電動(dòng)汽車 (EV) 通常配備大型直流母線電容器 (C DC LINK )，以最大程度地減少牽引逆變器輸入端的電壓紋波。當(dāng)電動(dòng)汽車通電時(shí)，預(yù)充電的目的是在車輛運(yùn)行之前對(duì)C DC LINK進(jìn)行安全充電。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，隨著時(shí)間的推移，電弧可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障。
　　傳統(tǒng)的預(yù)充電方法涉及實(shí)現(xiàn)與 C DC LINK串聯(lián)的功率電阻器，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。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、有源預(yù)充電電路的簡單方法?！　o源預(yù)充電采用功率電阻器來創(chuàng)建 RC 電路，對(duì)電容器進(jìn)行漸近充電，而有源預(yù)充電則可以采用具有降壓拓?fù)涞拈_關(guān)轉(zhuǎn)換器，該拓?fù)涫褂眠t滯電感器電流控制來向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)換器使用遲滯電感器電流控制向電容器提供恒定充電電流，從而使電容器電壓 (V CAP ) 線性充電至與電池相同的電壓電位 (V BATT）。資料德州儀器　　該恒定電流能夠?qū)㈦娙萜麟妷?(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使用具有遲滯電感器電流控制的降壓拓?fù)涞挠性搭A(yù)充電線性行為。資料德州儀器　　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　　德州儀器 (TI) 的高壓固態(tài)繼電器有源預(yù)充電參考設(shè)計(jì)引入了一種有源解決方案，可提高能量傳輸效率并縮短實(shí)際充電時(shí)間。TI 的TPSI3052-Q1是一款用于有源預(yù)充電參考設(shè)計(jì)的完全集成隔離式偏置電源，它可以為隔離式次級(jí)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因素。公式 4將柵極驅(qū)動(dòng)功率 (P GATE DRIVE ) 描述為柵極驅(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 15V。

　　公式 5將柵極驅(qū)動(dòng)電流描述為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 總柵極電荷 (Q G ) 和開關(guān)頻率 (FSW )的乘積。

　　公式 6表達(dá)了在整個(gè)充電期間F SW如何根據(jù) V CAP變化，從而在圖 3中的 F SW與 V CAP曲線中形成上下顛倒的拋物線。如圖所示，柵極驅(qū)動(dòng)電流在最大開關(guān)頻率 (FSW_MAX )處達(dá)到峰值，這發(fā)生在 V CAP達(dá)到 V BATT的一半時(shí)。公式 7表達(dá)了 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顯示 F SW與 V CAP和 F SW LIMIT的計(jì)算器曲線。資料德州儀器
　　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)需要更改灰色單元值。白色單元格將計(jì)算值顯示為輸出。單元格右上角的紅色三角形表示有錯(cuò)誤；用戶將能夠看到有關(guān)如何修復(fù)這些問題的彈出文本。目標(biāo)是在沒有紅細(xì)胞的情況下實(shí)現(xiàn)成功的配置。這可以是一個(gè)迭代過程，用戶可以將鼠標(biāo)懸停在每個(gè)單位單元上以閱讀解釋信息。
　　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基于 V BATT、 t CHARGE和 C DC LINK系統(tǒng)參數(shù)的所需充電電流 (I CHARGE REQUIRED ) 。資料德州儀器　　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。平均電感器電流本質(zhì)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)算出來的，以滿足所需的 t CHARGE?！　≌?qǐng)注意公式 7 中所示的 L、dI 和 F SW_MAX之間的關(guān)系。L和 dI 均與 F SW成反比，因此選擇不超過最大開關(guān)頻率限制 (FSW LIMIT)的值非常重要）。您的電感器選擇應(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 ) 和額定電壓，并有足夠的余量作為每個(gè)參數(shù)的緩沖器。

　　圖 5電感和充電電流編程參數(shù)。資料德州儀器
　　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)算滿足峰值 (I L PEAK ) 和谷值( I L VALLEY ) 上一節(jié)中指定的電感器電流閾值。輸入電流檢測電阻 (R SENSE ) 和 R B。這些是靈活的，可以根據(jù)需要進(jìn)行更改。確保比較器電源電壓 (V S COMPARATOR ) 正確。

　　圖 6計(jì)算滿足峰值 (I L PEAK ) 和谷值 (I L VALLEY ) 電感器電流所需的磁滯電路周圍的底部電阻 (R B )、頂部電阻 (R T ) 和磁滯電阻 (R H ) 的部分閾值。資料德州儀器
　　偏置電源和開關(guān)頻率限制　　圖 7所示的計(jì)算器部分通過首先計(jì)算與遲滯電路電阻 (P COMP.RESISTORS ) 相關(guān)的總功耗 (P TOTAL )來計(jì)算可用于開關(guān) MOSFET 的功率 (P剩余用于 FET 驅(qū)動(dòng)器) ，柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) (P GATE DRIVER IC ) 和比較器 IC (P COMPARATOR IC )，并從 TPSI3052-Q1 的最大可用功率 (P MAX_ISOLATED BIAS SUPPLY ) 中減去它。輸入 MOSFET 總柵極電荷 (Q G TOTAL )、器件靜態(tài)電流 (IS 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計(jì)算 F SW LIMIT，如圖 3 中的紅線所示。

　　圖 7隔離偏置電源和開關(guān)頻率限制參數(shù)。資料德州儀器
　　該計(jì)算器工具做出某些假設(shè)，并且沒有考慮比較器延遲以及 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)流二極管的功率損耗在可接受的范圍內(nèi)。最后，選擇一個(gè)相對(duì)于電流檢測峰值和谷值電壓具有低失調(diào)電壓和低滯后電壓的比較器。使用最終計(jì)算器值對(duì)電路進(jìn)行仿真可確保預(yù)期的操作。