傾佳電子橋式電路：從經(jīng)典測量工具到現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換核心的演進與技術(shù)解析

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

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1. 傾佳電子引言：橋式電路的演進與核心價值

橋式電路作為一種基礎(chǔ)且用途廣泛的拓撲結(jié)構(gòu)，其歷史淵源深厚，可追溯至19世紀(jì)的電學(xué)測量領(lǐng)域。它最初并非被設(shè)計用于大規(guī)模的能量轉(zhuǎn)換，而是作為一種精密測量工具而誕生。1833年，塞繆爾·亨特·克里斯蒂（Samuel Hunter Christie）發(fā)明了這一電路，后于1843年由查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）加以改進和推廣，并以他的名字命名為惠斯通電橋（Wheatstone bridge） 。這一早期應(yīng)用的核心理念在于利用電路的平衡特性來精確測量未知電阻，這奠定了“電橋”這一概念的最初內(nèi)涵：通過四臂電路的對稱性來完成精密的差分測量 。

然而，這一基礎(chǔ)架構(gòu)的內(nèi)在價值遠超其最初的構(gòu)想。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，橋式電路因其固有的對稱性、靈活的開關(guān)控制以及實現(xiàn)雙向能量流動的能力，在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域找到了更廣闊的應(yīng)用。它已成為現(xiàn)代電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的核心基石，廣泛應(yīng)用于光伏逆變器、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電樁和電機驅(qū)動器等對效率和功率密度有嚴(yán)苛要求的高性能場景 。橋式電路的核心價值在于能夠?qū)崿F(xiàn)對電能的精確、高效控制，滿足現(xiàn)代社會對清潔能源、高效能電力傳輸和智能電力系統(tǒng)日益增長的需求。

傾佳電子報告旨在提供一個全面且深入的分析，首先追溯橋式電路從測量工具到功率轉(zhuǎn)換器的演變歷程，隨后深入剖析其核心技術(shù)特性與不同拓撲的優(yōu)缺點，并重點解析上管與下管在其中的關(guān)鍵作用和工程挑戰(zhàn)。最后，將探討寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)（SiC/GaN）等前沿技術(shù)如何進一步革新這一領(lǐng)域，并展望其在未來的發(fā)展前景。本報告的核心論點在于，橋式電路的生命力源于其靈活的拓撲結(jié)構(gòu)與可控性，而其持續(xù)的技術(shù)進步始終圍繞“提高效率”、“降低損耗”和“提升功率密度”這三大主軸展開。

2. 橋式電路的起源與類型溯源

2.1 惠斯通電橋：測量與平衡的藝術(shù)

惠斯通電橋是橋式電路概念的濫觴，其設(shè)計初衷是用于精確測量電阻 。它的基本結(jié)構(gòu)由四個電阻臂組成，形成一個菱形或“橋”狀，其中一個電阻是待測元件，另外三個是已知電阻或可變電阻 。其工作原理是利用兩個并聯(lián)的電壓分壓器來產(chǎn)生一個差分電壓輸出 。當(dāng)電橋達到平衡狀態(tài)時，即對角線上的兩個電阻比值相等時，橋路輸出端（通常連接有檢流計或電壓表）的電壓差為零 。通過調(diào)節(jié)可變電阻使電橋平衡，即可根據(jù)已知的三個電阻值計算出未知電阻的精確值。

在現(xiàn)代應(yīng)用中，惠斯通電橋常與差分放大器結(jié)合使用，以將微小的電阻變化（例如來自應(yīng)變片、熱敏電阻或壓力傳感器的變化）轉(zhuǎn)換為可用的電壓信號 。這種組合有效解決了電橋輸出本身是差分信號、且共模電壓等于電源電壓一半所帶來的測量挑戰(zhàn) 。通過使用儀表放大器，可以輕松放大兩個電壓分壓器之間的微小差異，將其轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號，從而避免了共模電壓變化對測量的影響，并提高了精度 。

2.2 整流橋：從機械到固態(tài)的功率轉(zhuǎn)換

在固態(tài)半導(dǎo)體技術(shù)問世之前，電能的整流轉(zhuǎn)換是一個復(fù)雜且效率低下的過程。早期的整流器形式多樣，包括通過同步電機驅(qū)動機械觸點來實現(xiàn)電流換向的機械整流器，以及依賴真空管（如閘流管）的電子整流器 。這些方案普遍存在噪音大、需要高維護、電流密度低且無法處理高頻等固有缺點 。

電力電子領(lǐng)域的重大突破發(fā)生于固態(tài)二極管整流橋的發(fā)明。該電路于1895年由卡羅爾·波拉克（Karol Pollak）申請專利，并在1897年由萊奧·格拉茨（Leo Graetz）獨立發(fā)布，故至今仍有時被稱為“格拉茨電路” 。該電路僅需四個二極管便能將兩線制交流電輸入轉(zhuǎn)換為固定的直流輸出，實現(xiàn)全波整流 。相較于需要中心抽頭變壓器的兩二極管整流方案，整流橋顯著降低了成本、體積和重量，為電力電子技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 。

2.3 H橋：雙向控制與逆變器的核心

H橋，因其在電路圖上形似字母“H”的結(jié)構(gòu)而得名 ，是現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換中最基礎(chǔ)的拓撲之一。它由四個開關(guān)管（可以是繼電器、BJT、MOSFET或IGBT）構(gòu)成，用于控制施加于負載上的電壓極性 。

H橋最經(jīng)典的應(yīng)用是作為直流電機驅(qū)動器。通過控制對角線上的兩對開關(guān)管交替導(dǎo)通，可以改變流經(jīng)直流電機的電流方向，從而實現(xiàn)電機的正向或反向旋轉(zhuǎn) 。此外，通過控制開關(guān)的開/關(guān)狀態(tài)，H橋還能實現(xiàn)對電機的“制動”和“自由滑行”等多種工作模式 。

作為逆變器，H橋是單相全橋逆變器的基本拓撲結(jié)構(gòu) 。通過以特定頻率交替導(dǎo)通對角線上的開關(guān)對，H橋能將直流電壓源轉(zhuǎn)換為交變方波電壓，這是不間斷電源（UPS）和光伏逆變器等系統(tǒng)的核心功能 。

3. 橋式電路的技術(shù)特性與拓撲比較

3.1 基本電學(xué)特性分析

橋式電路的性能主要由其損耗、控制方式及諧波特性決定。一個理想的橋式電路應(yīng)具備高效率、低損耗和高質(zhì)量的輸出波形。

損耗構(gòu)成： 橋式電路中的總損耗主要由兩部分組成：

導(dǎo)通損耗： 當(dāng)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，其內(nèi)部存在一定的等效電阻（RON?），電流流經(jīng)此電阻時會產(chǎn)生熱量損耗，其大小與電流的平方成正比 。

開關(guān)損耗： 在開關(guān)管的開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流無法瞬時完成轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)換的瞬間存在電壓和電流的交疊，從而產(chǎn)生能量損耗 。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，在需要高頻運行的應(yīng)用中尤為顯著 。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）與諧波： PWM是控制逆變器輸出電壓的核心技術(shù) 。它通過調(diào)整一系列脈沖信號的寬度來控制輸出電壓的平均值，從而合成出接近正弦波的電壓波形 。PWM調(diào)制的質(zhì)量直接影響輸出波形的諧波含量。諧波是輸入或輸出波形中頻率為基波頻率整數(shù)倍的額外正弦分量 。高次諧波會引起多種問題，包括電纜過熱、電機振動和噪音、以及對敏感電子設(shè)備的損害 。因此，通過PWM技術(shù)降低總諧波失真（THD）對于提升系統(tǒng)效率和可靠性至關(guān)重要 。

3.2 主流拓撲的詳細對比

半橋與全橋： 半橋逆變器由兩個開關(guān)管和兩個電容組成，其輸出電壓的峰值僅為直流輸入電壓的一半（±VDC?/2） 。而全橋逆變器則使用四個開關(guān)管，輸出電壓峰值與直流輸入電壓相同（ ±VDC?） 。由于能夠充分利用輸入電壓，全橋逆變器通常具有更高的功率處理能力和效率 。這使得全橋拓撲成為1kW以上超大功率開關(guān)電源電路的理想選擇 。

中點鉗位（NPC）與有源中點鉗位（ANPC）： 三電平中點鉗位（Neutral Point Clamped, NPC）變流器自1980年提出以來，已廣泛應(yīng)用于中高壓大功率領(lǐng)域 。然而，其主要缺點在于開關(guān)器件間的損耗分布不均衡，這限制了其在大功率應(yīng)用中的性能和可靠性 。有源中點鉗位（Active Neutral Point Clamped, ANPC）拓撲應(yīng)運而生，其核心改進在于用主動開關(guān)器件取代了NPC拓撲中的中點鉗位二極管 。

ANPC拓撲的核心優(yōu)勢：損耗均衡與效率提升： ANPC拓撲的最大價值在于其冗余的開關(guān)模態(tài)，這為控制算法提供了動態(tài)調(diào)整高頻開關(guān)路徑的能力，從而實現(xiàn)器件間損耗的重新分配和平衡 。通過在不同調(diào)制策略（如ANPC-1和ANPC-2）之間切換，可以靈活地將高頻開關(guān)損耗分配給不同的開關(guān)管 。例如，ANPC-1模式采用短換流回路，讓外管和鉗位管工作在高頻；而ANPC-2模式采用長換流回路，讓內(nèi)管工作在高頻 。這種損耗均衡不僅提高了系統(tǒng)效率，也顯著改善了熱性能和可靠性 。

4. 上管與下管的深度解析

4.1 基本功能與驅(qū)動原理

在一個橋臂電路中，根據(jù)開關(guān)管所連接的位置，它們被定義為上管（High-side switch）和下管（Low-side switch）。上管連接至電源的正極，而下管連接至地（GND） 。盡管它們在電路中功能對稱，但在驅(qū)動方式上存在根本性差異。

下管的驅(qū)動相對簡單，因為其源極（Source）始終保持在地的電位。這意味著其柵極（Gate）驅(qū)動電壓的參考點是固定的，可以直接由控制電路或簡單的柵極驅(qū)動器提供 。

然而，上管的驅(qū)動則面臨著一個重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。上管的源極電位不是固定的，而是隨著開關(guān)狀態(tài)的切換在0V到直流母線電壓之間“浮動” 。為了使上管導(dǎo)通，其柵極-源極間電壓（ VGS?）必須始終高于導(dǎo)通閾值 。因此，驅(qū)動上管需要一個能夠“浮動”的輔助電源，該電源能跟隨源極電位變化，并為其提供一個高于源極電位約10V-15V的驅(qū)動電壓 。

4.2 驅(qū)動器與保護機制

為了應(yīng)對上管的驅(qū)動挑戰(zhàn)，工程師們開發(fā)了多種解決方案，其中最常見且經(jīng)濟的是自舉電路（Bootstrap circuit） 。自舉電路利用一個二極管和一個電容（自舉電容）來為高邊驅(qū)動電路提供浮動電源。其工作原理是在下管導(dǎo)通時，自舉電容被充電。隨后，當(dāng)需要驅(qū)動上管時，電容上存儲的電荷被釋放，為上管的柵極提供所需的驅(qū)動電壓 。

然而，這種方法的固有局限性在于，自舉電容的充電依賴于低邊開關(guān)的導(dǎo)通。如果上管需要長時間保持導(dǎo)通（例如在PWM占空比接近100%時），自舉電容將無法得到及時充電，其電壓會逐漸下降 。這可能導(dǎo)致上管的柵極驅(qū)動電壓不足，使其從全導(dǎo)通狀態(tài)進入高損耗的線性工作區(qū)，進而因過熱而損壞 。這一內(nèi)在缺陷使得自舉電路不適用于需要連續(xù)高占空比工作的應(yīng)用，體現(xiàn)了工程設(shè)計中在“簡單、低成本”與“功能限制”之間的經(jīng)典權(quán)衡。

對于需要更高可靠性或無占空比限制的應(yīng)用，通常采用隔離式柵極驅(qū)動器 。這種驅(qū)動器通過電容、磁性或光耦合等方式，將低壓控制側(cè)的信號和電源與高壓功率側(cè)完全隔離 。盡管隔離式驅(qū)動器提供了優(yōu)越的保護，但在高頻、高壓應(yīng)用中，它們也面臨著一個潛在的風(fēng)險，即共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）問題。在高電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換時，其極高的電壓變化率（ dV/dt）會通過寄生電容，將高頻噪聲耦合到隔離屏障另一側(cè)的控制信號上 。如果驅(qū)動器的CMTI指標(biāo)不足，這種耦合噪聲可能被誤判為驅(qū)動信號，導(dǎo)致開關(guān)管意外導(dǎo)通，進而引發(fā)電源直通短路并損壞器件 。因此，CMTI已成為衡量現(xiàn)代柵極驅(qū)動器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。這表明在追求極致性能時，工程師必須關(guān)注那些看似次要的寄生效應(yīng)所帶來的挑戰(zhàn)。

除了驅(qū)動挑戰(zhàn)，所有半橋和全橋設(shè)計都必須考慮“直通”風(fēng)險。為了防止橋臂上的上管和下管在切換瞬間同時導(dǎo)通而造成電源短路，必須在兩個開關(guān)之間設(shè)置一個短暫的“死區(qū)時間”（Dead Time），在此期間兩個開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，以確保安全可靠的運行 。

4.3 電壓與電流應(yīng)力分析

在兩電平橋式電路中，上管和下管在關(guān)斷時都必須承受整個直流母線電壓的應(yīng)力 。然而，多電平拓撲（如ANPC）通過將總電壓分解為多個電平，顯著降低了單個開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力，允許使用更低電壓等級、更快速的開關(guān)管 。

對于電機或電感負載，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，負載電流由于電感特性無法立即中斷。此時，電流會通過與開關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管（或MOSFET的體二極管）形成新的路徑 。如果續(xù)流二極管的性能不佳（例如反向恢復(fù)損耗高），會給開關(guān)管帶來額外的應(yīng)力，影響系統(tǒng)效率和可靠性。

5. 寬禁帶半導(dǎo)體（SiC/GaN）的變革性影響

5.1 SiC與GaN的材料優(yōu)勢

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（Wide-bandgap, WBG）半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，正在革新橋式電路的設(shè)計與性能。相比傳統(tǒng)的硅（Si）器件，它們具有更高的禁帶寬度、更高的臨界電場強度和更優(yōu)異的導(dǎo)熱率 。這些材料特性帶來了顯著的系統(tǒng)性能提升：

更高的效率： SiC和GaN器件具有極低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗 。例如，使用SiC器件的逆變器效率可超過99% ，平均比硅器件高出0.5%至1% 。

更高的開關(guān)頻率： SiC和GaN支持數(shù)十乃至上百kHz的開關(guān)頻率 。這使得無源濾波元件（電感、電容）的尺寸和重量得以大幅減小 。

更高的功率密度與更小的散熱系統(tǒng)： 更低的損耗意味著更少的熱量產(chǎn)生，從而可以使用體積更小、成本更低的散熱系統(tǒng) ，最終實現(xiàn)系統(tǒng)整體功率密度的顯著提升。

5.2 混合型ANPC拓撲（H-ANPC）

盡管SiC性能卓越，但其成本仍是傳統(tǒng)硅器件的數(shù)倍 。為了平衡成本與性能，混合型ANPC（Hybrid-ANPC, H-ANPC）拓撲應(yīng)運而生。這種方案利用了不同材料的優(yōu)勢，將SiC器件部署在承受高頻開關(guān)損耗的橋臂上，而將成本更低的硅-IGBTs用于承受導(dǎo)通損耗的橋臂 。

不同的調(diào)制策略能最大化這種混合方案的優(yōu)勢。例如，ANPC-2策略通過讓內(nèi)管工作在高頻模式，可最大程度地發(fā)揮SiC器件的低開關(guān)損耗優(yōu)勢 。實驗表明，這種2-SiC混合型ANPC拓撲在45kHz頻率下的效率可高達99%，相比純硅方案平均高出0.5%至1% 。

6. 現(xiàn)代橋式電路應(yīng)用與未來展望

6.1 核心應(yīng)用場景

光伏逆變器與儲能系統(tǒng)： 橋式拓撲是光伏逆變器和儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵核心。在光伏系統(tǒng)中，它將太陽能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)所需的交流電 。在儲能系統(tǒng)中，雙向橋式拓撲可實現(xiàn)電池的高效充放電管理 ，有助于通過調(diào)峰填谷來提高電網(wǎng)的靈活性和可再生能源的利用率 。

電動汽車（EV）電驅(qū)系統(tǒng)與快充樁： SiC-ANPC拓撲已成為電動汽車高壓電驅(qū)系統(tǒng)和兆瓦級快充樁的理想選擇 。SiC器件能夠?qū)㈦婒?qū)系統(tǒng)的功率損耗降低高達80%，從而使電動汽車的續(xù)航里程延長約10% 。同時，多電平ANPC拓撲在1500V直流母線系統(tǒng)中的應(yīng)用，顯著降低了對開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，使得系統(tǒng)可以采用更低電壓等級、更易獲得的SiC功率模塊，從而降低了整體成本和技術(shù)門檻 。

6.2 未來趨勢：從優(yōu)化到智能，AI與數(shù)字孿生的作用

橋式電路的未來發(fā)展將不再局限于單一的硬件升級，而是硬件、材料、控制算法和系統(tǒng)智能化的深度融合。

供應(yīng)鏈與成本優(yōu)化： 隨著SiC晶圓尺寸從6英寸向8英寸過渡，以及生產(chǎn)工藝的成熟，SiC器件的制造成本將顯著下降，加速其在主流市場的滲透 。未來可能會出現(xiàn)一個由專注于晶圓生產(chǎn)、芯片制造和模塊組裝的專業(yè)化公司構(gòu)成的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，通過分工協(xié)作進一步優(yōu)化成本 。

智能控制與可靠性： 結(jié)合人工智能（AI）和數(shù)字孿生技術(shù)，可以對儲能系統(tǒng)中的電芯健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并優(yōu)化制造流程 。在電力電子系統(tǒng)中，ANPC拓撲的損耗均衡能力就是一個軟件控制算法解決硬件熱應(yīng)力問題的典型范例 。未來，AI和數(shù)字孿生將進一步深化這一趨勢，通過實時分析和預(yù)測，智能地調(diào)整控制策略，實現(xiàn)對器件電壓、電流和熱應(yīng)力的動態(tài)管理，從而在整個生命周期內(nèi)最大化效率和可靠性 。這標(biāo)志著電力電子領(lǐng)域正在從傳統(tǒng)的硬件創(chuàng)新驅(qū)動，轉(zhuǎn)向由硬件與軟件協(xié)同驅(qū)動的新范式。

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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6.3 傾佳電子總結(jié)：橋式電路的核心價值與持續(xù)創(chuàng)新

橋式電路作為一種跨越百年的基礎(chǔ)拓撲結(jié)構(gòu)，其核心價值在于其固有的對稱性和差分特性，使其能夠靈活應(yīng)用于從精密測量到大功率能量轉(zhuǎn)換的廣泛領(lǐng)域。在電力電子時代，其靈活的拓撲變體（如半橋、全橋、多電平ANPC）以及與寬禁帶半導(dǎo)體材料（SiC/GaN）的結(jié)合，使其性能邊界不斷被拓寬。

從解決傳統(tǒng)硅器件的效率和功率密度瓶頸，到應(yīng)對高壓系統(tǒng)中的電壓應(yīng)力挑戰(zhàn)，橋式電路的每一次演進都精準(zhǔn)地回應(yīng)了行業(yè)的核心痛點。展望未來，隨著新材料、先進拓撲、智能控制以及AI等技術(shù)的深度融合，橋式電路將繼續(xù)在電動汽車、可再生能源和智能電網(wǎng)等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮不可或缺的作用，成為推動社會向更高效、更可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力。

審核編輯 黃宇