淺析H橋效率和峰值電流測試問題

甘建峰（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電機(jī)在裝備各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，無論是軍工裝備、還是民生消費(fèi)產(chǎn)品，都在大量使用電機(jī)。直流電機(jī)作為電機(jī)的重要分類，主要有體積小便于移動、調(diào)速性能好、啟動轉(zhuǎn)矩大、能耗低、傳動比分級精細(xì)等特點(diǎn)，在一些特殊場合被廣泛應(yīng)用，如航空、化工、電動工具、冶金、電力機(jī)車、小型同步發(fā)電機(jī)勵磁、汽車電瓶充電等。而作為驅(qū)動直流電機(jī)的主要電路模式——H橋功率驅(qū)動電路，應(yīng)用也越來越普遍。H橋功率驅(qū)動電路在實(shí)際使用中，出現(xiàn)了一些工程應(yīng)用性問題，如效率和峰值電流測試量化的準(zhǔn)確性問題等。本文簡單介紹了H橋的工作原理及主要指標(biāo)，詳細(xì)分析了占空比在0～100%變化的PWM控制的H橋功放，在測試中如何準(zhǔn)確量化其效率和峰值電流。

1 H橋工作原理

H橋驅(qū)動電路是目前直流電機(jī)的主要驅(qū)動模式，它可以控制電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動，見圖1。

從原理圖中可以看出，要想使電機(jī)轉(zhuǎn)動，必須讓處于對角線上的開關(guān)管同時導(dǎo)通，隨著不同對角線上的開關(guān)管導(dǎo)通，電機(jī)的電流流向也發(fā)生變化，從而控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。需要注意的是，不能使同一臂上的開關(guān)管同時導(dǎo)通，否則會引發(fā)大電流，從而燒毀開關(guān)管。

H橋電路主要有4個工作狀態(tài)：當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時，電機(jī)處于正向轉(zhuǎn)動狀態(tài)；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時，電機(jī)處于反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)；當(dāng)Q1和Q3或Q2和Q4導(dǎo)通時，電機(jī)處于剎車狀態(tài)（剎車：電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢被短路，形成阻礙運(yùn)動的反電勢，形成剎車作用）；當(dāng)Q1、Q2、Q3、Q4全部關(guān)斷時，電機(jī)處于惰性狀態(tài)（惰性：電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢不能形成通路，也就不會產(chǎn)生阻礙運(yùn)動的反電勢，電機(jī)會慣性轉(zhuǎn)動較長時間）。

圖1 H橋驅(qū)動電路

2 H橋的主要指標(biāo)

H橋電路的主要考核指標(biāo)：

（1）效率：H橋作為功放電路本身會通過很大的電流，因此必須要有很高的效率，否則損耗太大效率太低的話不僅浪費(fèi)能源，更重要的是會產(chǎn)生大量的熱能使產(chǎn)品的溫升提高。而溫升過高，一方面容易使產(chǎn)品內(nèi)部的元器件超過其最高工作溫度，從而造成失效；另一方面，根據(jù)10℃原則（溫度每升高10℃，產(chǎn)品壽命降低一半），產(chǎn)品的長期可靠性也會降低。

（2）最高驅(qū)動電壓：H橋四個開關(guān)管選型確定后，電路能承受的最高電壓。在實(shí)際工程中，開關(guān)管耐壓的選擇，不僅要考慮最高輸入電壓，而且要考慮電機(jī)反向電勢引起的尖峰值。

（3）最大驅(qū)動電流：H橋四個開關(guān)管選型確定后，電路能承受的最大電流。實(shí)際工程中，開關(guān)管電流的選擇，必須滿足輸出電流的要求。

（4）驅(qū)動安全性：不能使同一臂上的開關(guān)管同時導(dǎo)通。驅(qū)動開關(guān)管的互補(bǔ)信號必須有足夠的死區(qū)時間，才能防止同一臂上的開關(guān)管同時導(dǎo)通。

3 H橋效率和峰值電流測試點(diǎn)的選擇

PWM控制的H橋功放在占空比不為0和100%時，輸出電流表現(xiàn)為交流值，且隨輸入信號頻率的變化而變化。用交流表測試時，不能方便準(zhǔn)確地觀察出具體值。因此，在實(shí)際產(chǎn)品做成后，必須要有一個準(zhǔn)確高效的測試方法來對其進(jìn)行考量。

以一個實(shí)際工程應(yīng)用的H橋設(shè)計(jì)部分的電路原理來進(jìn)行分析。該H橋電路由一個頻率為5 kHz、占空比0～100%變化的方波作為輸入信號來對電機(jī)進(jìn)行PWM控制；在電路實(shí)現(xiàn)中，將輸入方波信號經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后輸出S1、S2兩個互補(bǔ)的信號，這兩個互補(bǔ)的輸出信號控制Q1、Q2、Q3、Q4四個相同的N溝道MOS管；其中，S1控制 Q1和 Q4，S2控制 Q2和 Q3。Q1～Q4是四個相同的MOS管，其導(dǎo)通電阻也相同，即RON1＝RON2＝RON3＝RON4。RL為產(chǎn)品負(fù)載。參考方向?yàn)閺腁到B為正，見圖2。

圖2 f＝5 kHz PWM控制電路

該電路應(yīng)用四個相同的N溝道MOS管，主要考慮以下幾個方面：MOS管作為電壓控制其導(dǎo)通的器件，相較于三極管具有開關(guān)速度快、輸入阻抗大、不存在二次擊穿的特點(diǎn)，滿足了高頻化的需求；上臂為P溝道MOS管，下臂為N溝道MOS管，具有控制簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但由于P溝道MOS管工藝發(fā)展不如N溝道MOS管，其性能尤其是大功率管性能遠(yuǎn)不如N溝道MOS管；N溝道MOS管具有導(dǎo)通電阻小、電流大、跨導(dǎo)大、頻率響應(yīng)性能好、載流子遷移率高等特點(diǎn)。因此綜合考慮成本、功率、可靠性、性能等主要要求，在該工程應(yīng)用中選擇了四個相同的N溝道MOS管。

該項(xiàng)目與H橋有關(guān)的主要參數(shù)有：工作電壓：UCC1＝25～31 V；零輸出電流：≤0.2 A；效率：≥90%；控制輸入電壓：5 VTTL；時鐘頻率：≤6 kHz；輸出峰值電流：≥5 A；占空比：2%～98%。我們在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，上述參數(shù)中的效率和輸出峰值電流在占空比全范圍不能有效的測量。為了解決該問題，結(jié)合H橋電路工作過程，對效率和輸出峰值電流在不同占空比下進(jìn)行分析和計(jì)算。

3.1 峰值電流

3.1.1 當(dāng)q＝50%時

當(dāng)PWM波輸入信號占空比q＝50%時，其PWM波和S1、S2信號如圖3所示。q＝t1／（t1＋t2）。

在t1時段，Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3關(guān)斷，輸出電流如圖4所示。此時，產(chǎn)品的最大輸出峰值電流為IOP1＝Uin／（RON1＋RON4＋RL）。

在t2時段，Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4關(guān)斷，輸出電流如圖5所示。此時，產(chǎn)品的最大輸出峰值電流為IOP2＝Uin／（RON2＋RON3＋RL）。

圖3 q＝50%時PWM和s1、s2信號

圖4 t1時段MOS管輸出電流圖5 t2時段MOS管輸出電流

因?yàn)镽ON1＝RON2＝RON3＝RON4，所以其IOP1（絕對值）＝IOP2（絕對值）＝IOP。其輸出電流波形如圖6所示。

圖6 q＝50%時輸出電流波形

3.1.2 當(dāng)q≠50%

同q＝50%時分析相同，q＝2%、q＝98%、q＝0、q＝100%的電流波形如圖7。

圖7 不同q值的電流波形

實(shí)際工程中輸出峰值電流主要考察產(chǎn)品的輸出電流驅(qū)動能力，不考慮方向，其絕對值的大小均為IOP，與占空比的變化無關(guān)，故只需測試其中一個點(diǎn)就可以了。當(dāng)占空比為0和100%時，輸出電流表現(xiàn)為直流值，可以通過串聯(lián)直流電流表來進(jìn)行測試。

綜上所述，只需測試q＝0或q＝100%這一點(diǎn)的電流就可以方便準(zhǔn)確地考量出輸出峰值電流的指標(biāo)要求。

3.2 效率

效率＝（總功率－損耗功率）／總功率，損耗功率＝MOS管總的導(dǎo)通損耗功率＋其他損耗功率。在占空比變化時，輔助電路和轉(zhuǎn)換電路等其他電路工作狀態(tài)不發(fā)生變化，其損耗功率是不變的，因此，只考慮MOS管總的導(dǎo)通損耗功率是否隨占空比變化，從而影響效率。

3.2.1q＝50%

在t1時段，Q1和 Q4導(dǎo)通，Q2和 Q3關(guān)斷，輸出電流如圖4所示，產(chǎn)品的最大輸出峰值電流為IOP1＝Uin／（RON1＋RON4＋RL）。

此時，MOS管的導(dǎo)通功耗＝ （IOP1）2×（RON1＋RON4）×50%。

在t2時段，Q2和 Q3導(dǎo)通，Q1和 Q4關(guān)斷，輸出電流如圖5所示，產(chǎn)品的最大輸出峰值電流為IOP2＝Uin／（RON2＋RON3＋RL）。

此時，MOS管的導(dǎo)通功耗＝ （IOP2）2×（RON2＋RON3）×50%。

在一個周期，MOS管總的導(dǎo)通功耗＝（IOP1）2×（RON1＋RON4）×50% ＋ （IOP2）2× （RON2＋RON3）×50%，又因?yàn)镽ON1＝RON2＝RON3＝RON4，IOP1（絕對值）＝IOP2（絕對值）＝IOP。

因此，MOS管總的導(dǎo)通功耗＝（IOP）2×（RON1＋RON4）。

3.2.2q＝2%

同q＝50%時分析方法相同，在一個周期，MOS管總的導(dǎo)通功耗＝（IOP1）2×（RON1＋RON4）×98%＋（IOP2）2× （RON2＋RON3）×2% ＝ （IOP）2× （RON1＋RON4）。

3.2.3q＝98%

同q＝50%時分析方法相同，在一個周期，MOS管總的導(dǎo)通功耗＝（IOP1）2×（RON1＋RON4）×2%＋（IOP2）2× （RON2＋RON3）×98% ＝ （IOP）2× （RON1＋RON4）。

3.2.4q＝0

Q1和Q4在整個周期內(nèi)一直導(dǎo)通，Q2和Q3一直關(guān)斷，產(chǎn)品的最大輸出峰值電流為IOP1＝Uin／（RON1＋RON4＋RL）。

此時，MOS管總的導(dǎo)通功耗＝ （IOP1）2×（RON1＋RON4）×100%＝（IOP）2×（RON1＋RON4）。

3.2.5q＝100%

Q2和Q3在整個周期內(nèi)一直導(dǎo)通，Q1和Q4一直關(guān)斷，產(chǎn)品的最大輸出峰值電流為IOP2＝Uin／（RON2＋RON3＋RL）。

此時，MOS管總的導(dǎo)通功耗＝ （IOP2）2×（RON2＋RON3）×100%＝（IOP）2×（RON1＋RON4）。

綜上可知，MOS管總的導(dǎo)通功耗并不隨占空比的變化而變化。同時，與峰值電流測試相同的原因，只需測試q＝0或q＝100%這一點(diǎn)的效率就可以方便準(zhǔn)確地考量出整個產(chǎn)品的效率指標(biāo)要求。

4 總 結(jié)

本文通過對各個不同占空比下H橋的峰值電流和效率的分析，對選擇測試點(diǎn)和測試方法提供了理論依據(jù)，提高了實(shí)際工程應(yīng)用中測試的準(zhǔn)確性和方便性。

［1］ 杜坤梅，李鐵才.電機(jī)控制技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［2］ IR公司半導(dǎo)體器件應(yīng)用手冊［Z］.2010.

［3］ 謝沅清.模擬集成電路應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，1984.