淺析H橋效率和峰值電流測試問題

甘建峰（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著技術的進步和經濟的發展，電機在裝備各個領域的應用越來越廣泛，無論是軍工裝備、還是民生消費產品，都在大量使用電機。直流電機作為電機的重要分類，主要有體積小便于移動、調速性能好、啟動轉矩大、能耗低、傳動比分級精細等特點，在一些特殊場合被廣泛應用，如航空、化工、電動工具、冶金、電力機車、小型同步發電機勵磁、汽車電瓶充電等。而作為驅動直流電機的主要電路模式——H橋功率驅動電路，應用也越來越普遍。H橋功率驅動電路在實際使用中，出現了一些工程應用性問題，如效率和峰值電流測試量化的準確性問題等。本文簡單介紹了H橋的工作原理及主要指標，詳細分析了占空比在0～100%變化的PWM控制的H橋功放，在測試中如何準確量化其效率和峰值電流。

1 H橋工作原理

H橋驅動電路是目前直流電機的主要驅動模式，它可以控制電機的正反向轉動，見圖1。

從原理圖中可以看出，要想使電機轉動，必須讓處于對角線上的開關管同時導通，隨著不同對角線上的開關管導通，電機的電流流向也發生變化，從而控制了電機的轉動方向。需要注意的是，不能使同一臂上的開關管同時導通，否則會引發大電流，從而燒毀開關管。

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

圖1 H橋驅動電路

2 H橋的主要指標

H橋電路的主要考核指標：

（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能源，更重要的是會產生大量的熱能使產品的溫升提高。而溫升過高，一方面容易使產品內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10℃原則（溫度每升高10℃，產品壽命降低一半），產品的長期可靠性也會降低。

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

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

（4）驅動安全性：不能使同一臂上的開關管同時導通。驅動開關管的互補信號必須有足夠的死區時間，才能防止同一臂上的開關管同時導通。

3 H橋效率和峰值電流測試點的選擇

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，不能方便準確地觀察出具體值。因此，在實際產品做成后，必須要有一個準確高效的測試方法來對其進行考量。

以一個實際工程應用的H橋設計部分的電路原理來進行分析。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進行PWM控制；在電路實現中，將輸入方波信號經過電路轉換后輸出S1、S2兩個互補的信號，這兩個互補的輸出信號控制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，其導通電阻也相同，即RON1＝RON2＝RON3＝RON4。RL為產品負載。參考方向為從A到B為正，見圖2。

圖2 f＝5 kHz PWM控制電路

該電路應用四個相同的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通的器件，相較于三極管具有開關速度快、輸入阻抗大、不存在二次擊穿的特點，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、成本低的優點，但由于P溝道MOS管工藝發展不如N溝道MOS管，其性能尤其是大功率管性能遠不如N溝道MOS管；N溝道MOS管具有導通電阻小、電流大、跨導大、頻率響應性能好、載流子遷移率高等特點。因此綜合考慮成本、功率、可靠性、性能等主要要求，在該工程應用中選擇了四個相同的N溝道MOS管。

該項目與H橋有關的主要參數有：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%。我們在實際工作中發現，上述參數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行分析和計算。

3.1 峰值電流

3.1.1 當q＝50%時

當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導通，Q2和Q3關斷，輸出電流如圖4所示。此時，產品的最大輸出峰值電流為IOP1＝Uin／（RON1＋RON4＋RL）。

在t2時段，Q2和Q3導通，Q1和Q4關斷，輸出電流如圖5所示。此時，產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

因為RON1＝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

實際工程中輸出峰值電流主要考察產品的輸出電流驅動能力，不考慮方向，其絕對值的大小均為IOP，與占空比的變化無關，故只需測試其中一個點就可以了。當占空比為0和100%時，輸出電流表現為直流值，可以通過串聯直流電流表來進行測試。

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

3.2 效率

效率＝（總功率－損耗功率）／總功率，損耗功率＝MOS管總的導通損耗功率＋其他損耗功率。在占空比變化時，輔助電路和轉換電路等其他電路工作狀態不發生變化，其損耗功率是不變的，因此，只考慮MOS管總的導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導通，Q2和 Q3關斷，輸出電流如圖4所示，產品的最大輸出峰值電流為IOP1＝Uin／（RON1＋RON4＋RL）。

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

在t2時段，Q2和 Q3導通，Q1和 Q4關斷，輸出電流如圖5所示，產品的最大輸出峰值電流為IOP2＝Uin／（RON2＋RON3＋RL）。

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

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

因此，MOS管總的導通功耗＝（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在整個周期內一直導通，Q2和Q3一直關斷，產品的最大輸出峰值電流為IOP1＝Uin／（RON1＋RON4＋RL）。

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

3.2.5q＝100%

Q2和Q3在整個周期內一直導通，Q1和Q4一直關斷，產品的最大輸出峰值電流為IOP2＝Uin／（RON2＋RON3＋RL）。

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

綜上可知，MOS管總的導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%這一點的效率就可以方便準確地考量出整個產品的效率指標要求。

4 總 結

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，對選擇測試點和測試方法提供了理論依據，提高了實際工程應用中測試的準確性和方便性。

［1］ 杜坤梅，李鐵才.電機控制技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.

［2］ IR公司半導體器件應用手冊［Z］.2010.

［3］ 謝沅清.模擬集成電路應用［M］.北京：人民郵電出版社，1984.