设计高压直流母线电容器有源预充电电路

电动汽车 (EV) 通常配备大型直流链路电容器 (C DC LINK )，以最大限度地减少牵引逆变器输入端的电压纹波。在为电动汽车供电时，预充电的目的是在操作车辆之前安全地为 C DC LINK充电。将 C DC LINK充电至电池组电压 (V BATT ) 可防止接触器端子上产生电弧，否则随着时间的推移可能会导致灾难性的故障。

传统的预充电方法涉及将功率电阻与 C DC LINK串联以创建电阻-电容 (RC) 网络。然而，随着总 C DC LINK电容和 V BATT的增加，所需的功耗呈指数增长。在本文中，我们将介绍一种使用电子表格计算器设计高效、主动预充电电路的简单方法。

被动预充电采用功率电阻器来创建 RC 电路，以渐近方式对电容器充电，而主动预充电可以采用具有降压拓扑结构的开关转换器，该转换器使用滞后电感器电流控制为电容器提供恒定的充电电流(图 1)。

图 1有源预充电电路，其中降压转换器使用滞后电感电流控制向电容器提供恒定充电电流，以使电容器电压 (V CAP ) 线性充电至与电池 (V BATT ) 相同的电压电位。

该恒定电流使电容器电压 (V CAP ) 线性充电至与电池相同的电压电位。图 2和公式 1描述了这种线性行为。

图 2使用具有滞后电感电流控制的降压拓扑实现主动预充电线性行为。来源：德州仪器

第一步是确定所需的充电电流 (I CHARGE )。I CHARGE是总直流链路电荷 (Q DC LINK ) 与所需预充电时间 (t CHARGE ) 的商，如公式 2所示。

Q DC LINK是 C DC LINK和 V BATT的乘积，如公式 3所示。

计算器概述

该有源滞后降压电路在开关节点上具有浮动接地电位，因此控制系统的供电需要隔离偏置电源。计算器工具将确保该控制电路的功耗保持在隔离偏置电源的供电能力范围内，否则电压将崩溃。

德州仪器 (TI) 的高压固态继电器主动预充电参考设计引入了一种主动解决方案，可提高能量传输效率并缩短实际充电时间。TI 的TPSI3052 - Q1是用于主动预充电参考设计的完全集成隔离偏置电源，可为隔离次级提供高达 83 mW 的功率。栅极驱动电流、器件静态电流和电阻分压器是功耗的主要贡献者。公式 4将栅极驱动功率 (P GATE DRIVE ) 表示为栅极驱动电流 (I GATE DRIVE ) 和栅极驱动电压 (V S GATE DRIVER )的乘积)，在参考设计中为 15 V。

公式 5将栅极驱动电流表示为金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 总栅极电荷 (Q G ) 与开关频率 (F SW ) 的乘积。

公式 6表示在整个充电期间F SW如何随 V CAP变化，从而在图 3中形成了 F SW与 V CAP曲线的倒置抛物线。如图所示，栅极驱动电流在最大开关频率 (F SW_MAX ) 处达到峰值，此时 V CAP达到 V BATT的一半。公式 7表示 F SW_MAX、V BATT、电感 (L) 和峰峰值电感电流 (dI)之间的关系：

图 3计算器曲线显示 F SW与 V CAP和 F SW LIMIT 的关系。来源：德州仪器

使用计算器工具

计算器会提示您输入各种设计参数。黄色单元格是必需的输入，而灰色单元格表示可选输入。灰色单元格中的默认值反映了参考设计的参数。用户可以根据需要更改灰色单元格的值。白色单元格显示计算值作为输出。单元格右上角的红色三角形表示错误;用户将能够看到有关如何修复它们的弹出文本。目标是实现没有红色单元格的成功配置。这可以是一个迭代过程，用户可以将鼠标悬停在每个单元格上以阅读解释信息。

预充电系统要求

计算器的第一部分(如图 4所示)根据 V BATT、 t CHARGE和 C DC LINK系统参数计算所需的充电电流

(I CHARGE REQUIRED )。

图 4根据 V BATT、 t CHARGE和 C DC LINK系统参数计算所需的充电电流 (I CHARGE REQUIRED ) 。

电感和充电电流编程

图 5所示的计算器部分计算实际平均充电电流 (I CHARGE ) 和 F SW_MAX。平均电感电流基本上等于 I CHARGE，其中 I CHARGE必须等于或大于 I CHARGE REQUIRED，这是在上一节中计算出来的，以满足所需的 t CHARGE。

请注意公式 7 中表示的 L、dI 和 F SW_MAX之间的关系。L和 dI 分别与 F SW成反比，因此选择不超过最大开关频率限制 (F SW LIMIT ) 的值非常重要。电感器选择应适应足够的均方根电流 (I RMS > I CHARGE )、饱和电流 (I SAT > I L PEAK ) 和电压额定值，并留有足够的余量作为缓冲。

图 5电感和充电电流编程参数。

电流感应和比较器设定点

图 6所示的计算器部分计算满足上一节中指定的峰值 (I L PEAK ) 和谷值 (I L VALLEY ) 电感电流阈值所需的滞后电路周围的底部电阻 (R B )、顶部电阻 (R T )和滞后电阻 (R H ) 。输入电流检测电阻 (R SENSE ) 和 R B。这些值很灵活，可以根据需要更改。确保比较器电源电压 (V S COMPARATOR ) 正确。

图 6部分计算了满足峰值 (I L PEAK ) 和谷值 (I L VALLEY ) 电感电流阈值所需的滞后电路周围的底部电阻 (R B )、顶部电阻 (R T ) 和滞后电阻 (R H )。资料来源：德州仪器

偏置电源和开关频率限制

图 7中所示的计算器部分计算了可用于切换 MOSFET 的功率 (P REMAINING FOR FET DRIVE )，方法是首先计算与滞后电路电阻 (P COMP. RESISTORS )、栅极驱动器集成电路 (IC) (P GATE DRIVER IC ) 和比较器 IC (P COMPARATOR IC ) 相关的总功耗 (P TOTAL ) ，然后将其从 TPSI3052-Q1 的最大可用功率 (P MAX_ISOLATED BIAS SUPPLY ) 中减去。输入 MOSFET 总栅极电荷 (Q G TOTAL )、器件静态电流 (I S GATE DRIVER IC和 I SUPPLY COMP IC) 和栅极驱动器 IC 电源电压 (V S GATE DRIVER IC )。该工具使用这些输入来计算图 3 中以红线显示的F SW LIMIT 。

图 7隔离偏置电源和开关频率限制参数。

计算器工具做出了某些假设，没有考虑诸如比较器延迟和 MOSFET 和续流二极管中的功率损耗等因素。该工具假设使用轨到轨输入和输出比较器。确保选择具有适当额定电压、R DSON和寄生电容参数的 MOSFET。确保 MOSFET 和续流二极管中的功率损耗都在可接受的范围内。最后，选择一个相对于电流检测峰值和谷值电压具有低偏移和低滞后电压的比较器。使用最终计算器值模拟电路可确保预期的操作。

实现所需的充电曲线

采用有源滞后降压电路可显著提高效率，并减小电动汽车高压直流链路电容器中充电电路的尺寸。这有助于降低预充电解决方案的尺寸、成本和发热量。