H-브릿지

H-bridge

H-브릿지는 부하에 인가되는 전압의 극성을 전환하는 전자 회로입니다.이러한 회로는 DC 모터가 전진 또는 [1]후진할 수 있도록 하기 위해 로보틱스 및 기타 애플리케이션에서 자주 사용됩니다.이 이름은 문자 "H"의 분기로서 4개의 스위칭 요소가 구성되고 부하가 크로스바로서 연결된 일반적인 개략도 표현에서 파생되었습니다.

대부분의 DC-AC 컨버터(파워 인버터), 대부분의 AC/AC 컨버터, DC-DC 푸시 풀 컨버터, 절연 DC-DC[2] 컨버터 대부분의 모터 컨트롤러 및 기타 많은 종류의 전력 전자 장치는 H 브릿지를 사용합니다.특히 바이폴라 스테퍼 모터는 거의 항상 2개의 H브릿지를 포함한 모터 컨트롤러에 의해 구동된다.

일반

H-브릿지 구조(빨간색으로 강조 표시)

H 브리지는 집적회로로 사용할 수도 있고 개별 [1]컴포넌트로 구축할 수도 있습니다.

H-브릿지라는 용어는 이러한 회로의 일반적인 그래픽 표현에서 파생되었습니다.H 브릿지는 4개의 스위치(솔리드 스테이트 또는 메카니컬)로 구성됩니다.스위치 S1, S4(제1그림)가 닫히면(및 S2, S3가 열리면) 모터에 정전압이 인가된다.S1 및 S4 스위치를 열고 S2 및 S3 스위치를 닫으면 이 전압이 반전되어 모터를 역동작할 수 있다.

위의 명명법을 사용하면 입력 전압원에 단락이 발생하기 때문에 스위치 S1과 S2를 동시에 닫으면 안 됩니다.스위치 S3 및 S4에도 동일하게 적용됩니다.이 상태를 슛 스루라고 합니다.

일반적인 사용법

H 브릿지는 2개의 단말 장치에 전력을 공급하기 위해 사용됩니다.스위치를 적절히 배치함으로써 장치에 대한 전력의 극성을 변경할 수 있다.DC 모터 드라이버와 스위칭 레귤레이터의 변압기 두 가지 예를 아래에 설명합니다.전환 조건의 모든 경우가 안전한 것은 아닙니다.단락 케이스("DC 모터 드라이버" 섹션의 아래 참조)는 전원 및 스위치에 위험합니다.

DC 모터 드라이버

H 브릿지의 두 가지 기본 상태

DC 모터로 전원 공급기의 극성을 변경하면 회전 방향을 변경할 수 있습니다.H 브릿지는 회전 방향 변경 외에도 "브레이크" 및 "마찰 정지 시까지 프리런"이라는 추가 작동 모드를 제공할 수 있습니다.H 브리지 배열은 일반적으로 모터의 극성/방향을 반전시키는 데 사용되지만 모터 단자가 단락될 때 모터가 갑자기 정지하는 경우 모터를 '제동'하는 데도 사용할 수 있습니다.단락의 경우 단락 회로의 전류 형태로 빠르게 소비되는 회전 모터의 운동 에너지입니다.다른 경우에는 모터가 회로에서 효과적으로 분리되기 때문에 모터가 '프리 런' 상태로 정지합니다.아래 표는 S1-S4가 상기 다이어그램에 대응한 동작을 정리한 것입니다.다음 표에서는 스위치의 'on' 상태를 나타내는 데 '1', 'OFF' 상태를 나타내는 데 '0'이 사용됩니다.

S1 S2 S3 S4 결과
1 0 0 1 모터가 오른쪽으로 움직인다.
0 1 1 0 모터가 왼쪽으로 이동합니다.
0 0 0 0 모터코스트
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
0 1 0 1 모터 브레이크
1 0 1 0
x x 1 1 단락
1 1 x x

스위칭 전력 변환기의 1차 코일 드라이버

일반적인 프라이머리 코일 드라이버는 DC 모터의 2개의 단자를 프라이머리 코일의 2개의 단자로 교체하는 것입니다.1차 코일의 전환 전류는 전기 에너지를 자기 에너지로 변환하고 2차 코일의 교류 전기 에너지로 다시 전환합니다.

건설

L298 듀얼 H브릿지 모터 드라이버

릴레이

H 브릿지를 구축하는 방법 중 하나는 릴레이 보드의 [3]릴레이 어레이를 사용하는 것입니다.

"Double Pole Double Throw"(DPDT) 릴레이는 일반적으로 H-브릿지와 동일한 전기적 기능을 달성할 수 있습니다(디바이스의 통상적인 기능을 고려).다만, 반도체 베이스의 H브릿지는, 보다 작은 물리 사이즈, 고속 스위칭, 또는 낮은 구동 전압(또는 낮은 구동 전력)이 필요한 릴레이보다, 또는 기계 부품의 마모가 바람직하지 않은 릴레이보다 바람직합니다.

또 다른 구성은 전류 흐름의 방향을 설정하는 DPDT 릴레이와 전류 흐름을 활성화하는 트랜지스터를 갖는 것입니다.이렇게 하면 트랜지스터가 꺼진 상태에서 릴레이가 전환되어 전류가 흐르지 않으므로 릴레이 수명을 연장할 수 있습니다.또한 PWM 스위칭을 사용하여 전류 레벨을 제어할 수 있습니다.

N채널 및 P채널 반도체

솔리드 스테이트 H 브릿지는 일반적으로 고전압 버스에 접속된 PNP 양극성 접합 트랜지스터(BJT) 또는 P채널 MOSFET 및 저전압 버스에 접속된 NPN BJT 또는 N채널 MOSFET 등의 반대 극성 디바이스를 사용하여 구축됩니다.

N채널 전용 반도체

가장 효율적인 MOSFET 설계에서는 하이사이드와 로우사이드 모두에서 N채널 MOSFET를 사용합니다.이는 일반적으로 P채널 MOSFET의 ON 저항의 3분의 1을 가지고 있기 때문입니다.하이사이드 MOSFET의 게이트는 DC 공급 레일에 대해 정방향으로 구동되어야 하기 때문에 이 경우 보다 복잡한 설계가 필요합니다.많은 집적회로 MOSFET 게이트 드라이버는 이를 달성하기 위해 장치 내에 충전 펌프를 포함합니다.

또는 스위치 모드 전원 DC-DC 컨버터를 사용하여 게이트 구동 회로에 절연('부동') 공급을 제공할 수 있습니다.다중 출력 플라이백컨버터는 이 응용 프로그램에 적합합니다.

MOSFET 브릿지를 구동하는 또 다른 방법은 GDT(게이트 드라이브 트랜스)로 알려진 전용 변압기를 사용하는 것입니다. 이 변압기는 상부 FET 게이트를 구동하기 위한 절연 출력을 제공합니다.변압기 코어는 보통 1:1 또는 4:9의 권선비를 가진 페라이트 트로이드입니다.단, 이 방법은 고주파 신호에서만 사용할 수 있습니다.누출 인덕턴스를 최소화해야 하며, 그렇지 않으면 교차 전도가 발생할 수 있으므로 변압기의 설계도 매우 중요합니다.고전압 스파이크가 MOSFET 게이트를 파괴할 수 있기 때문에 변압기의 출력은 보통 제너 다이오드에 의해 클램프됩니다.

변종

이 회로의 일반적인 변형은 부하의 한쪽에 있는 두 개의 트랜지스터만 사용하며, 이는 클래스 AB 앰프와 유사합니다.이러한 설정을 「하프 브리지」[4]라고 부릅니다.이 스위치는 전자식 토글 스위치로 작동하며, 하프 브릿지는 부하에 인가되는 전압의 극성을 전환할 수 없습니다.하프 브릿지는 동기 정류기를 사용하는 일부 스위치 모드 전원 장치 및 스위칭 증폭기에서 사용됩니다.하프 H 브릿지타입은 풀 H 브릿지("Full-H")와 구별하기 위해 보통 하프 H로 단축됩니다.브리지에 세 번째 '다리'를 추가하는 또 다른 일반적인 변형은 3상 인버터를 생성합니다.3상 인버터는 모든 AC 모터 구동의 핵심입니다.

또 다른 변형은 반제어 브릿지로 브릿지 한쪽의 로우사이드 스위칭 디바이스와 브릿지 반대쪽의 하이사이드 스위칭 디바이스가 각각 다이오드로 교체된다.이는 슈트루 고장 모드를 제거하며, 양방향 전류가 필요하지 않은 가변 또는 스위치식 저항 기계 및 액추에이터를 구동하는 데 일반적으로 사용됩니다.

상용화

시판되는 저렴한 싱글 및 듀얼 H-브릿지 패키지가 많이 있습니다.그 중 가장 일반적인 것은 L293x 시리즈입니다.L9110과 [5]같이 백 EMF 보호를 위한 플라이백 다이오드가 내장된 패키지는 거의 없습니다.

인버터 운전

H 브릿지의 일반적인 용도는 인버터입니다.이 배치는 단상 브리지 인버터라고도 합니다.

DC 공급 장치가 있는 H-브릿지는 로드 전체에 걸쳐 사각파 전압 파형을 생성합니다.순수 유도 로드의 경우 전류 파형은 삼각형 파형이 되며, 인덕턴스, 스위칭 주파수 및 입력 전압에 따라 피크가 지정됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Al Williams (2002). Microcontroller projects using the Basic Stamp (2nd ed.). Focal Press. p. 344. ISBN 978-1-57820-101-3.
  2. ^ "11kW, 70kHz LLC Converter Design for 98% Efficiency". November 2020: 1–8. doi:10.1109/COMPEL49091.2020.9265771. S2CID 227278364. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  3. ^ "Relay H-bridge (Relay Motor controller)". 11 December 2012.
  4. ^ ""H-Bridges"".
  5. ^ "wordpress.com" (PDF).

외부 링크

프로젝트