Hブリッジ

Hブリッジは、負荷に印加される電圧の極性を切り替える電子回路です。これらの回路は、DC モーターを前進または後進させるために、ロボット工学やその他のアプリケーションでよく使用されます。 ^[1]この名前は、一般的な回路図の表現に由来しており、4 つのスイッチング要素が文字「H」の分岐として構成され、負荷がクロスバーとして接続されています。

ほとんどのDC-ACコンバータ（電力インバータ）、ほとんどのAC/ACコンバータ、DC-DCプッシュプルコンバータ、絶縁型DC-DCコンバータ^[2] 、 ほとんどのモーターコントローラー、および他の多くの種類のパワーエレクトロニクスはHブリッジを使用しています。特に、バイポーラステッピングモーターは、ほとんどの場合、2つのHブリッジを含むモーターコントローラーによって駆動されます。

Hブリッジは集積回路として利用可能であり、また個別の部品から構築することもできる。^[1]

H ブリッジという用語は、このような回路の典型的なグラフィック表現に由来しています。H ブリッジは 4 つのスイッチ (ソリッド ステートまたはメカニカル) で構成されています。スイッチ S1 と S4 (最初の図を参照) が閉じている (S2 と S3 が開いている) 場合、モーター全体に正の電圧が印加されます。S1 と S4 スイッチを開き、S2 と S3 スイッチを閉じると、この電圧が反転し、モーターを逆方向に動作させることができます。

上記の命名法を使用すると、スイッチ S1 と S2 は同時に閉じないでください。同時に閉じると、入力電圧源で短絡が発生します。スイッチ S3 と S4 についても同様です。この状態はシュートスルーと呼ばれます。

H ブリッジは、2 端子デバイスに電力を供給するために使用されます。スイッチを適切に配置することで、デバイスへの電力の極性を変更できます。以下では、DC モーター ドライバーとスイッチング レギュレーターのトランスの 2 つの例について説明します。スイッチング条件のすべてのケースが安全であるわけではないことに注意してください。「ショート」(「DC モーター ドライバー」セクションの下記を参照) のケースは、電源とスイッチにとって危険です。

DC モーターへの電源の極性を変更すると、回転方向が変わります。回転方向の変更とは別に、H ブリッジは追加の動作モード、「ブレーキ」および「摩擦停止までのフリーラン」を提供できます。H ブリッジ構成は、通常、モーターの極性/方向を反転するために使用されますが、モーターの「ブレーキ」にも使用できます。この場合、モーターの端子が相互に接続されると、モーターは突然停止します。端子を接続すると、モーターの運動エネルギーが電流の形で急速に消費され、モーターが減速します。別のケースでは、モーターが回路から効果的に切断されるため、モーターは惰性で停止します。次の表は動作をまとめたものです。S1 ～ S4 は上の図に対応しています。次の表では、「1」はスイッチの「オン」状態を表し、「0」は「オフ」状態を表します。

一般的な一次コイル ドライバは、DC モーターの 2 つの端子を一次コイルの 2 つの端子に置き換えるだけです。一次コイルのスイッチング電流は電気エネルギーを磁気エネルギーに変換し、二次コイルで AC 電気エネルギーに戻します。

Hブリッジを構築する1つの方法は、リレーボードのリレーアレイを使用することです。 ^[3]

「2 極 2 投」(DPDT) リレーは、通常、H ブリッジと同じ電気的機能を実現できます (デバイスの通常の機能を考慮すると)。ただし、より小さな物理的サイズ、高速スイッチング、または低い駆動電圧 (または低い駆動電力) が必要な場合、または機械部品の摩耗が望ましくない場合は、半導体ベースの H ブリッジがリレーよりも適しています。

もう 1 つの構成は、DPDT リレーを使用して電流の方向を設定し、トランジスタを使用して電流の流れを有効にすることです。これにより、トランジスタがオフのときにリレーが切り替えられ、電流が流れなくなるため、リレーの寿命を延ばすことができます。また、PWM スイッチングを使用して電流レベルを制御することもできます。

ソリッドステートH ブリッジは通常、高電圧バスに接続された PNPバイポーラ接合トランジスタ(BJT) または P チャネルMOSFET、および低電圧バスに接続された NPN BJT または N チャネル MOSFET などの反対極性のデバイスを使用して構築されます。

最も効率的なMOSFET設計では、ハイサイドとローサイドの両方に N チャネル MOSFET を使用します。これは、通常、N チャネル MOSFET のオン抵抗が P チャネル MOSFET の 3 分の 1 であるためです。この場合、ハイサイド MOSFET のゲートを DC 電源レールに対して正に駆動する必要があるため、より複雑な設計が必要になります。多くの集積回路 MOSFETゲート ドライバには、これを実現するためにデバイス内に チャージ ポンプが含まれています。

あるいは、スイッチング電源DC-DC コンバータを使用して、ゲート駆動回路に分離された（「フローティング」）電源を供給することもできます。このアプリケーションには、複数出力のフライバック コンバータが最適です。

MOSFET ブリッジを駆動する別の方法は、GDT (ゲート ドライブ トランス) と呼ばれる特殊なトランスを使用することです。このトランスは、上部の FET ゲートを駆動するための絶縁出力を提供します。トランスのコアは通常、1:1 または 4:9 の巻線比を持つフェライト トロイドです。ただし、この方法は高周波信号でのみ使用できます。トランスの設計も非常に重要です。漏れインダクタンスを最小限に抑える必要があるためです。そうしないと、クロス伝導が発生する可能性があります。トランスの出力は通常、ツェナー ダイオードによってクランプされます。これは、高電圧スパイクがMOSFET ゲートを破壊する可能性があるためです。

この回路の一般的なバリエーションでは、クラス AB アンプと同様に、負荷の片側にある 2 つのトランジスタのみを使用します。このような構成は「ハーフ ブリッジ」と呼ばれます。^[4]これは電子トグル スイッチとして機能し、ハーフ ブリッジでは負荷に適用される電圧の極性を切り替えることはできません。ハーフ ブリッジは、同期整流器を使用する一部のスイッチング モード電源やスイッチング アンプで使用されます。ハーフ H ブリッジ タイプは、フル (「フル H」) H ブリッジと区別するために、一般に「ハーフ H」と略されます。もう 1 つの一般的なバリエーションは、ブリッジに 3 番目の「レッグ」を追加して、3 相インバータを作成することです。3 相インバータは、あらゆるAC モータードライブの中核です。

さらに別のバリエーションとして、半制御ブリッジがあります。半制御ブリッジでは、ブリッジの片側にあるローサイドスイッチングデバイスとブリッジの反対側にあるハイサイドスイッチングデバイスがそれぞれダイオードに置き換えられます。これにより、シュートスルー障害モードが排除され、双方向の電流フローが必要ない可変またはスイッチ式リラクタンスマシンやアクチュエータを駆動するためによく使用されます。

安価なシングルおよびデュアル H ブリッジ パッケージは数多く市販されています。L293​​x シリーズは、スイッチング損失の減少と最新の半導体製品の高速化により、1970 年代後半から技術的にはほとんど廃止されていますが、今でも多くの趣味の回路で使用されています。L9110 ^[5]などのいくつかのパッケージには、逆起電力保護用の フライバック ダイオードが組み込まれています。

H ブリッジの一般的な用途はインバータです。この構成は単相ブリッジ インバータと呼ばれることもあります。

DC 電源を備えた H ブリッジは、負荷全体に方形波電圧波形を生成します。純粋な誘導負荷の場合、電流波形は三角波になり、そのピークはインダクタンス、スイッチング周波数、および入力電圧によって異なります。

• 積極的な整流
• 整流子（電気）

• Hブリッジの理論と実践
• Hブリッジの動作原理の概要
• さまざまな駆動モードと逆起電力の使用について説明するHブリッジチュートリアル
• MOSFET と IR2110 H ブリッジ ドライバを使用した PWM DC モーター コントローラ
• BEAM Robotics Wiki の H ブリッジ
• H ブリッジ コントローラの電流を推定する式の導出 (Vex、JAGUAR、Victor)。ロボット工学で使用される一部の H ブリッジが非線形の電流および速度応答を持つ理由について説明します。

• 光を追跡するフォトセルを備えたHブリッジ制御モーターの構築
• 4017 を使用した H ブリッジ モーター制御 (トルコ語)
• HIP4081A を使用した H ブリッジ制御 Archived 27 February 2012 at the Wayback Machine
• DCモーター制御にL293D Hブリッジを使用する
• L293DモータードライバーICを中心に設計されたシンプルな回路