H桥的秘密
导文
H桥是常见的电路之一，在汽车电子中几乎无处不在。本文原文来自 Modular circuits博客的高端文章《H-Bridge Secrets》，从H桥的硬件原理到控制方案都进行了详细的阐述，现在就让我们一起学习起来吧~
通常，H桥是一个非常简单的电路，包含四个开关元件，负载处于中心，呈类似H的配置：
在某些高压应用IGBT中，开关元件（Q1..Q4）通常是双极或FET晶体管。二极管（D1..D4）称为续流二极管，通常为肖特基型。尽管在涉及H桥的大多数文档中都提到了它们，但通常忽略了它们的作用，其中所有四个开关元件都可以独立地导通和关断。尽管没有这种理论上的限制，但迄今为止，H桥使用的最普遍的负载是有刷直流或双极步进电机。
电机模型
直流电动机是一种能量转换设备：它吸收电能并将其转化为机械能。当作为发电机运行时，其作用相反：将机械能转换为电能。在这个非常简单的电动机模型中，机械参数将被完全忽略。在电气方面，电动机在磁场中的运动将在电感两端产生一个电压，称为发电机电压用Vg表示。根据此描述，可以得出以下模型：
实际上，在许多情况下，可以忽略内部电阻，并且可以使用更简单的模型，即与电压源串联的理想电感：
其中，电感代表电动机绕组，电阻代表电动机中的所有电气损耗，电压源代表“发电机电压”与电动机的转速成正比，用Vg表示。流过电动机（或任何元件，因为它们是串联的）的电流与电动机的转矩成比例。
静态操作
H桥的基本工作模式非常简单：如果Q1和Q4接通，则电动机的左引线将连接到电源，而右引线则接地。电流开始流经电动机，从而向（例如）正向通电，电动机轴开始旋转。
如果Q2和Q3打开，则将发生反向，电动机反向通电，并且轴将开始反向旋转。
在H桥中，永远不要同时关闭Q1和Q2（或Q3和Q4）。如果这样做的话，会在电源和地之间创建了一条真正的低电阻路径，从而使电源短路。这种情况的发生会快速破坏H桥或电路中的其他元器件。
驱动模式
如果打算少于全速的工作模式，则以PWM方式来控制开关。电机的平均电压将由PWM信号的“开启”和“关闭”时间之间的比率确定。
在on-time模式下，我们的选择很简单，要么打开Q1和Q4，要么打开Q2和Q3。但是在off-time的情况下就复杂多了。看一下我们的电动机模型，您会发现它基本上是一个感性负载。而电感具有无法瞬时改变流经它们的电流的特性。
因此，每当电桥改变状态且电动机电流不为零时，新状态必须确保电流可以继续流动。因此，最好为断开时间选择一个状态，为电感电流提供一条闭合的路径。为了做到这一点，我们必须在电机的两侧分别闭合一个开关。
映射 1 Q1 Q2 Q3 Q4
on-time close open open close
off-time close open close open
映射 2 Q1 Q2 Q3 Q4
on-time close open open close
off-time open close open close
映射 3 Q1 Q2 Q3 Q4
on-time close open open close
off-time open close close open
映射 4 Q1 Q2 Q3 Q4
on-time open close close open
off-time close open open close
映射 5 Q1 Q2 Q3 Q4
on-time open close close open
off-time close open close open
映射 6 Q1 Q2 Q3 Q4
on-time open close close open
off-time open close open close
open：断，close：闭
我们可以在表中找到一些有趣的对称性。例如，映射3和4互为镜像。如果我们在映射3中交换A侧和B侧，则会得到映射4，反之亦然。我们将这些映射称为“ 锁定反相驱动 ”。其他四个映射（1、2、5和6）仅更改网桥一侧的状态。通过交换A侧和B侧，我们可以将一个转换为另一个。我们将这种类型的操作称为“ 信号幅度驱动器”。还有一种只闭合一个开关的，大量依靠二极管续流来实现的断开的方式称为“ 异步信号幅度驱动 Asynchronous Sign Magnitude Drive ”，其效果与信号幅度驱动器相类似，但使用较少，这里不再赘述。
Sign-Magnitude Drive
信号幅度驱动是最简单的驱动模式。在接通期间（与所有其他驱动模式一样），一个高端开关和相对的低端开关闭合，而另外两个则断开。在此期间，电动机电流从0增大到最大值。在关断期间，高端MOSFET保持导通，而低端MOSFET关闭。电机电流将继续流过Q3和D1。但它不能流过D2，因为D2上的正向电流与电动机电流的方向相反（换句话说，在此模式下D2永远不会正向偏置）。
此驱动模式的一种变形模式：在整个周期内，用Q2代替Q3导通。此时D4成为电流的导电元件，而电路中的工作参数大致相同。
最好尽可能少地切换高端元件，因为它们的导通时长更慢，因此它们的切换损耗也更高。从这种意义上说，映射1为首选的驱动模式。但在如果工作频率较低的工况下，则可以通过交替使用两种驱动模式来均衡D1和D4上的功耗。这个技巧可以将每个二极管的散热量减少一半，并且可以很好地将它们移至安全工作范围。无论如何，如果二极管是限制因素，使用这种工作模式就可以实现更高的平均电流和峰值电流。
Lock Anti-Phase Drive
锁定反相驱动是一种相当流行的驱动模式，几乎可以消除了续流二极管上所有压力。在这种模式下，电机在关闭时间内会进行反向通电。换句话说，在导通阶段时Q2和Q3导通，截止时Q1和Q4导通，二极管在大多数时间内没有电流通过。
在关断期间，电机绕组上的电压大约为Vbat + Vg，明显高于以前的驱动模式。但该驱动模式的问题在于，一旦电流达到0，它就会继续减小到负值。此时电动机会反向通电，试图使电机朝错误的方向转动。
该驱动模式的另一个特点是发电机电压（Vg）永远不会出现在电机端子上。对于传统的电动机驱动器电路来说，这不是一个大问题，但如果要使用反电动势速度控制，则此驱动模式并不适合。
H桥的控制
我们刚刚开始就说过，永远不要同时打开同一侧H桥的高端开关和低端开关。如果发生这种情况，将会在电源和地之间创建一条非常低的电阻路径。这样的实验有几个结果，但都不令人满意。充其量您有某种短路保护会跳闸，并且电路只会使电源失去作用。如果没有的话，巨大的电流将可能烧坏电路器件。避免静态直通的方法：只需确保不要同时关闭两个“ A”或“ B”侧FET。然而更大的问题是动态击穿：当您关闭一个FET，同时打开另一个FET时，低端和高端FET都可能在一定程度上导通，从而产生相对较低的电阻路径，产生电流尖峰。尽管不会产生静态直通那样的破坏性，但仍然会有很多问题。
为了避免这种情况，低侧FET的开启延迟至少保证要与高侧FET的关闭时间一样长，其他工况
过渡当然也是如此。该技术有很多名称，包括死区时间，直通保护，无重叠PWM。
但是当采用直通保护时，又会产生另一个问题：在过渡期间，低端和高端FET不会在很短时间内导通，在这一瞬间，必须考虑电感电流，因此某些电路必须接入二极管。由于二极管通常比开关本身具有更高的损耗，因此在较短的时间内，电桥的散热将高于正常水平。对于高频操作需要有严格的击穿保护控制，以最大程度地减少这种发热。
热控制
在四个FET（及其二极管）的每一个上，都有两种类型的热量产生损耗：静态损耗与动态损耗。四个器件之间的平均静态损耗仅取决于驱动模式和占空比。而平均动态损耗取决于开关频率，接通和断开时间以及直通保护窗口的长短。但根据驱动模式的不同，所产生的热量在四个FET和二极管之间分布也不相同。在各种驱动模式下，也会切换不同数量的FET：
● 锁定反相驱动：所有四个FET均处于切换状态
● 信号幅度驱动：两个FET处于切换状态
● 异步信号幅度驱动：仅需切换一个FET这意味着在信号幅度驱动中，开关FET的动态损耗（热量）将比非开关FET多。例如在我们之前的映射1情况下，Q3和Q4一起会比Q1散发更多的热量。对于异步信号幅度驱动，这种不对称性更加明显。由于二极管的损耗通常比FET本身的损耗高，因此它的发热量比信号幅度驱动还要多。最后，对于两种信号幅度驱动，都有一个FET根本不会导通，这使得桥的热设计更加复杂。理想的情况：将热量均匀分布在四个设备上。当然我们可以通过安装散热器来机械地完成此操作，但也可以使用更先进的控制模式来实现这一点。
本文作者：modularcircuits blog（点击原文直接查看）翻译排版：汽车ECU设计往期推荐
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