H桥及MOS管开关电路原理介绍

什么是H桥        

H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠，通常它会包含四个独立控制的开关元器件，例如下图有四个MOSFET开关元器件Q1、Q2、Q3、Q4。        

它们通常用于驱动电流较大的负载，比如电机。     

H桥电路中间有一个直流电机M。 D1、D2、D3、D4是MOS-FET的续流二极管；    

开关状态        

下面以控制一个直流电机为例，对H桥的几种开关状态进行简单的介绍，其中正转和反转是人为规定的方向，实际工程中按照实际情况进行划分即可。    

正转        

通常H桥用来驱动感性负载，这里我们来驱动一个直流电机：  

打开Q1和Q4  

关闭Q2和Q3       

此时假设电机正转，电流依次经过Q1、M、Q4 ，如下图中红色线条所示。    

反转        

另外一种状态则是电机反转，此时四个开关元器件的状态如下：  

关闭Q1和Q4  

打开Q2和Q3       

此时电机反转，电流依次经过Q2、M、Q3 ，如下图中红色线条所示。    

调速        

如果要对直流电机调速，其中的一种方案就是：  

关闭Q2和Q3  

打开Q1 ，Q4上给它输入50%占空比的PWM波形        

这样就达到了降低转速的效果，如果需要增加转速，则将输入PWM的占空比设置为100%。        

电流方向如下图中红色线条所示。 

停止状态        

这里以电机从正转切换到停止状态为例。        

正转时Q1和Q4是打开状态，这时候如果关闭Q1和Q4，直流电机内部可以等效成电感，也就是感性负载，电流不会突变，那么电流将继续保持原来的方向进行流动，这时候我们希望电机里的电流可以快速衰减。        

这里有两种办法。      

第一种：      

关闭Q1和Q4，这时候电流仍然会通过反向续流二极管进行流动，此时短暂打开Q1和Q3从而达到快速衰减电流的目的，电流方向如下图中红色线条所示。        

第二种：      

准备停止的时候，关闭Q1、打开Q2，这时候电流并不会衰减地很快，电流循环在Q2、M、Q4之间流动，通过MOS-FET的内阻将电能消耗掉。        

补充-另外一种H桥电路        

上文中是包含4个N型MOS管的H桥，另外还有包含2个N型、2个P型MOS管的H桥，下图就是这种H桥电路。它由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q4组成，桥臂上的4个场效应管相当于四个开关。

相对于前文4个N型MOS管的H桥电路，此电路的一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H桥都不会出现“共态导通”（短路）。    

MOS管开关电路原理       

P型MOS管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭。     

N型MOS管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。      

正转      

场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。         

正因为这个特点，在连接好上图电路后，控制臂1置高电平（U=VCC）、控制臂2置低电平（U=0）时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通。        

此时，电机左端低电平、右端高电平，所以电流沿箭头方向流动，设定此时为电机正转。

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