(BJT)或P溝道MOSFET以及連接到低壓總線的NPN BJTs或N溝道MOSFET。
最有效的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管設(shè)計在高邊和低邊都使用了N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，因為它們的導(dǎo)通電阻通常是P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的三分之一。這需要更復(fù)雜的設(shè)計，因為高端MOSFETs的柵極必須相對于DC供電軌被正向驅(qū)動。許多集成電路場效應(yīng)晶體管柵極驅(qū)動器在器件中包含了電荷泵來實現(xiàn)這一點。
或者，開關(guān)模式電源DC-DC轉(zhuǎn)換器可用于向柵極驅(qū)動電路提供隔離(“浮動”)電源。多輸出反激式轉(zhuǎn)換器非常適合這種應(yīng)用。
驅(qū)動場效應(yīng)晶體管電橋的另一種方法是使用一種被稱為GDT(柵極驅(qū)動變壓器)的專用變壓器，它提供隔離輸出來驅(qū)動上部場效應(yīng)晶體管柵極。變壓器鐵芯通常為鐵氧體環(huán)形，匝數(shù)比為1:1或4:9。然而，這種方法只能用于高頻信號。變壓器的設(shè)計也非常重要，因為漏電感應(yīng)該最小化，否則可能會發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)。變壓器的輸出通常由齊納二極管鉗位，因為高電壓尖峰會破壞場效應(yīng)晶體管柵極。
H橋電路的一個常見變化是僅在負載一側(cè)使用兩個晶體管，類似于AB類放大器。這種配置被稱為“半橋”。[2] 半橋用于一些使用同步整流器的開關(guān)電源和開關(guān)放大器。半橋類型通常縮寫為“半H”，以區(qū)別于全H橋。另一種常見的變化是，在橋上增加第三個“支路”，形成一個三相逆變器。三相逆變器是任何交流電機驅(qū)動的核心。
另一種變體是半控電橋，其中電橋一側(cè)的低邊開關(guān)器件和電橋另一側(cè)的高邊開關(guān)器件均由二極管代替。這消除了直通故障模式，通常用于驅(qū)動不需要雙向電流的可變或開關(guān)磁阻電機和執(zhí)行器。
市面上有許多廉價的單橋和雙橋封裝，其中L293x系列是最常見的。很少有像L9110，[3] 這樣的封裝內(nèi)置反激式二極管來進行反電動勢保護。
電橋的一個常見用途是逆變器。這種布置有時被稱為單相橋式逆變器。
帶有DC電源的電橋會在負載上產(chǎn)生方波電壓波形。對于純電感負載，電流波形將是三角波，其峰值取決于電感、開關(guān)頻率和輸入電壓。
[1]
Al Williams (2002). Microcontroller projects using the Basic Stamp (2nd ed.). Focal Press. p. 344. ISBN 978-1-57820-101-3..
[2]
''The Half-bridge Circuit Revealed (2012)'..
[3]
'wordpress.com' (PDF)..
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