改进型的H桥电路[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 203434907 U(45)授权公告日 2014.02.12

(21)申请号 201320386583.7(22)申请日 2013.07.01

(73)专利权人上海理工大学

地址200093 上海市杨浦区军工路516号(72)发明人胡亮 卢成 石盛东 王玉莎

张仁杰(74)专利代理机构上海德昭知识产权代理有限

公司 31204

代理人郁旦蓉(51)Int.Cl.

H02P 8/12(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图2页权利要求书2页 说明书4页 附图2页

()实用新型名称

改进型的H桥电路(57)摘要

一种改进型的H桥电路，能大幅提高输入PWM波的频率从而提高输出电流的稳定性，包括：由两组镜像设置的三极管和逻辑轮换开关组成的上桥电路和下桥电路，以及用于选通上、下桥电路中的两组镜像设置的三极管交错开通和截止的选通模块，双三极管并联成一组并加上轮流选通模块代替传统H桥的单三极管，这样输入的PWM波频率可以比传统H桥电路的输入PWM波频率提高近一倍，桥电路输出电流的稳定性大幅增强。

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权 利 要 求 书

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1.一种改进型的H型桥电路，包括：上桥电路和下桥电路，所述上桥电路与下桥电路之间并联了电机线圈，其特征在于：

两组镜像设置的PNP型三极管，分别为第一组镜像设置的PNP型三极管（Q1-1，Q2-1）和第二组镜像设置的PNP型三极管(Q1-2,Q2-2)，所述两组镜像设置的PNP型三极管之间以共集电极连接；

两组镜像设置的NPN型三极管，分别为第一组镜像设置的NPN型三极管(Q3-1,Q4-1)和第二组镜像设置的PNP型三极管(Q3-2,Q4-2)，所述两组镜像设置的NPN型三极管之间以共发射极连接；

四个逻辑轮换开关，两个所述逻辑轮换开关为第一组逻辑轮换开关，另外两个所述逻辑轮换开关为第二组逻辑轮换开关，每个所述逻辑轮换开关包括两个输入端口和两个输出端口；以及

选通模块，产生PWM信号，将所述PWM信号分成正的PWM信号和负的PWM信号，并分别向所述四个逻辑轮换开关的输入端发送正的PWM信号、负的PWM型号和与所述PWM信号同周期的方波信号，用于对所述两组镜像设置的PNP三级管和两组镜像设置的NPN三极管的开通和截止进行选通；

其中，所述两组镜像设置的PNP型三极管之间发射极与发射极相连并连接电源， 所述两组镜像设置的NPN型三极管之间集电极与集电极相连，发射极与发射极相连并接地，

所述两组镜像设置的NPN型三极管与所述两组镜像设置的PNP型三极管之间集电极与集电极相连并且并联所述电机线圈，

所述第一组逻辑轮换开关的输出端口分别与所述两组镜像设置的NPN三极管的基极相连，组成所述上桥电路(11),

所述第二组逻辑轮换开关的输出端口分别与所述两组镜像设置的PNP三极管的基极相连，组成所述下桥电路(12)。

2.根据权利要求1所述的H型桥电路，其特征在于： 其中，所述第一组逻辑轮换开关(U1,U2)中相对应的一对输出端口(C)分别与所述上桥电路的第一组镜像设置的PNP型三极管的基极相连，另一对输出端口(D)分别与所述第二组镜像设置的PNP型三级管的基极相连，

所述第二组逻辑轮换开关(U3,U4)中相对应的一对输出端口(G)分别与所述下桥电路的第一组镜像设置的NPN型三极管的基极相连，另一对输出端口(H)分别与所述第二组镜像设置的NPN型三级管的基极相连。

3.根据权利要求1所述的H型桥电路，其特征在于： 其中，所述方波信号分别发送到所述四个逻辑轮换开关(U1,U2,U3,U4)的一个输入端口(A)，

所述正的PWM信号分别发送到所述第一组逻辑轮换开关中的一个逻辑轮换开关（U1）的一个输入端口(B)和所述第二组逻辑轮换开关中的一个逻辑轮换开关（U4）的一个输入端口(F)，

所述负的PWM信号分别发送到所述第一组逻辑轮换开关的另一个逻辑轮换开关（U2）的一个输入端口（B）和所述第二组逻辑轮换开关的另一个逻辑轮换开关（U3）输入端口

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权 利 要 求 书

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（F）。

4.根据权利要求1所述的H型桥电路，其特征在于： 其中，输入的PWM信号在一个周期中，当所述方波信号处于第一个上升沿时，所述第二组镜像对称的PNP型三极管与所述第一组镜像对称的NPN型三极管导通工作形成一个H型桥电路，

当所述方波信号处于下一个上升沿时，所述第一组镜像对称的PNP型三极管与所述第二组镜像对称的NPN型三极管导通工作形成一个H型桥电路。

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说 明 书改进型的H桥电路

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技术领域

本实用新型专利涉及工控领域中所使用的H桥电路，尤其是恒相流步进、伺服电

机驱动器中所使用的H桥电路，集成专用的H桥电路芯片也可涉及本专利的思路。

[0001]

背景技术

目前，在工控领域中，尤其是步进、伺服电机的驱动器电路中，PWM控制H桥电路实现对输出相电流的平稳斩波是该领域的主流技术方法。如图2所示，Q1-Q4为4个三极管，也可以是MOSFET和二极管的组合,L代表电机线圈，PWM1和PWM2是一对正负的PWM波。由4个单三极管构成双桥路，其中，Q1,Q2为上桥PNP管，Q3,Q4为下桥NPN管，PWM1接入Q1,Q3的基极，PWM2接入Q2,Q4的基极，这样，由于Q1导通时，Q2,Q3截止，Q4导通，电流增大；反之，Q2导通时，Q1,Q4截止，Q3导通，电流减小，PWM波控制上下管子的导通和截止，通过PWM波的占空比调节正反向电流的导通时间，可对电流进行斩波处理，实现对输出电流的斩波稳流。在此过程中，PWM波的频率越高，输出电流值越稳定，纹波幅度，电机运行越平稳，噪声性能越好。但是，由于三极管本身的发热和开关频率关系可知，PWM波的频率越高，即三级管的开关频率越高，其发热量越大，对三级管的性能参数造成负面影响，导致实际的应用中，由于受到H桥电路的制约，PWM波斩波频率只能到20-40KHz。

[0002]

发明内容

[0003] 针对上述问题，本实用新型所涉及的一种改进型H桥电路为了克服现有的H桥电路的开关频率受到发热量的制约，对现有的H桥电路进行改进优化，设计一中新型的H桥电路，使每个三极管在不增加发热量和功耗的同时，用以提高PWM波的频率。 [0004] 本实用新型为了实现上述问题，可以使用以下方案： [0005] 本实用型新提供了一种改进型H桥电路，包括：上桥电路和下桥电路，上桥电路与下桥电路之间并联了电机线圈，其特征在于：两组镜像设置的PNP型三极管，分别为第一组镜像设置的PNP型三极管（Q1-1，Q2-1）和第二组镜像设置的PNP型三极管(Q1-2,Q2-2)，两组镜像设置的PNP型三极管之间以共集电极连接；两组镜像设置的NPN型三极管，分别为第一组镜像设置的NPN型三极管(Q3-1,Q4-1)和第二组镜像设置的PNP型三极管(Q3-2,Q4-2)，两组镜像设置的NPN型三极管之间以共发射极连接；四个逻辑轮换开关，两个逻辑轮换开关为第一组逻辑轮换开关，另外两个逻辑轮换开关为第二组逻辑轮换开 关，每个逻辑轮换开关包括两个输入端口和两个输出端口；以及选通模块，产生PWM信号，将PWM信号分成正的PWM信号和负的PWM信号，并分别向四个逻辑轮换开关的输入端发送正的PWM信号、负的PWM型号和与PWM信号同周期的方波信号，用于对两组镜像设置的PNP三级管和两组镜像设置的NPN三极管的开通和截止进行选通；其中，两组镜像设置的PNP型三极管之间发射极与发射极相连并连接电源，两组镜像设置的NPN型三极管之间集电极与集电极相连，发射极与发射极相连并接地，两组镜像设置的NPN型三极管与两组镜像设置的PNP型三极管之间集电极与集电极相连，第一组逻辑轮换开关的输出端口分别与两组镜像设置

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说 明 书

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的NPN三极管的基极相连，组成上桥电路(11),第二组逻辑轮换开关的输出端口分别与两组镜像设置的PNP三极管的基极相连，组成下桥电路(12)。 [0006] 本实用新型所涉及的H型桥电路，第一组逻辑轮换开关(U1,U2)中相对应的一对输出端口(C)分别与上桥电路的第一组镜像设置的PNP型三极管的基极相连，另一对输出端口(D)分别与第二组镜像设置的PNP型三级管的基极相连，第二组逻辑轮换开关(U3,U4)中相对应的一对输出端口(G)分别与下桥电路的第一组镜像设置的NPN型三极管的基极相连，另一对输出端口(H)分别与第二组镜像设置的NPN型三级管的基极相连。 [0007] 进一步，方波信号分别发送到四个逻辑轮换开关(U1,U2,U3,U4)的一个输入端口(A)，正的PWM信号分别发送到第一组逻辑轮换开关中的一个逻辑轮换开关（U1）的一个输入端口(B)和第二组逻辑轮换开关中的一个逻辑轮换开关（U4）的一个输入端口(F)，负的PWM信号分别发送到第一组逻辑轮换开关的另一个逻辑轮换开关（U2）的一个输入端口（B）和第二组逻辑轮换开关的另一个逻辑轮换开关（U3）输入端口（F）。 [0008] 另外，输入的PWM信号在一个周期中，当方波信号处于第一个周期时，第二组镜像对称的PNP型三极管与第一组镜像对称的NPN型三极管导通工作形成一个H型桥电路，当方波信号处于下一个周期时，第一组镜像对称的PNP型三极管与第二组镜像对称的NPN型三极管导通工作形成一个H型桥电路。 [0009] 实用新型的作用和效果 [0010] 本实用新型的有益效果是，在应用本新型的H桥电路时，输入PWM波的频率大幅提高，可以由原先的20-40KHz提高到40-70KHz，H桥输出电流的稳定性提高，电机运转平稳性、噪音性能都有较大程度的提高。并且电路原理简单易懂，具体电路实现起来也较容易。 附图说明

[0011] 图1是本实用新型H桥电路原理图。 [0012] 图2是传统的H桥电路原理图。

具体实施方式

[0013] 下面结合附图和实施例对本实用新型所涉及的一种改进型H桥电路的优选实施例做详尽的阐述，但本实用新型不仅限于该实施例。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下对本实用新型的优选实施例中详细说明了具体细节。 [0014] 图1为本实用新型H桥电路原理图。 [0015] 如图1所示，改进型的H型桥电路，包括：8个三极管，第一组镜像设置的PNP型三极管（Q1-1,Q2-1），第二组镜像设置的PNP型三极管（Q1-2，Q2-2），第一组镜像设置的NPN型三极管（Q3-1，Q4-1）和第二组镜像设置的NPN型三极管（Q3-2,Q4-2），上述三极管也可为MOSFET和二极管组合代替；电机线圈L；四个逻辑轮换开关（U1，U2，U3，U4）以及选通模块。

[0016] 第一组镜像设置的PNP型三极管（Q1-1,Q2-1）和第二组镜像设置的PNP型三极管（Q1-2，Q2-2）以及逻辑轮换开关U1和逻辑轮换开关U2组成上桥电路11。两组镜像设置的PNP型三极管之间发射极与发射极相连并接电源VCC，PNP型三极管Q1-1与PNP型三极管Q1-2共集电极连接，PNP型三极管Q2-1与PNP型三极管Q2-2共集电极连接。

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说 明 书

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第一组镜像设置的NPN型三极管（Q3-1,Q4-1）和第二组镜像设置的NPN型三极管

（Q3-2，Q4-2）以及逻辑轮换开关U3和逻辑轮换开关U4组成下桥电路12。两组镜像设置的NPN型三极管之间共发射极并接地，NPN型三极管Q3-1与NPN型三极管Q3-2共集电极连接，NPN型三极管Q4-1与PNP型三极管Q4-2共集电极连接。 [0018] 两组镜像设置的PNP型三极管（Q1-1,Q2-1，Q1-2，Q2-2）和两组镜像设置的NPN型三极管（Q3-1，Q4-1，Q3-2,Q4-2）之间集电极与集电极相连并联电机线圈L。

[0019] 四个逻辑轮换开关U1,U2,U3,U4均有2个输入端和两个输出端。第一组逻辑轮换开关由逻辑轮换开关U1和逻辑轮换开关U2组成，逻辑轮换开关U1的输出端口C与三极管Q2-1的基极连接，逻辑轮换开关U2相对应的输出端口C与三极管Q1-1的基极连接。逻辑轮换开关U1的另一个输出端口D与三极管Q1-2的基极连接，逻辑轮换开关U2的另一个输出端口D与三极管Q2-2的基极连接。

[0020] 第二组逻辑轮换开关由逻辑轮换开关U3和逻辑轮换开关U4组成，逻辑轮换开关U3的输出端口G与三极管Q3-1的基极连接，逻辑轮换开关U4相对应的输出端口G与三极管Q4-1的基极连接。逻辑轮换开关U3的另一个输出端口H与三极管Q3-2的基极连接，逻辑轮换开关U4的另一个输出端口H与三极管Q3-2的基极连接。 [0021] 选通模块产生PWM信号和与该PWM信号同周期的方波信号，选通模块将PWM信号分成一对正的PWM信号PWM+和负的PWM信号PWM-，并分别将正的PWM信号PWM+发送到逻辑轮换开 关U1的输入端口B和逻辑轮换开关U4的输入端口F,将负的PWM信号PWM-发送到逻辑轮换开关U2相对应的输入端口B和逻辑轮换开关U3的输入端口F,将方波信号发送到第一组逻辑轮换开关U1，U2的输入端口A和第二组逻辑轮换开关U3，U4的输入端口E。

[0022] 由FPGA编程实现如下逻辑关系： [0023] 在输入的PWM信号的一个周期中，第一组逻辑轮换开关的逻辑为：当输入端口A为方波信号的第一个上升沿时，输出端口C等于输入端口B的值，输出端口D=1，使得与输出端口D连接的第二组镜像设置的三极管Q1-2和三极管Q2-2工作，而第一组镜像设置的三极管Q2-1与三极管Q1-1截止。当输入端口A接收到的方波信号处于下一个上升沿时，输出端口D等于输入端口B,输出端口C=1，使得与输出端口C连接的第一组镜像设置的三极管Q1-1和三极管Q2-1工作，而第二组镜像设置的三极管Q1-2与三极管Q2-2截止。 [0024] 第二组逻辑轮换开关的逻辑为：当输入端口E为方波信号的第一个上升沿时，输出端口G等于输入端口F，输出端口H=0，使得与输出端口H连接的第二组镜像设置的三极管Q3-2和三极管Q4-2截止，而第一组镜像设置的三极管Q3-1和三极管Q4-1导通工作。当输入端口E接收到的方波信号处于下一个上升沿时，输出端口H等于输入端口F,输出端口G=0，使得与输出端口G连接的第一组镜像设置的三极管Q3-1和三极管Q4-1截止，而第二组镜像设置的三极管Q3-2和三极管Q4-2导通工作。

[0025] 这样在第一个PWM周期内,当方波信号处于第一个上升沿时，第二组镜像设置的PNP型三极管Q1-2和三极管Q2-2导通工作和第一组镜像设置的三极管Q3-1和三极管Q4-1导通工作，形成一个H型电桥，当方波信号处于下一个上升沿时，第一组镜像设置的三极管Q1-1和三极管Q2-1工作和第二组镜像设置的三极管Q3-2和三极管Q4-2导通工作，形成另一个H型电桥。比如，三极管Q1-1,Q1-2中一个三极管截止休息，另一个三极管工作，下一

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说 明 书

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个周期中，轮换为休息的三极管工作，这样每组三极管都是交替工作，假设每个三极管开关有一定的频率，则PWM波的频率就为每个三极管开关频率的一倍，这样在原先保证管子发热量不影响性能的情况下，大幅提高了控制桥路的PWM波的频率，即斩波频率大幅提高，电流的稳定性显著提高，电机运行噪声减小，平稳度明显提升。 [0026] 这样，在实际应用该新型的H桥电路时，PWM波的频率可以提高到40-70KHz，而每个三级管的发热量与原先PWM波为20-40KHz时相当，三极管的性能不受影响，而整个H桥电路的性能大大提高。

[0027] 在本新型的H桥电路中，主要的发明思路就是用8个一致性较好的三极管两个一组并联来替代现在的H桥电路中的一个三极管，并且增加4个逻辑轮换开关，PWM波输入经逻辑轮换开关，在双三极管之间建立轮流开关机制，这样，对每个三极管而言，其开关频 率相当于PWM波频率的1/2，这样我们就可以在保证三极管发热量不影响其性能的情况下大幅提高PWM波的斩波频率。

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说 明 书 附 图

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图1

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说 明 书 附 图

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图2

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