設(shè)計(jì)高壓直流母線電容器有源預(yù)充電電路

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 通常配備大型直流鏈路電容器 (C DC LINK )，以最大限度地減少牽引逆變器輸入端的電壓紋波。在為電動(dòng)汽車(chē)供電時(shí)，預(yù)充電的目的是在操作車(chē)輛之前安全地為 C DC LINK充電。將 C DC LINK充電至電池組電壓 (V BATT ) 可防止接觸器端子上產(chǎn)生電弧，否則隨著時(shí)間的推移可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

傳統(tǒng)的預(yù)充電方法涉及將功率電阻與 C DC LINK串聯(lián)以創(chuàng)建電阻-電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)。然而，隨著總 C DC LINK電容和 V BATT的增加，所需的功耗呈指數(shù)增長(zhǎng)。在本文中，我們將介紹一種使用電子表格計(jì)算器設(shè)計(jì)高效、主動(dòng)預(yù)充電電路的簡(jiǎn)單方法。

被動(dòng)預(yù)充電采用功率電阻器來(lái)創(chuàng)建 RC 電路，以漸近方式對(duì)電容器充電，而主動(dòng)預(yù)充電可以采用具有降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器使用滯后電感器電流控制為電容器提供恒定的充電電流(圖 1)。

圖 1有源預(yù)充電電路，其中降壓轉(zhuǎn)換器使用滯后電感電流控制向電容器提供恒定充電電流，以使電容器電壓 (V CAP ) 線性充電至與電池 (V BATT ) 相同的電壓電位。

該恒定電流使電容器電壓 (V CAP ) 線性充電至與電池相同的電壓電位。圖 2和公式 1描述了這種線性行為。

圖 2使用具有滯后電感電流控制的降壓拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)充電線性行為。來(lái)源：德州儀器

第一步是確定所需的充電電流 (I CHARGE )。I CHARGE是總直流鏈路電荷 (Q DC LINK ) 與所需預(yù)充電時(shí)間 (t CHARGE ) 的商，如公式 2所示。

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

計(jì)算器概述

該有源滯后降壓電路在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上具有浮動(dòng)接地電位，因此控制系統(tǒng)的供電需要隔離偏置電源。計(jì)算器工具將確保該控制電路的功耗保持在隔離偏置電源的供電能力范圍內(nèi)，否則電壓將崩潰。

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)引入了一種主動(dòng)解決方案，可提高能量傳輸效率并縮短實(shí)際充電時(shí)間。TI 的TPSI3052 -?Q1是用于主動(dòng)預(yù)充電參考設(shè)計(jì)的完全集成隔離偏置電源，可為隔離次級(jí)提供高達(dá) 83 mW 的功率。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貢獻(xiàn)者。公式 4將柵極驅(qū)動(dòng)功率 (P GATE DRIVE ) 表示為柵極驅(qū)動(dòng)電流 (I GATE DRIVE ) 和柵極驅(qū)動(dòng)電壓 (V S GATE DRIVER )的乘積)，在參考設(shè)計(jì)中為 15 V。

公式 5將柵極驅(qū)動(dòng)電流表示為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 總柵極電荷 (Q G ) 與開(kāi)關(guān)頻率 (F SW ) 的乘積。

公式 6表示在整個(gè)充電期間F SW如何隨 V CAP變化，從而在圖 3中形成了 F SW與 V CAP曲線的倒置拋物線。如圖所示，柵極驅(qū)動(dòng)電流在最大開(kāi)關(guān)頻率 (F SW_MAX ) 處達(dá)到峰值，此時(shí) V CAP達(dá)到 V BATT的一半。公式 7表示 F SW_MAX、V BATT、電感 (L) 和峰峰值電感電流 (dI)之間的關(guān)系：

圖 3計(jì)算器曲線顯示 F SW與 V CAP和 F SW LIMIT 的關(guān)系。來(lái)源：德州儀器

使用計(jì)算器工具

計(jì)算器會(huì)提示您輸入各種設(shè)計(jì)參數(shù)。黃色單元格是必需的輸入，而灰色單元格表示可選輸入。灰色單元格中的默認(rèn)值反映了參考設(shè)計(jì)的參數(shù)。用戶可以根據(jù)需要更改灰色單元格的值。白色單元格顯示計(jì)算值作為輸出。單元格右上角的紅色三角形表示錯(cuò)誤;用戶將能夠看到有關(guān)如何修復(fù)它們的彈出文本。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)沒(méi)有紅色單元格的成功配置。這可以是一個(gè)迭代過(guò)程，用戶可以將鼠標(biāo)懸停在每個(gè)單元格上以閱讀解釋信息。

預(yù)充電系統(tǒng)要求

計(jì)算器的第一部分(如圖 4所示)根據(jù) V BATT、 t CHARGE和 C DC LINK系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算所需的充電電流

(I CHARGE REQUIRED )。

圖 4根據(jù) V BATT、 t CHARGE和 C DC LINK系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算所需的充電電流 (I CHARGE REQUIRED ) 。

電感和充電電流編程

圖 5所示的計(jì)算器部分計(jì)算實(shí)際平均充電電流 (I CHARGE ) 和 F SW_MAX。平均電感電流基本上等于 I CHARGE，其中 I CHARGE必須等于或大于 I CHARGE REQUIRED，這是在上一節(jié)中計(jì)算出來(lái)的，以滿足所需的 t CHARGE。

請(qǐng)注意公式 7 中表示的 L、dI 和 F SW_MAX之間的關(guān)系。L和 dI 分別與 F SW成反比，因此選擇不超過(guò)最大開(kāi)關(guān)頻率限制 (F SW LIMIT ) 的值非常重要。電感器選擇應(yīng)適應(yīng)足夠的均方根電流 (I RMS > I CHARGE )、飽和電流 (I SAT > I L PEAK ) 和電壓額定值，并留有足夠的余量作為緩沖。

圖 5電感和充電電流編程參數(shù)。

電流感應(yīng)和比較器設(shè)定點(diǎn)

圖 6所示的計(jì)算器部分計(jì)算滿足上一節(jié)中指定的峰值 (I L PEAK ) 和谷值 (I L VALLEY ) 電感電流閾值所需的滯后電路周?chē)牡撞侩娮?(R B )、頂部電阻 (R T )和滯后電阻 (R H ) 。輸入電流檢測(cè)電阻 (R SENSE ) 和 R B。這些值很靈活，可以根據(jù)需要更改。確保比較器電源電壓 (V S COMPARATOR ) 正確。

圖 6部分計(jì)算了滿足峰值 (I L PEAK ) 和谷值 (I L VALLEY ) 電感電流閾值所需的滯后電路周?chē)牡撞侩娮?(R B )、頂部電阻 (R T ) 和滯后電阻 (R H )。資料來(lái)源：德州儀器

偏置電源和開(kāi)關(guān)頻率限制

圖 7中所示的計(jì)算器部分計(jì)算了可用于切換 MOSFET 的功率 (P REMAINING FOR FET DRIVE )，方法是首先計(jì)算與滯后電路電阻 (P COMP. RESISTORS )、柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) (P GATE DRIVER IC ) 和比較器 IC (P COMPARATOR IC ) 相關(guān)的總功耗 (P TOTAL ) ，然后將其從 TPSI3052-Q1 的最大可用功率 (P MAX_ISOLATED BIAS SUPPLY ) 中減去。輸入 MOSFET 總柵極電荷 (Q G TOTAL )、器件靜態(tài)電流 (I S GATE DRIVER IC和 I SUPPLY COMP IC) 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 電源電壓 (V S GATE DRIVER IC )。該工具使用這些輸入來(lái)計(jì)算圖 3 中以紅線顯示的F SW LIMIT 。

圖 7隔離偏置電源和開(kāi)關(guān)頻率限制參數(shù)。

計(jì)算器工具做出了某些假設(shè)，沒(méi)有考慮諸如比較器延遲和 MOSFET 和續(xù)流二極管中的功率損耗等因素。該工具假設(shè)使用軌到軌輸入和輸出比較器。確保選擇具有適當(dāng)額定電壓、R DSON和寄生電容參數(shù)的 MOSFET。確保 MOSFET 和續(xù)流二極管中的功率損耗都在可接受的范圍內(nèi)。最后，選擇一個(gè)相對(duì)于電流檢測(cè)峰值和谷值電壓具有低偏移和低滯后電壓的比較器。使用最終計(jì)算器值模擬電路可確保預(yù)期的操作。

實(shí)現(xiàn)所需的充電曲線

采用有源滯后降壓電路可顯著提高效率，并減小電動(dòng)汽車(chē)高壓直流鏈路電容器中充電電路的尺寸。這有助于降低預(yù)充電解決方案的尺寸、成本和發(fā)熱量。