CN107493028B

CN107493028B - 一种h桥斩波电路

Info

Publication number: CN107493028B
Application number: CN201710954747.4A
Authority: CN
Inventors: 闫文山; 丁建刚
Original assignee: Individual
Current assignee: Shijiazhuang Jingxingwei Electronic Manufacturing Co ltd
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: CN107493028A

Abstract

本发明为一种H桥斩波电路，属于驱动电路领域，在经典的H桥电路中，改进了其保护单元，包括二极管D5、D7、储能器，二极管D5串联在负载引脚OUTACL与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACL，二极管D7串联在负载引脚OUTACN与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACN，储能器串联在输入引脚HVDC与电源地之间。本发明通过增设的二极管在经典H桥的基础上形成了能量反馈通道，在负载为对电路有损害的容性负载时，借助这些能量反馈通道在负载短路时关闭输出，在容性负载时，将负载能量进行储存并负载工作时反向输出给负载使用，提高能量利用效率。

Description

一种H桥斩波电路

技术领域

本发明属于驱动电路领域，特别涉及了一种H桥斩波电路。

背景技术

当前H桥斩波电路应用很广泛，因为它的电路形状酷似字母H，故得名“H桥”，H桥在使用时其开关管的控制端借助驱动电路与控制器连接，通过控制器控制开关管的间歇性通断使得H桥的导通状态发生变化，从而获得具有所需波形的输出电信号，然而在应用中H桥电路存在一些缺陷，当负载为容性负载时，在H桥的一个完整周期内，负载在H桥正向输出时容性负载充电，H桥反向输出时则需要先抵消容性负载上所充的电量，然后负载才能正常工作，因此导致整体电路的工作效率低，电路中管子发热量大，容易损坏。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种H桥斩波电路，能够释放、回收容性负载的能量，提高效率，保护器件，防止损坏的情况发生。

本发明采用的具体技术方案是：一种H桥斩波电路，结构中包括H桥主电路、连接在MCU控制电路上的驱动电路及检测电路，H桥主电路中包括以H桥形式连接的开关管V1、V2、V3、V4、二极管D3、D8、D2、D9及输入引脚HVDC、负载引脚OUTACL、OUTACN，所述的开关管V3、V4的连线中点与电源地之间串联有检测电阻R14，H桥主电路中还设置有保护单元，保护单元中包括电感L1、L2，所述的电感L1串联在负载引脚OUTACL与开关管V1、V3的连线中点之间，所述的电感L2串联在负载引脚OUTACN与开关管V2、V4的连线中点之间，特点是，所述的保护单元还包括二极管D5、D7，储能器，二极管D5串联在负载引脚OUTACL与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACL，二极管D7串联在负载引脚OUTACN与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACN，储能器串联在输入引脚HVDC与电源地之间。

所述的保护单元还包括二极管D4，二极管D4串联在负载引脚OUTACL与输入引脚HVDC之间且其导通方向沿负载引脚OUTACL指向输入引脚HVDC。

所述的保护单元还包括二极管D6，二极管D6串联在负载引脚OUTACN与输入引脚HVDC之间且其导通方向沿负载引脚OUTACN指向输入引脚HVDC。

所述的检测电路包括输入电压检测电路5a、平均电流采样电路5b、峰值电路采样电路4、温度采样电路5c，输入电压检测电路5a的输入端与输入引脚HVDC电连接，平均电流采样电路5b、峰值电路采样电路4的输入端分别与检测电阻R14的输入端电连接。

所述的驱动电路包括上管驱动电路2a、2b及下管驱动电路2c、2d，管驱动电路2a输出端与开关管V1的控制端电连接，管驱动电路2b输出端与开关管V2的控制端电连接，管驱动电路2c输出端与开关管V3的控制端电连接，管驱动电路2d输出端与开关管V4的控制端电连接。

所述的负载引脚OUTACL、OUTACN之间并联有电容C3。

所述的储能器为包括电容器C2。

所述的储能器还包括电容器C6，电容器C6与电容器C2并联设置。

本发明的有益效果是：

本发明通过增设的二极管在经典H桥的基础上形成了能量反馈通道，在负载为对电路有损害的容性负载时，借助这些能量反馈通道在负载短路时关闭输出，在容性负载时，将负载能量进行储存并负载工作时输出给负载使用，提高能量利用效率。

附图说明

图1为本发明中H桥主电路的原理图；

图2为上管驱动电路2a的原理图；

图3为上管驱动电路2b的原理图；

图4为下管驱动电路2c的原理图；

图5为下管驱动电路2d的原理图；

图6为输入电压检测电路5a的原理图；

图7为平均电流采样电路5b的原理图；

图8为温度采样电路5c的原理图；

图9为峰值电路采样电路的原理图；

图10为MCU控制电路的原理图；

图11为导通1时段a状态下能量流动的示意图；

图12为导通1时段a1状态下能量流动的示意图；

图13为截止1时段b状态下能量流动的示意图；

图14为截止1时段b1状态下能量流动的示意图；

图15为截止1时段b2状态下能量流动的示意图；

图16为导通2时段c状态下能量流动的示意图；

图17为导通2时段c1状态下能量流动的示意图；

图18为截止2时段d状态下能量流动的示意图；

图19为截止2时段d1状态下能量流动的示意图；

图20为截止2时段d2状态下能量流动的示意图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明为一种H桥斩波电路，如图1所示，结构中包括H桥主电路1、连接在MCU控制电路3上的驱动电路及检测电路，MCU控制电路3的连接原理图如图10所示，H桥主电路1中包括以H桥形式连接的开关管V1、V2、V3、V4、二极管D3、D8、D2、D9及输入引脚HVDC、负载引脚OUTACL、OUTACN，其中二极管D3、D8、D2、D9为开关管的体内二极管或者外置二极管，所述的开关管V3、V4的连线中点与电源地之间串联有检测电阻R14，H桥主电路1中还设置有保护单元，保护单元中包括电感L1、L2，所述的电感L1串联在负载引脚OUTACL与开关管V1、V3的连线中点之间，所述的电感L2串联在负载引脚OUTACN与开关管V2、V4的连线中点之间，特点是，所述的保护单元还包括二极管D5、D7、储能器6，二极管D5串联在负载引脚OUTACL与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACL，二极管D7串联在负载引脚OUTACN与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACN，储能器6串联在输入引脚HVDC与电源地之间。

具体实施：

假定前级供电电压为300V(即HVDC为300V)，要得到50HZ的交流电压，假定留有0.5ms死区时间，(通过占空比的调节，也就是调节死区时间，可以调节50HZ的交流电的等效电压)，借助MCU控制器控制开关管的V1、V2、V3、V4的开关顺序(以0-20ms的一个完整周期)为例：

表1：

具体实施例1：

情形一，OUTACL、OUTACN两端接容性负载,开始启动工作

1)、导通1时段：

a、控制器将V1、V4开，V2、V3关，则负载上的电流通过V1、L1、负载L2、V4、R14，即如图11所构成回路进行流动，由于负载为容性，L1、L2为感性，则整个回路电流逐步增加，负载两端电压逐步增加，R14两端电压是逐渐升高,此时会出现两种情况：

a1:如果R14两端电压达到预设值，则V4关(开关管状态：V1开，V2、V3、V4关)，由于L1、L2电流不为0，电流则会通过V1、L1、负载、L2、D8形成回路，如图12，给负载供电，同时L1、L2电流逐步下降，此状态共计延时50us，打开V4，重复a状态。

a2:如果R14两端电压未能达到预设值，则开关管不动作，保持当前状态，其中L1、负载、L2会有震荡，由D4、D5、D6、D7对电感电压进行钳位，保护器件。

a、a1、a2的判断循环多次重复，直到9.5ms时间到，此刻不管R14是否达到预定值，进入截止1时段。

2)、截止1时段：

控制器关闭V1、V2，打开V3、V4，由于负载为容性，切换后，负载两端电压还保持切换前的状态即OUTACL为+，OUTACN为-，如上表1所示

b:此时负载的电能会经过负载、L1、V3、R14、D7回路流动，如图13，由于有电感L1，回路中的电流会逐步增加，负载内的电场能转化为L1内的磁场能，R14的电压也逐步升高，此时也会出现两种情况：

b1:R14电压达到预设值，则V3、V4关闭(开关管状态：V1、V2、V3、V4关闭)，电感L1由于有磁场能，其中的电流会经过D3、储能器6、D7、负载流动，如图14，把磁场能转化为储能器6内电场能，此状态共计延时50us，再次打开V3、V4，重复b。

b2:R14电压达不到预设值，则开关管不动作，负载的电场能依照b中的回路都转化为L1的磁场能，然后L1电流通过V3、R14、D5流动，如图15，从而保持L1的磁场能量。

b、b1、b2的判断循环多次重复，直到10ms时间到，则切换到导通2状态。

3)、导通2时段：

c、控制器将V2、V3开，V1、V4关，则负载上的电流通过V2、L2、负载、L1、V3、R14，即如图16所构成回路进行流动，由于负载为容性，L1、L2为感性，则整个回路电流逐步增加，负载两端电压逐步增加，R14两端电压是逐渐升高,此时会出现两种情况：

c1:如果R14两端电压达到预设值，则V3关(开关管状态：V2开，V1、V3、V4关)，由于L1、L2电流不为0，电流则会通过V2、L2、负载、L1、D3形成回路，如图17，给负载供电，同时L1、L2电流逐步下降，此状态共计延时50us，打开V3，重复c状态。

c2:如果R14两端电压未能达到预设值，则不动作，保持当前状态，其中L1、负载、L2会有震荡，由D4、D5、D6、D7对电感电压进行钳位，保护器件。

c、c1、c2的判断循环多次重复，直到19.5ms时间到，进入截止2时段。

4)、截止2时段：

控制器关闭V1、V2，打开V3、V4，由于负载为容性，切换后，负载两端电压还保持切换前的状态即OUTACL为-，OUTACN为+，如上表1所示

d:此时负载的电能会经过负载、L2、V4、R14、D5回路流动，如图18，由于有电感L2，回路中的电流会逐步增加，负载内的电场能转化为L1内的磁场能，R14的电压也逐步升高，此时也会出现两种情况：

d1:R14电压达到预设值，则V3、V4关闭(开关管状态：V1、V2、V3、V4关闭)，电感L2由于有磁场能，其中的电流会经过D8、储能器6、D5、负载流动，如图19，把磁场能转化为储能器6内电场能，此状态共计延时50us，再次打开V3、V4，重复d。

d2:R14电压达不到预设值，则不动作，负载的电场能依照d中的回路都转化为L2的磁场能，然后L2电流通过V4、R14、D7流动，如图20，从而保持L2的磁场能量。

d、d1、d2的判断循环多次重复，直到20ms时间到，则切换到导通1状态，进入下个周期循环。

情形二，OUTACL、OUTACN两端接感性负载(如电机类负载),其控制情况及能量流动与情形一相同。

具体说明，以上所述的动作过程对于任何负载(阻性负载，容性负载，感性负载，或者混合型的负载)，控制器都会执行以上动作，在执行过程中，控制器通过检测R14电压是否到达预设值进行各个开关管的控制，即控制器通过对R14的检测自主决定各个管子的具体执行状态，因此针对各个开关管执行开关动作的频率、次数是不同的，在上述过程中将负载能量进行了转换，使得在反向周期中，负载已经处于预备状态，能够较好的进行工作，有利于提高电能的使用率提高电路效率。

具体实施例2，作为本发明的进一步改进，为了解决容性负载造成负载引脚处电压升高超过HVDC数值的情况(容性负载时，在给电容充电时电感与电容会有谐振，谐振电压过高会导致输出电压过高，容易损坏负载，所以增加两个二极管钳位，把电压钳位在HVDC，不至于升高)，所述的保护单元还包括二极管D4，二极管D4串联在负载引脚OUTACL与输入引脚HVDC之间且其导通方向沿负载引脚OUTACL指向输入引脚HVDC，二极管D4作为续流二极管，当在时段导通1中V1、V4打开进行正常输出时，在负载充能后，OUTANL电压继续升高，当D4正极电压-D4负极电压＞D4导通压降时，借助D4进行续流，通过D4、V1、L1将多余的能量消耗释放，防止过压所造成的危险，其中增设的D4保证了在导通1周期内器件的安全。

具体实施例3，所述的保护单元还包括二极管D6，二极管D6串联在负载引脚OUTACN与输入引脚HVDC之间且其导通方向沿负载引脚OUTACN指向输入引脚HVDC。其中增设的D6保证了在导通2周期内器件的安全。

具体实施例4，作为本发明的进一步完善，所述的检测电路包括如图6所示的输入电压检测电路5a、如图7所示的平均电流采样电路5b、如图9所示的峰值电路采样电路4、如图8所示的温度采样电路5c，输入电压检测电路5a的输入端与输入引脚HVDC电连接，平均电流采样电路5b、峰值电路采样电路4的输入端分别与检测电阻R14的输入端电连接。

进一步的，所述的驱动电路包括上管驱动电路2a(如图2)、2b(如图3)及下管驱动电路2c(如图4)、2d(如图5)，管驱动电路2a输出端与开关管V1的控制端电连接，管驱动电路2b输出端与开关管V2的控制端电连接，管驱动电路2c输出端与开关管V3的控制端电连接，管驱动电路2d输出端与开关管V4的控制端电连接。

具体的，上管驱动电路2a包括光电偶合管U1、二极管D1，光电偶合管U1的阳极串联电阻R1后与控制器的OUTA_1引脚连接，光电偶合管U1的阴极接地，光电偶合管U1的集电极与H桥主电路上的V1控制端2a_1电连接，光电偶合管U1的发射极与H桥主电路上的V1、V3电中点2a_2电连接，所述的二极管D1正极连接17V直流电正极，二极管D1负极串联电阻R3后连接在电偶合管U1的集电极与H桥主电路上的V1控制端2a_1之间，二极管D1负极与光电偶合管U1的发射极之间还并联有电容器，上驱动电路2b与2a结构相同。

下管驱动电路2c，包括三极管Q5、电阻R11、电阻R12，电阻R11、R12串联在17V电源正极和H桥主电路2c_1之间，三极管Q5的集电极连接在电阻R11、R12的电中点，三极管Q5的发射极连接在H桥主电路的2c_2端，下管驱动电路2c，还包括了二极管D11，二极管D11的正极连接在控制器的过流保护端，二极管D11的负极串联电阻R10后连接三极管Q5的基极，三极管Q5的基极还借助电阻R9串联在控制器的OUTA_2端，控制器的OUTA_2端与17V电源正极之间串联有电阻R8，下管驱动电路2C与2d结构相同。

所述的负载引脚OUTACL、OUTACN之间并联有电容C3，电容C3是滤波用的，对尖峰电压有抑制作用。

所述的储能器6为电容器C2或蓄电池或具有储电功能的其他器件，如超级电容。做为给负载提供能量的一个装置。

本发明通过增设的二极管在经典H桥的基础上形成了能量反馈通道，在负载为对电路有损害的容性负载时，借助这些能量反馈通道，不管是在任何负载时，都可以将负载能量返回储能器，提高能量利用效率。在输出短路负载过大等极端情况下，也可以很好的保护器件，从而提高整体电路的可靠性。

Claims

1.一种H桥斩波电路，结构中包括H桥主电路(1)、连接在MCU控制电路(3)上的驱动电路及检测电路，H桥主电路(1)中包括以H桥形式连接的开关管V1、V2、V3、V4、二极管D3、D8、D2、D9及输入引脚HVDC、负载引脚OUTACL、OUTACN，所述的开关管V3、V4的连线中点与电源地之间串联有检测电阻R14，H桥主电路(1)中还设置有保护单元，保护单元中包括电感L1、L2，所述的电感L1串联在负载引脚OUTACL与开关管V1、V3的连线中点之间，所述的电感L2串联在负载引脚OUTACN与开关管V2、V4的连线中点之间，其特征在于：所述的保护单元还包括二极管D5、D7、储能器(6)，二极管D5串联在负载引脚OUTACL与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACL，二极管D7串联在负载引脚OUTACN与电源地之间且其导通方向沿电源地指向负载引脚OUTACN，储能器(6)串联在输入引脚HVDC与电源地之间；

控制器通过检测R14电压是否到达预设值进行各个开关管的控制。

2.根据权利要求1所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的保护单元还包括二极管D4，二极管D4串联在负载引脚OUTACL与输入引脚HVDC之间且其导通方向沿负载引脚OUTACL指向输入引脚HVDC。

3.根据权利要求1所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的保护单元还包括二极管D6，二极管D6串联在负载引脚OUTACN与输入引脚HVDC之间且其导通方向沿负载引脚OUTACN指向输入引脚HVDC。

4.根据权利要求1所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的检测电路包括输入电压检测电路(5a)、平均电流采样电路(5b)、峰值电路采样电路(4)、温度采样电路(5c)，输入电压检测电路(5a)的输入端与输入引脚HVDC电连接，平均电流采样电路(5b)、峰值电路采样电路(4)的输入端分别与检测电阻R14的输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的驱动电路包括上管驱动电路(2a、2b)及下管驱动电路(2c、2d)，管驱动电路2a输出端与开关管V1的控制端电连接，管驱动电路2b输出端与开关管V2的控制端电连接，管驱动电路2c输出端与开关管V3的控制端电连接，管驱动电路2d输出端与开关管V4的控制端电连接。

6.根据权利要求1所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的负载引脚OUTACL、OUTACN之间并联有电容C3。

7.根据权利要求1所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的储能器(6)为包括电容器C2。

8.根据权利要求7所述的一种H桥斩波电路，其特征在于：所述的储能器(6)还包括电容器C6，电容器C6与电容器C2并联设置。