ZHCUAP1A 设计指南 | 德州仪器 TI.com.cn

ZHCUAP1A December 2022 – January 2023

2.2.2 整个充电周期的行为

由于最初没有电流流过 R_SHUNT，电路逻辑导通晶体管 M1。当晶体管 M1 导通时，流经电感器的电流开始上升，其恒定充电速率如#GUID-52FCC229-1F7E-4BF5-94B5-FFCBDF10D2B8 中的 I 所示。一旦电感器中的电流增加，R_SHUNT 上的电压生成电压 V_H，比较器的输出切换到 0V，此时晶体管 M1 关闭。当该晶体管关断时，流经电感器的电流会尝试继续沿相同方向流动。电感器的磁场将在开关节点 (SW) 上强制施加负电压。一旦电压达到续流二极管 D1 的正向压降，该二极管将导通，从而在电感器上产生负电压，并且流经电感器的电流开始减小，如#GUID-52FCC229-1F7E-4BF5-94B5-FFCBDF10D2B8 所示。当流经电感器的电流在 R_SHUNT 上产生等于 V_L 的电压时，比较器的输出将变为高电平 5V。此时，晶体管 M1 导通，开关周期重复，直到电容器中的输出电压等于输入电压。一旦输出电压等于输入电压，电感器中就不会有电流流入，晶体管 M1 将保持导通状态，直到预充电电路关闭。

图 2-2 充电曲线行为

将流经电感器的电流分为三个不同的部分 I、II 和 III，可以对其进行研究。请参阅#GUID-52FCC229-1F7E-4BF5-94B5-FFCBDF10D2B8。有必要将电流分为这三个部分并了解相关性，因为该行为将直接影响设计要求。第 I 和 III 部分具有最快的压摆率。这种快速压摆率是由电感器上的高电压导致的。最初，电容器没有任何电荷，M1 导通时电感器两端的电压将是电池电压。在选择比较器和推挽驱动器时，必须仔细考虑压摆率。这些元件的传播延迟将合计到总体控制环路延迟。

以下公式描述了压摆率的行为。最快的压摆率发生在预充电周期开始时，其中 V 等于系统电压（例如 800V）。因此，只能操作电感值来设置峰值压摆率。电感越高，流经电感器的电流的压摆率就越低。

Equation12.

\frac{d I}{d t} = \frac{V}{L}

例如，如果将电感为 560uH 的 800V 系统设计为具有 8A 的 I_PEAK，则 di/dt 为 1.429A/us，环路传播延迟为 1us。那么，有效的 I_PEAK 将为 9.429A，而不是 8A。

除了压摆率，另一个重要规格是所需的最大开关频率。由于 TPSI3052-Q1 的功率传输受限，因此在为控制环路器件供电后，需要确保 TPSI3052-Q1 能够实现预期的开关频率，这一点至关重要。以下公式描述了预充电周期中看到的最大开关频率与设计元件之间的关系。只能设置两个设计参数以确保开关频率保持低电平。电感和电流摆幅 dI。此时很容易看出，电感器是此设计的关键元件。具有高电流额定值的高电感值是限制系统开关频率和压摆率的理想选择。计算设计预充电期间的最大开关频率后，使用 TPSI3052-Q1 Excel 计算器确保 TPSI3052-Q1 能够以该开关频率提供必要的电源。

Equation13.

F_{M A X} = \frac{\frac{V b a t t}{2}}{2 \times L \times d I}

V_batt = 电池电压

L = 电感

di = 电感器峰峰值电流

现在，所有公式和限制都已通过公式进行研究和定义，因此可以更轻松地完成此参考设计的设计过程。

表 2-1 设计要求

规格	最大值	说明
电池电压	800-V	本设计过程中使用了 800V 系统的情况。
系统总电容	2mF	该值表示 HV 直流链路总线上所有电容的总和。
所需充电时间	400ms	电容器需要从完全放电、0V 充电至 800V 电池电压电平的持续时间。最好使用较短的预充电时间，以便车辆在通电后快速启动。
最大开关频率	50KHz	开关频率受 TPSI3052-Q1 的最大功率传输限制。取决于 FET 的总栅极电荷 (Qg)、电感和允许的纹波电流。

图 2-3 方框图

为此设计计算的第一个值是在所需时间内为电容器预充电所需的平均电流。

Equation14.

I = C \frac{d V}{d t} = \frac{(2 m F) (800 V)}{(400 m s)} = 4 A

平均电流对于充电时间要求很重要，但对于该系统来说，峰峰值电流 (dI) 更重要。由于必须限制开关频率，因此 dI 必须足够大，才能保持开关频率受限。对于该设计，所选的 I_PEAK 为 8A、I_MIN 为 0.5A，总 dI 为 7.5A。此外，电感值将是帮助降低开关频率的另一个关键参数。本设计中选择的电感器具有 560uH 的电感、8.6A 的饱和电流额定值、4.6A 的 RMS 电流额定值和 1000V 的额定电压。该电感器满足我们的额定电压或 800V、I_PEAK 0f 8A 和 I_AVG 4A。以下公式描述了系统的预期最大开关频率和最大压摆率。

Equation15.

F_{M A X} = \frac{\frac{V b a t t}{2}}{2 \times L \times d I} = \frac{400 V}{2 (560 u H) (7.5 A)} = 47 k H z

Equation16.

\frac{d I}{d t} = \frac{V}{L} = \frac{800 V}{560 u H} = 1 A / u s

前面的公式描述了最快的电流斜率。当预充电刚刚开始并且电容器上的电压为 0V 时，就会发生这种情况。该值至关重要，因为如果控制环路具有 1us 传播延迟，则峰值电流可能比预期高 1A。确定 I_PEAK 和 I_MIN 后，必须计算比较器的阈值，并据此计算用于迟滞的电阻器。以下公式展示了如何计算这些值。

Equation17.

V_{H} = I_{P E A K} \times R_{S H U N T} = 8 A \times 100 m Ω = 800 m V

Equation18.

V_{L} = I_{M I N} \times R_{S H U N T} = 0.5 A) \times 100 m Ω = 50 m V

Equation19.

\frac{R_{2}}{R_{1}} = \frac{V_{L}}{V_{H} - V_{L}} = \frac{50 m V}{800 m V - 50 m V} \approx 0.06666

Equation20.

\frac{R_{3}}{R_{1}} = \frac{V_{L}}{+5 V_V i s o - V_{H}} = \frac{50 m V}{5 V - 800 m V} \approx 0.0119

如果 R₁ = 200kΩ，则 R₂ = 13.3kΩ，且 R₃ = 2.38kΩ。

完成此设计的最后一步是选择 FET 和续流二极管。对于 FET，建议选择具有低栅极电荷 (_Qg) 的 FET。低 Q_g 将使 TPSI3052-Q1 实现更高的开关频率。访问以下 Excel 计算器，帮助根据总 Q_g 计算最大开关频率。