电动汽车 (EV) 通常配备大型直流母线电容器 (C DC LINK )，以地减少牵引逆变器输入端的电压纹波。当电动汽车通电时，预充电的目的是在车辆运行之前对C DC LINK进行安全充电。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，随着时间的推移，电弧可能会导致灾难性故障。
　　传统的预充电方法涉及实现与 C DC LINK串联的功率电阻器，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、有源预充电电路的简单方法。

　　无源预充电采用功率电阻器来创建 RC 电路，对电容器进行渐近充电，而有源预充电则可以采用具有降压拓扑的开关转换器，该拓扑使用迟滞电感器电流控制来向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迟滞电感器电流控制向电容器提供恒定充电电流，从而使电容器电压 (V CAP ) 线性充电至与电池相同的电压电位 (V BATT）。资料来源：德州仪器

　　该恒定电流能够将电容器电压 (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使用具有迟滞电感器电流控制的降压拓扑的有源预充电线性行为。资料来源：德州仪器

　　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

　　德州仪器 (TI) 的高压固态继电器有源预充电参考设计引入了一种有源解决方案，可提高能量传输效率并缩短实际充电时间。TI 的TPSI3052-Q1是一款用于有源预充电参考设计的完全集成隔离式偏置电源，它可以为隔离式次级次级提供高达 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因素。公式 4将栅极驱动功率 (P GATE DRIVE ) 描述为栅极驱动电流 (I GATE DRIVE ) 和栅极驱动电压 (V S GATE DRIVER )的乘积) 在参考设计中为 15V。

　　公式 5将栅极驱动电流描述为金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 总栅极电荷 (Q G ) 和开关频率 (FSW )的乘积。

　　公式 6表达了在整个充电期间F SW如何根据 V CAP变化，从而在图 3中的 F SW与 V CAP曲线中形成上下颠倒的抛物线。如图所示，栅极驱动电流在开关频率 (FSW_MAX )处达到峰值，这发生在 V CAP达到 V BATT的一半时。公式 7表达了 F SW_MAX、V BATT、电感 (L) 和峰峰值电感电流 (dI)之间的关系：

　　图 3显示 F SW与 V CAP和 F SW LIMIT的计算器曲线。资料来源：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值。白色单元格将计算值显示为输出。单元格右上角的红色三角形表示有错误；用户将能够看到有关如何修复这些问题的弹出文本。目标是在没有红细胞的情况下实现成功的配置。这可以是一个迭代过程，用户可以将鼠标悬停在每个单位单元上以阅读解释信息。
　　预充电系统要求
　　计算器的部分如图 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基于 V BATT、 t CHARGE和 C DC LINK系统参数的所需充电电流 (I CHARGE REQUIRED ) 。资料来源：德州仪器

　　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。平均电感器电流本质上等于 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 中所示的 L、dI 和 F SW_MAX之间的关系。L和 dI 均与 F SW成反比，因此选择不超过开关频率限制 (FSW LIMIT)的值非常重要）。您的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 ) 和额定电压，并有足够的余量作为每个参数的缓冲器。

　　图 5电感和充电电流编程参数。资料来源：德州仪器
　　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峰值 (I L PEAK ) 和谷值( I L VALLEY ) 上一节中指定的电感器电流阈值。输入电流检测电阻 (R SENSE ) 和 R B。这些是灵活的，可以根据需要进行更改。确保比较器电源电压 (V S COMPARATOR ) 正确。

　　图 6计算满足峰值 (I L PEAK ) 和谷值 (I L VALLEY ) 电感器电流所需的磁滞电路周围的底部电阻 (R B )、顶部电阻 (R T ) 和磁滞电阻 (R H ) 的部分阈值。资料来源：德州仪器
　　偏置电源和开关频率限制

　　图 7所示的计算器部分通过首先计算与迟滞电路电阻 (P COMP.RESISTORS ) 相关的总功耗 (P TOTAL )来计算可用于开关 MOSFET 的功率 (P剩余用于 FET 驱动器) ，栅极驱动器集成电路 (IC) (P GATE DRIVER IC ) 和比较器 IC (P COMPARATOR IC )，并从 TPSI3052-Q1 的可用功率 (P MAX_ISOLATED BIAS SUPPLY ) 中减去它。输入 MOSFET 总栅极电荷 (Q G TOTAL )、器件静态电流 (IS 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 F SW LIMIT，如图 3 中的红线所示。

　　图 7隔离偏置电源和开关频率限制参数。资料来源：德州仪器
　　该计算器工具做出某些假设，并且没有考虑比较器延迟以及 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 和续流二极管的功率损耗在可接受的范围内。，选择一个相对于电流检测峰值和谷值电压具有低失调电压和低滞后电压的比较器。使用终计算器值对电路进行仿真可确保预期的操作。