簡(jiǎn)介

電動(dòng)汽車 (EV) 通常配備大容量直流母線電容器 (CDC LINK)，以減小牽引逆變器輸入端的電壓紋波。當(dāng)電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)，預(yù)充電的目的是在車輛運(yùn)行前安全地為 CDC LINK 充電。將 CDC LINK 充電至電池組電壓 (VBATT) 可防止接觸器端子產(chǎn)生電弧，長(zhǎng)期來看這種電弧可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。

傳統(tǒng)的預(yù)充電方法是串聯(lián)一個(gè)功率電阻器與 CDC LINK 形成阻容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)。然而，隨著 CDC LINK 總電容和 VBATT 電壓的升高，所需耗散功率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。本文將通過電子表格計(jì)算工具，介紹一種設(shè)計(jì)高效有源預(yù)充電電路的簡(jiǎn)明方法。

了解有源預(yù)充電

被動(dòng)預(yù)充電采用功率電阻器構(gòu)建 RC 電路，使電容器以漸進(jìn)方式充電;而主動(dòng)預(yù)充電可采用帶降壓拓?fù)涞拈_關(guān)轉(zhuǎn)換器，通過遲滯電感電流控制為電容器提供恒定充電電流 (圖 1)。

圖 1 該有源預(yù)充電電路采用降壓轉(zhuǎn)換器，通過遲滯電感電流控制為電容器提供恒定充電電流，從而實(shí)現(xiàn)電容器電壓 (VCAP) 線性上升，直至達(dá)到與電池電壓 (VBATT) 相同的電位。來源：德州儀器 (TI)

這種恒定電流使電容器電壓 (VCAP) 線性上升，直至達(dá)到與電池相同的電位。圖 2 和公式 1 描述了這種線性特性。

圖 2 采用帶遲滯電感電流控制的降壓拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的有源預(yù)充電線性特性。來源：德州儀器 (TI)

第一步是確定所需的充電電流 (ICHARGE)。充電電流 ICHARGE 等于直流母線總電荷量 (QDC LINK) 與所需預(yù)充電時(shí)間 (tCHARGE) 的比值，如公式 2 所示。

方程式 2.

QDC LINK 等于 CDC LINK 與 VBATT 的乘積，如公式 3 所示。

方程式 3.

計(jì)算器概述

該有源滯環(huán)降壓電路的浮動(dòng)地電位隨開關(guān)節(jié)點(diǎn)變化，因此控制系統(tǒng)需采用隔離式偏置電源供電。計(jì)算器工具將確保該控制電路的功耗始終處于隔離偏置電源的供電能力范圍內(nèi)，否則電壓將會(huì)崩潰。

德州儀器 (TI) 的高壓固態(tài)繼電器主動(dòng)預(yù)充電參考設(shè)計(jì)提出了一種主動(dòng)解決方案，可提升能量傳輸效率并縮短實(shí)際充電時(shí)間。TI 的 TPSI3052-Q1 是一款完全集成的隔離式偏置電源，用于主動(dòng)預(yù)充電參考設(shè)計(jì)，可為隔離側(cè)提供高達(dá) 83mW 的功率輸出。柵極驅(qū)動(dòng)電流、器件靜態(tài)電流和電阻分壓器是功耗的主要來源。公式 4 將柵極驅(qū)動(dòng)功耗 (PGATE DRIVE) 表征為柵極驅(qū)動(dòng)電流 (IGATE DRIVE) 與柵極驅(qū)動(dòng)電壓 (VS GATE DRIVER) 的乘積，在該參考設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動(dòng)電壓為 15V。

方程式 4.

公式 5 將柵極驅(qū)動(dòng)電流表征為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 總柵極電荷 (QG) 與開關(guān)頻率 (FSW) 的乘積。

方程式 5.

公式 6 描述了 FSW 在整個(gè)充電周期內(nèi)隨 VCAP 變化的規(guī)律，這形成了 圖 3 中 FSW 與 VCAP 曲線的倒拋物線特性。如下圖所示，當(dāng) VCAP 達(dá)到 VBATT 一半時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電流在最大開關(guān)頻率 (FSW_MAX) 處達(dá)到峰值。公式 7 表達(dá)了 FSW_MAX、VBATT、電感值 (L) 與峰峰值電感電流 (dI) 之間的關(guān)系：

方程式 6.

方程式 7.

圖 3 計(jì)算曲線圖顯示 FSW 隨 VCAP 的變化關(guān)系及 FSW_LIMIT。來源：德州儀器 (TI)

使用計(jì)算器工具

該計(jì)算器會(huì)提示您輸入各種設(shè)計(jì)參數(shù)。黃色單元格為必填輸入項(xiàng)，灰色單元格表示可選輸入項(xiàng)。灰色單元格中的默認(rèn)值體現(xiàn)了參考設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)置。用戶可根據(jù)需要修改灰色單元格中的數(shù)值。白色單元格顯示計(jì)算得出的輸出值。單元格右上角的紅色三角形標(biāo)識(shí)表示存在錯(cuò)誤，用戶可查看彈出提示文本了解修復(fù)方法。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無紅色單元格的成功配置。這可以是一個(gè)迭代過程，用戶可將鼠標(biāo)懸停在各單元格上方，查看說明信息。

預(yù)充電系統(tǒng)要求

計(jì)算器的第一部分(如 圖 4 所示)計(jì)算所需的充電電流

(ICHARGE REQUIRED) 根據(jù) VBATT、tCHARGE 以及 CDC LINK 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得出。

圖 4 所需充電電流 (ICHARGE REQUIRED) 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù) VBATT、tCHARGE 和 CDC LINK 計(jì)算得出。來源：德州儀器 (TI)

電感和充電電流編程

圖 5 中所示計(jì)算器部分用于計(jì)算實(shí)際平均充電電流 (ICHARGE) 和 FSW_MAX。平均電感電流本質(zhì)上等同于 ICHARGE，而 ICHARGE 必須大于或等于 ICHARGE REQUIRED，該值在前一節(jié)中已計(jì)算得出，以滿足預(yù)期的充電時(shí)間 tCHARGE 要求。

請(qǐng)注意 L、dI 與 FSW_MAX 之間的關(guān)系，如公式 7 所示。L 與 dI 均與 FSW 成反比，因此所選參數(shù)值不得超過最大開關(guān)頻率限制 (FSW LIMIT)。電感器的選型應(yīng)滿足足夠的有效值電流 (IRMS > ICHARGE)、飽和電流 (ISAT > IL PEAK) 以及電壓額定值，并為各項(xiàng)參數(shù)預(yù)留足夠的裕量作為緩沖。

圖 5 電感和充電電流編程參數(shù)。來源：德州儀器 (TI)

電流檢測(cè)和比較器設(shè)定點(diǎn)

圖 6 中顯示的計(jì)算器部分會(huì)計(jì)算遲滯電路所需的底部電阻 (RB)、頂部電阻 (RT) 和遲滯電阻 (RH)，以滿足前文設(shè)定的峰值電感電流 (IL PEAK) 和谷值電感電流 (IL VALLEY) 閾值。輸入電流傳感電阻 (RSENSE) 和 RB。它們非常靈活，可以根據(jù)需要進(jìn)行更改。確保比較器電源電壓 (VS COMPARATOR) 正確。

圖 6 該部分計(jì)算遲滯電路所需的底部電阻 (RB)、頂部電阻 (RT) 和遲滯電阻 (RH)，以滿足設(shè)定的峰值電感電流 (IL PEAK) 和谷值電感電流 (IL VALLEY) 閾值要求。來源：德州儀器 (TI)

偏置電源和開關(guān)頻率限制

圖 7 中顯示的計(jì)算器部分通過以下步驟計(jì)算可用于 MOSFET 開關(guān)的剩余功率 (PREMAINING FOR FET DRIVE)：首先計(jì)算總功耗 (PTOTAL)，包含遲滯電路電阻器功耗 (PCOMP.RESISTORS)、柵極驅(qū)動(dòng)集成電路 (IC) 功耗 (PGATE DRIVER IC) 和比較器 IC 功耗 (PCOMPARATOR IC);然后從 TPSI3052-Q1 隔離偏置電源的最大可用功率 (PMAX_ISOLATED BIAS SUPPLY) 中減去該總功耗值。輸入 MOSFET 總柵極電荷 (QG TOTAL)、器件靜態(tài)電流(IS GATE DRIVER IC 和 ISUPPLY COMP IC)以及柵極驅(qū)動(dòng) IC 的電源電壓 (VS GATE DRIVER IC)。該工具使用這些輸入?yún)?shù)來計(jì)算 FSW LIMIT，并在 圖 3 中顯示為一條紅線。

圖 7 隔離式偏置電源和開關(guān)頻率限制參數(shù)。來源：德州儀器 (TI)

該計(jì)算器工具基于某些假設(shè)，未考慮以下因素：MOSFET 和續(xù)流二極管的功率損耗，以及比較器延遲等。該工具假定使用軌到軌輸入和輸出比較器。請(qǐng)務(wù)必選擇具有合適額定電壓、RDSON 以及寄生電容參數(shù)的 MOSFET。請(qǐng)確保 MOSFET 和續(xù)流二極管的功率損耗均在允許范圍內(nèi)。最后，請(qǐng)選擇一款相對(duì)于電流檢測(cè)峰值和谷值電平電壓具有低偏移和低遲滯電壓的比較器。用計(jì)算器得出的最終參數(shù)進(jìn)行電路仿真，可確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)了所需的充電曲線

采用主動(dòng)遲滯降壓電路可顯著提升效率，并縮小電動(dòng)汽車高壓直流母線電容充電電路的體積。這有助于減小預(yù)充電方案的體積、降低成本并改善散熱性能。

本文闡述了通過計(jì)算確定合適元件參數(shù)的設(shè)計(jì)流程，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的充電特性曲線。

采用這些技術(shù)與工具后，工程師能夠有效提升電動(dòng)汽車的預(yù)充電功能，從而優(yōu)化電源管理系統(tǒng)，滿足汽車行業(yè)日益增長(zhǎng)的技術(shù)需求。