[科普中國]-H橋

H橋是一個典型的直流電機控制電路，因為它的電路形狀酷似字母H，故得名與“H橋”。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：圖中只是簡略示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。

簡介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。這類電路可用于機器人及其它實作場合中直流電動機的順反向控制及轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機控制（雙極型步進(jìn)電機還必須要包含兩個H橋的電機控制器），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橋是一個典型的直流電機控制電路，因為它的電路形狀酷似字母H，故得名與“H橋”。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是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。“H橋”的名稱起源于其電路，兩個并聯(lián)支路和一個負(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）。通過開關(guān)的開合，將直流電（來自電池等）逆變?yōu)槟硞€頻率或可變頻率的交流電，用于驅(qū)動交流電機（異步電機等）。2

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

主電路開關(guān)T1~T4，它實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的 一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。

在實際運用中，開關(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，而導(dǎo)通損耗和換相損耗隨著開關(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)交替方波多了一個零電平（3-level），諧波大為減少。

優(yōu)點是開關(guān)頻率較低，缺點是諧波成分高，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，但是高開關(guān)頻率帶來一系列問題：開關(guān)損耗大，電機絕緣壓力大，發(fā)熱等等。

多電平

即multi-level inverter，采用級聯(lián)H橋的方式，使得在同等開關(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)交替方波多了一個零電平（3-level），諧波大為減少。優(yōu)點是開關(guān)頻率較低，缺點是諧波成分高，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，但是高開關(guān)頻率帶來一系列問題：開關(guān)損耗大，電機絕緣壓力大，發(fā)熱等等。

級聯(lián)多電平控制即multi-level inverter，采用級聯(lián)H橋的方式，使得在同等開關(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 - 中國礦業(yè)大學(xué)