設計高壓直流母線電容器的有源預充電電路

原創 EDN電子技術設計 2025-10-30 11:11

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簡介

電動汽車 (EV) 通常配備大容量直流母線電容器 (C_{DC LINK})，以減小牽引逆變器輸入端的電壓紋波。當電動汽車啟動時，預充電的目的是在車輛運行前安全地為 C_{DC LINK} 充電。將 C_{DC LINK} 充電至電池組電壓 (V_BATT) 可防止接觸器端子產生電弧，長期來看這種電弧可能導致災難性故障。

傳統的預充電方法是串聯一個功率電阻器與 C_{DC LINK} 形成阻容 (RC) 網絡。然而，隨著 C_{DC LINK} 總電容和 V_BATT 電壓的升高，所需耗散功率呈指數級增長。本文將通過電子表格計算工具，介紹一種設計高效有源預充電電路的簡明方法。

了解有源預充電

被動預充電采用功率電阻器構建 RC 電路，使電容器以漸進方式充電；而主動預充電可采用帶降壓拓撲的開關轉換器，通過遲滯電感電流控制為電容器提供恒定充電電流 (圖 1)。

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

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

采用帶遲滯電感電流控制的降壓拓撲實現的有源預充電線性特性。來源：德州儀器 (TI) 圖 2 采用帶遲滯電感電流控制的降壓拓撲實現的有源預充電線性特性。來源：德州儀器 (TI)

第一步是確定所需的充電電流 (I_CHARGE)。充電電流 I_CHARGE 等于直流母線總電荷量 (Q_{DC LINK}) 與所需預充電時間 (t_CHARGE) 的比值，如公式 2 所示。

方程式 2.

Q_{DC LINK} 等于 C_{DC LINK} 與 V_BATT 的乘積，如公式 3 所示。

方程式 3.

計算器概述

該有源滯環降壓電路的浮動地電位隨開關節點變化，因此控制系統需采用隔離式偏置電源供電。計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，否則電壓將會崩潰。

德州儀器 (TI) 的高壓固態繼電器主動預充電參考設計提出了一種主動解決方案，可提升能量傳輸效率并縮短實際充電時間。TI 的 TPSI3052-Q1 是一款完全集成的隔離式偏置電源，用于主動預充電參考設計，可為隔離側提供高達 83mW 的功率輸出。柵極驅動電流、器件靜態電流和電阻分壓器是功耗的主要來源。公式 4 將柵極驅動功耗 (P_{GATE DRIVE}) 表征為柵極驅動電流 (I_{GATE DRIVE}) 與柵極驅動電壓 (V_{S GATE DRIVER}) 的乘積，在該參考設計中，柵極驅動電壓為 15V。

方程式 4.

公式 5 將柵極驅動電流表征為金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 總柵極電荷 (Q_G) 與開關頻率 (F_SW) 的乘積。

方程式 5.

公式 6 描述了 F_SW 在整個充電周期內隨 V_CAP 變化的規律，這形成了圖 3 中 F_SW 與 V_CAP 曲線的倒拋物線特性。如下圖所示，當 V_CAP 達到 V_BATT 一半時，柵極驅動電流在最大開關頻率 (F_{SW_MAX}) 處達到峰值。公式 7 表達了 F_{SW_MAX}、V_BATT、電感值 (L) 與峰峰值電感電流 (dI) 之間的關系：

方程式 6.

方程式 7.

計算曲線圖顯示 FSW 隨 VCAP 的變化關系及 FSW_LIMIT。來源：德州儀器 (TI) 圖 3 計算曲線圖顯示 F_SW 隨 V_CAP 的變化關系及 F_{SW_LIMIT}。來源：德州儀器 (TI)

使用計算器工具

該計算器會提示您輸入各種設計參數。黃色單元格為必填輸入項，灰色單元格表示可選輸入項。灰色單元格中的默認值體現了參考設計的參數設置。用戶可根據需要修改灰色單元格中的數值。白色單元格顯示計算得出的輸出值。單元格右上角的紅色三角形標識表示存在錯誤，用戶可查看彈出提示文本了解修復方法。目標是實現無紅色單元格的成功配置。這可以是一個迭代過程，用戶可將鼠標懸停在各單元格上方，查看說明信息。

預充電系統要求

計算器的第一部分（如圖 4 所示）計算所需的充電電流

(I_{CHARGE REQUIRED}) 根據 V_BATT、t_CHARGE 以及 C_{DC LINK} 系統參數計算得出。

所需充電電流 (ICHARGE REQUIRED) 根據系統參數 VBATT、tCHARGE 和 CDC LINK 計算得出。來源：德州儀器 (TI) 圖 4 所需充電電流 (I_{CHARGE REQUIRED}) 根據系統參數 V_BATT、t_CHARGE 和 C_{DC LINK} 計算得出。來源：德州儀器 (TI)

電感和充電電流編程

圖 5 中所示計算器部分用于計算實際平均充電電流 (I_CHARGE) 和 F_{SW_MAX}。平均電感電流本質上等同于 I_CHARGE，而 I_CHARGE 必須大于或等于 I_{CHARGE REQUIRED}，該值在前一節中已計算得出，以滿足預期的充電時間 t_CHARGE 要求。

請注意 L、dI 與 F_{SW_MAX} 之間的關系，如公式 7 所示。L 與 dI 均與 F_SW 成反比，因此所選參數值不得超過最大開關頻率限制 (F_{SW LIMIT})。電感器的選型應滿足足夠的有效值電流 (I_RMS > I_CHARGE)、飽和電流 (I_SAT > I_{L PEAK}) 以及電壓額定值，并為各項參數預留足夠的裕量作為緩沖。

電感和充電電流編程參數。來源：德州儀器 (TI) 圖 5 電感和充電電流編程參數。來源：德州儀器 (TI)

電流檢測和比較器設定點

圖 6 中顯示的計算器部分會計算遲滯電路所需的底部電阻 (R_B)、頂部電阻 (R_T) 和遲滯電阻 (R_H)，以滿足前文設定的峰值電感電流 (I_{L PEAK}) 和谷值電感電流 (I_{L VALLEY}) 閾值。輸入電流傳感電阻 (R_SENSE) 和 R_B。它們非常靈活，可以根據需要進行更改。確保比較器電源電壓 (V_{S COMPARATOR}) 正確。

該部分計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) 圖 6 該部分計算遲滯電路所需的底部電阻 (R_B)、頂部電阻 (R_T) 和遲滯電阻 (R_H)，以滿足設定的峰值電感電流 (I_{L PEAK}) 和谷值電感電流 (I_{L VALLEY}) 閾值要求。來源：德州儀器 (TI)

偏置電源和開關頻率限制

圖 7 中顯示的計算器部分通過以下步驟計算可用于 MOSFET 開關的剩余功率 (P_{REMAINING FOR FET DRIVE})：首先計算總功耗 (P_TOTAL)，包含遲滯電路電阻器功耗 (P_{COMP.RESISTORS})、柵極驅動集成電路 (IC) 功耗 (P_{GATE DRIVER IC}) 和比較器 IC 功耗 (P_{COMPARATOR IC})；然后從 TPSI3052-Q1 隔離偏置電源的最大可用功率 (P_{MAX_ISOLATED BIAS SUPPLY}) 中減去該總功耗值。輸入 MOSFET 總柵極電荷 (Q_{G TOTAL})、器件靜態電流（I_{S GATE DRIVER IC} 和 I_{SUPPLY COMP IC}）以及柵極驅動 IC 的電源電壓 (V_{S GATE DRIVER IC})。該工具使用這些輸入參數來計算 F_{SW LIMIT}，并在圖 3 中顯示為一條紅線。

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

該計算器工具基于某些假設，未考慮以下因素：MOSFET 和續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。請務必選擇具有合適額定電壓、R_DSON 以及寄生電容參數的 MOSFET。請確保 MOSFET 和續流二極管的功率損耗均在允許范圍內。最后，請選擇一款相對于電流檢測峰值和谷值電平電壓具有低偏移和低遲滯電壓的比較器。用計算器得出的最終參數進行電路仿真，可確保系統按預期運行。

實現了所需的充電曲線

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

本文闡述了通過計算確定合適元件參數的設計流程，以實現預期的充電特性曲線。

采用這些技術與工具后，工程師能夠有效提升電動汽車的預充電功能，從而優化電源管理系統，滿足汽車行業日益增長的技術需求。