Топологии силовых ключей: полумост, полный мост (H‑мост)

Введение

Силовые ключи — основа преобразователей энергии: ИБП, электроприводов, зарядных устройств, солнечных инверторов. Их топологии определяют:

• КПД и потери;
• уровень напряжений и токов;
• возможности управления двигателем;
• габариты и стоимость системы.

В статье детально рассмотрены две ключевые схемы:

• полумост (half‑bridge);
• полный мост (full‑bridge, H‑bridge).

Разберём:

• принципы работы и схемы;
• ключевые параметры и расчёты;
• области применения;
• преимущества и недостатки;
• особенности управления и защиты;
• примеры реализаций.

1. Полумост (Half‑Bridge)

1.1. Схема и принцип работы

Базовая конфигурация:

• два силовых ключа (транзисторы Q₁, Q₂), включённые последовательно между шинами +Vₛ и −Vₛ;
• средняя точка (выход) подключена к нагрузке через дроссель/конденсатор;
• антипараллельные диоды (или встроенные диоды MOSFET) для обратного тока;
• плавающий конденсатор (C_boot) для питания драйвера верхнего ключа.

Принцип действия:

1. Q₁ открыт, Q₂ закрыт → ток течёт от +Vₛ через Q₁ к нагрузке.
2. Q₁ закрыт, Q₂ открыт → ток возвращается через Q₂ к −Vₛ (через диод или канал MOSFET).
3. Оба закрыты → пауза (dead time) для исключения сквозного тока.

Выходное напряжение (относительно средней точки шин):

• +Vₛ/2 (при открытом Q₁);
• −Vₛ/2 (при открытом Q₂);
• 0 (при обоих закрытых).

1.2. Ключевые параметры

• Напряжение на ключах: V_(Q) ≈ Vₛ (при закрытом ключе).
• Ток через ключи: I_(Q) ≈ I_(нагрузки).
• Частота переключения: 10–100 кГц (для Si), до 500 кГц (для SiC/GaN).
• Коэффициент заполнения (D): регулирует среднее выходное напряжение.

1.3. Преимущества

• минимальное число ключей (2) и драйверов;
• низкие коммутационные потери (по сравнению с полным мостом);
• простота управления;
• компактность и низкая стоимость.

1.4. Недостатки

• выходное напряжение ограничено Vₛ/2;
• требует симметричного питания (или разделительного конденсатора);
• не подходит для реверсивного управления двигателем.

1.5. Области применения

• резонансные преобразователи (LLC);
• однофазные ИБП и инверторы;
• преобразователи постоянного тока (DC/DC) средней мощности (100–500 Вт);
• электронные балласты для ламп.

1.6. Особенности управления

• Драйверы верхнего и нижнего ключа: изоляция для верхнего транзистора (оптроны, трансформаторы, бутстрепные схемы).
• Dead time: 100–500 нс для предотвращения сквозного тока.
• Синхронное выпрямление: включение нижнего MOSFET вместо диода для снижения потерь.

2. Полный мост (Full‑Bridge, H‑Bridge)

2.1. Схема и принцип работы

Конфигурация:

• четыре ключа (Q₁–Q₄), образующие «Н» между +Vₛ и −Vₛ;
• нагрузка подключена между средними точками двух полумостов;
• антипараллельные диоды для рекуперации энергии.

Режимы работы:

1. Прямое направление (Q₁ + Q₄ открыты, Q₂ + Q₃ закрыты) → ток через нагрузку слева направо.
2. Обратное направление (Q₂ + Q₃ открыты, Q₁ + Q₄ закрыты) → ток справа налево.
3. Торможение (Q₁ + Q₂ или Q₃ + Q₄ открыты) → короткое замыкание нагрузки (рекуперация).
4. Пауза (все закрыты) → свободный ход через диоды.

Выходное напряжение:

• +Vₛ (прямое направление);
• −Vₛ (обратное направление);
• 0 (торможение или пауза).

2.2. Ключевые параметры

• Напряжение на ключах: V_(Q) ≈ Vₛ.
• Ток через ключи: I_(Q) ≈ I_(нагрузки)/2 (в каждом плече).
• Частота переключения: до 100 кГц (Si), до 200 кГц (SiC).
• Реверс полярности: возможен за счёт переключения пар ключей.

2.3. Преимущества

• максимальное выходное напряжение (равно Vₛ);
• возможность реверса тока (для двигателей);
• высокая мощность (до десятков кВт);
• гибкость модуляции (PWM, фазовый сдвиг).

2.4. Недостатки

• четыре ключа и драйвера (выше стоимость и потери);
• сложность управления (риск сквозных токов);
• большие коммутационные помехи.

2.5. Области применения

• трёхфазные инверторы (как звено в каскаде);
• электроприводы постоянного и переменного тока (реверс, торможение);
• мощные DC/DC‑преобразователи (1–10 кВт);
• солнечные микроинверторы;
• зарядные станции электромобилей.

2.6. Особенности управления

• PWM‑модуляция:
  • униполярная (два ключа всегда закрыты);
  • биполярная (все ключи переключаются).
• Фазовый сдвиг (для резонансных схем): управление углом между плечами.
• Защита от сквозного тока: жёсткая блокировка (interlock), мониторинг тока.
• Синхронизация: согласование работы всех четырёх ключей.

3. Сравнение полумоста и полного моста

Параметр	Полумост	Полный мост (H‑bridge)
Число ключей	2	4
Выходное напряжение	±Vₛ/2	±Vₛ
Реверс тока	Нет	Да
КПД (при малой мощности)	Выше	Ниже
Сложность управления	Низкая	Высокая
Стоимость	Ниже	Выше
Типичная мощность	100–1000 Вт	500 Вт–10 кВт
Применение	Резонансные DC/DC, ИБП	Электроприводы, мощные инверторы

4. Расчёты и проектирование

4.1. Выбор транзисторов

• Напряжение: V_(DS) ≥ 1,5 × Vₛ (с запасом на переходные процессы).
• Ток: I_(D) ≥ 2 × I_(max) (с учётом пиков и КПД).
• Заряд затвора (Q_g): влияет на потери при переключении.
• R_(DS(on)): определяет омические потери.

4.2. Потери мощности

• Омические: P_(cond) = I² × R_(DS(on)).
• Коммутационные: P_(sw) = (E_(on) + E_(off)) × f_(sw).
• Потери в диодах: P_(diode) = V_f × I × D.

Общий КПД:

η=Pin​Pout​​=Pout​+Pcond​+Psw​+Pdiode​Pout​​.

4.3. Тепловой расчёт

• определение температуры кристалла:Tj​=Ta​+Ploss​⋅RθJA​, где RθJA​ — тепловое сопротивление (корпус‑среда).
• выбор радиатора (если Tj​ превышает допустимое значение).

4.4. Фильтрация и ЭМС

• LC‑фильтры на выходе (снижение dV/dt);
• снабберные цепи (RC, RCD) для подавления выбросов;
• экранирование и разведение земель (PE, FE).

5. Примеры реализаций

Пример 1. Полумост для LLC‑резонансного преобразователя

• Мощность: 30