H桥

H桥

H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图中只是简略示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

中文名称H桥

外文名称H-Bridge

常用于逆变器

类型直流电机控制电路

控制方式近似方波控制和脉冲宽度调制等

基本概念

H桥（H-Bridge), ，因外形与H相似故得名，常用于逆变器（DC-AC转换，即直流变交流）。通过开关的开合，将直流电（来自电池等）逆变为某个频率或可变频率的交流电，用于驱动交流电机（异步电机等）。

工作原理

H桥逆变（单相） 如右图所示单相桥式逆变电路工作原理开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud； 开关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=－ Ud; 当以频率fS交替切换开关T1、T4和 T2 、T3 时 ， 则 在负载电 阻 R上 获 得交变电压波形（正负交替的方波），其周期 Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了 交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想 得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波 获得。

主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的 一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。

在实际运用中，开关器件存在损耗：导通损耗（conduction losses) 和换相损耗(commutation losses) 和门极损耗(gate losses)。其中门极损耗极小可忽略不计，而导通损耗和换相损耗随着开关频率的增加而增加。

控制方式

H桥的控制主要分为近似方波控制和脉冲宽度调制（PWM）和级联多电平控制。

近似方波控制

即quasi-square-wave-control, 输出波形比正负交替方波多了一个零电平（3-level），谐波大为减少。

优点是开关频率较低，缺点是谐波成分高，需要滤波器的成本大。

脉冲宽度调制

即Pulse width modulation,分为单极性和双极性pwm. 随着开关频率的升高，输出电压电流波形趋于正弦，谐波成分减小，但是高开关频率带来一系列问题：开关损耗大，电机绝缘压力大，发热等等。

多电平

即multi-level inverter，采用级联H桥的方式，使得在同等开关频率下谐波失真降到最小，甚至不需要用滤波器，获得良好的近似正弦输出波形。

应用直流电机

由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉。

由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

驱动电路

图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图4.12 H桥驱动电路

图4.12 H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动

图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动

图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图4.14 H桥驱动电机逆时针转动

图4.14 H桥驱动电机逆时针转动

使能控制和方向逻辑

驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。

图4.15 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）

原图片的逻辑功能有问题 图4.15 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路

采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

图4.16 使能信号与方向信号的使用

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

附两张分立元件的H桥驱动电路：

适合大功率的全桥电路 4.18