全桥功率开关驱动电路仿真试验

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1、内燃机测试技术试验实验 全桥功率开关驱动电路仿真试验 实验学时：2 实验类型：基础型实验对象：本科生一实验目的：1. 了解全桥功率开关驱动电路的工作原理和应用。2. 了解全桥功率开关驱动方式的实现原理和特点。3. 掌握全桥功率开关驱动电路关键元器件选择和电路保护。二实验原理及设备说明1. 全桥功率开关驱动电路的工作原理全桥功率开关驱动电路，又称为 H 桥驱动电路，其基本原理图如图 1 所示。 形象的说，4 个开关或者功率管组成 H 桥的 4 条垂直腿，而电机或者负载就是 H 中的横杠。通过控制 4 个开关的导通与截止可以实现负载的正向加电和反向加 电，其最广泛的用途就是电机的正反转。H桥驱动电

2、路加电必须是对角线两个开 关管同时打开，而半桥臂的上下开关管不能同时打开，否则会造成上下位开关管 直接短路，电源直接对地短接，造成瞬态电流过大，开关管损坏。当开关管中的 1,4 导通时，电流经过开关1电机开关 4 流动，电机向一个方向运动；反之， 当开关管中的 2,3 导通时，电流则经过开关 3电机开关 2 流动，电机向相反 方向运动。由于全桥电路采用了两高两低四个开关管的方式，对于开关管采用是 N 型还 是P型，可以有多种实现方式。一般来讲，高位开关管采用P型实现，驱动最 为简单方便，但是P型开关管最大电流不能太大，因此适合再小功率的电机或负 载中使用。上下位管均采用N型开关管实现的话，高位

3、的N型开关管控制实现 困难一些，但是最大电流可以较大，因此功率可以比较高。总的来说，全桥电路 的实际实现方式必须和负载特性结合起来，选择正确的配置。全桥驱动电路在汽车中的典型应用为电子节气门， EGR 阀，电动座椅，伺服 阀等。2. 全桥功率开关驱动方式的实现原理和特点由前面全桥功率开关驱动原理知道，全桥功率开关主要实现的是负载中的电 流正反向流动，在实际应用中，全桥驱动基本上使用在电机等类负载上，而从电 机的特性上来讲，除了正反向运动外，另外就是电机的调速特性。按照电机调速 的基本原理，可以采用调节电机两端电压来实现，而现在调节电机两段电压的方 式基本上采用 PWM 脉宽调制实现，因此必须对

4、 PWM 脉宽调制下的驱动方式和 电机中的电流有比较清楚的理解。表 1 为典型的电子节气门全桥驱动芯片 TLE6281的控制真值表，图2为和真值表对应的控制波形。InputConditionsOutput driver ICOutputBridgeDIRPWMDT/ DISUVOTscGHGLGHGLEREROut1Out2013.5V00010015V5V10003.5V00010105V5V11113.5V00001105V5V01103.5V00010105V5V11013.5V100B00BCD1 A0A003.5V100B0B0CD1 A1 A113.5V1000BB0CD0A1 A

5、103.5V100B0B0CD1A1 A013.5V01010015VOV10003.5V01010105Vov11113.5V01001105Vov01103.5V01010105Vov11013.5V001E00EF5V1A0A003.5V001E0E0F5V1A1A113.5V0010EE0F5V0A1A104VXXX00005V5VTT表1 TLE6281全桥驱动芯片真值表PWMDIRV(3h2Acceleration !Motor turns riaht!Motor stoosiMotor turns left!Motor stoos图2 TLE6281控制波形图其中，表1 红线标示

6、部分和图 2中的控制信号相对应。从上面对应中可以看 出，当电机朝一个方向运动的时候， PWM 信号为正时，电机电流增加， PWM 信号为负时，由于电机电流不能突变，故必须打开同位的另外一个开关管实现续 流，根据电流方向的不同和打开顺序不同，最终出现了上面两高位管同时打开和 下面两低位管同时打开的两个状态。另外，必须明确的是，电机切换方向时，必 须是首先电机停转，电流减小，然后逐步反向，而不是瞬态的直接反向。本次试验采用的电路原理图如图 3 所示。图3 全桥驱动仿真原理图3. 全桥功率开关驱动电路关键元器件的选择和电路保护从全桥功率开关驱动电路的原理和实现可以知道，全桥开关管控制综合了高 端和低

7、端控制，而且是双半桥的驱动方式，因此关键器件的选择，必须首先要考 虑到半桥驱动的高低端，然后就是全桥方式下的复杂控制逻辑问题。低端开关管 的选择按照一般的低端开关选择即可，考虑的因素位最大电流，内阻，以及最大 反向击穿电压，而且需要根据负载的情况确定泄流方式，是选择体二极管还是开 关续流方式，开关管续流方式功耗小，控制复杂；体二极管续流方式简单，功耗 大，可根据情况进行折衷考虑。高端器件的选择则必须按照高端驱动方式选择， 特别需要考虑泄流方式下的负电压问题，保证高位管不会错误打开。具体详细的 选择和实现方案可以参考高低端驱动电路试验中相关部分。三实验内容1. 采用Protel设计全桥功率开关驱动电路（G端浮动电压方式）2. 对占空比 40%，50%，60%情况下进行驱动电路仿真，记录电机中电流情况。 四实验设备和仪器Protel 软件个人计算机Matlab 软件五实验结果分析1.不同占空比下，负载电感中的电流数据。2不同占空比下，功率开关管的S端电压六思考题1.全桥开关功率管优点有那些，难点是什么？怎么实现位置的伺服控制？2 .全桥电路中电机一般是什么类型？采用无刷和有刷电机控制上有什么区别？ （转子位置确定，无刷需要程序判定，有刷无需）3全桥电路如果用在汽车上，出现电源反接，电路会出现什么问题？怎么解决？ （功率开关管体二极管直接导通，开关管烧毁，解决办法，反向保护）