[科普中國(guó)]-H橋

H橋是一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，因?yàn)樗碾娐沸螤羁崴谱帜窰，故得名與“H橋”。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：圖中只是簡(jiǎn)略示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái)）。

簡(jiǎn)介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），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，以及其它的功率電子裝置。

H橋是一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，因?yàn)樗碾娐沸螤羁崴谱帜窰，故得名與“H橋”。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

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?！癏橋”的名稱起源于其電路，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)。1

基本概念H橋（H-Bridge), ，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(guò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，將直流電（來(lái)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）。2

工作原理如右圖所示單相橋式逆變電路工作原理開(kāi)關(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開(kāi)：u0=Ud； 開(kāi)關(guān)T1、T4斷開(kāi)，T2、T3閉合：u0=－ Ud; 當(dāng)以頻率fS交替切換開(kāi)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(guò)濾波器濾波 獲得。

主電路開(kāi)關(guān)T1~T4，它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的 一種理想模型。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）。

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) 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(kāi)關(guān)頻率的增加而增加。1

控制方式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

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

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。

多電平

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。1

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。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)