ZHCAEB8 August 2024 AFE539F1-Q1
引言
圖 1 牽引逆變器的簡(jiǎn)化框圖每個(gè)牽引逆變器中都有直流鏈路電容器，該電容器與高壓電池和功率級(jí)并聯(lián)（請(qǐng)參閱圖 1）。直流鏈路電容器具有多種功能，例如幫助使電壓紋波變得平滑、濾除不必要的諧波和降低噪聲。
為了確保運(yùn)行安全，直流鏈路電容器必須在兩種不同的工作場(chǎng)景下進(jìn)行放電：一是在正常運(yùn)行中，例如車輛熄火后；二是在緊急情況下，例如車輛碰撞后或維護(hù)期間出現(xiàn)危險(xiǎn)故障時(shí)。該放電過程旨在保護(hù)乘客或維護(hù)人員，盡可能地降低因接觸帶電部件或潛在火災(zāi)危險(xiǎn)而造成人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)制造商的安全評(píng)估，該應(yīng)用通常被評(píng)為 ASIL-B 級(jí)別。
本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)重點(diǎn)介紹了緊急操作，并在后續(xù)內(nèi)容中描述了相關(guān)規(guī)范。在標(biāo)稱電池電壓為 800VDC 的情況下，該電路屬于電壓等級(jí) B，即在 60V < VDC ≤ 1500V 范圍。根據(jù) ISO 6469 第 4 部分的規(guī)定，從車輛發(fā)生碰撞后停止的那一刻起，在最壞情況下，總線電壓必須在 5 秒內(nèi)達(dá)到并保持在 60VDC 以下。
在使用系統(tǒng)當(dāng)前的元件時(shí)，有多種方法可以進(jìn)行主動(dòng)放電。一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將功率級(jí)或電機(jī)繞組用作耗能元件，并由 MCU 控制以實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電。然而，由于這些方法可能導(dǎo)致元件壽命提前退化以及對(duì) MCU 的依賴，一些制造商的安全評(píng)估不允許使用此類方法。因此，通常會(huì)添加一個(gè)單獨(dú)的電路來解決這些問題。
AFE539F1-Q1 是一款專為主動(dòng)放電應(yīng)用設(shè)計(jì)的模擬前端。該器件具有一個(gè) 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入和一個(gè) 7 位脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出，并包含一個(gè)具有預(yù)編程恒定功率耗散控制的集成式狀態(tài)機(jī)，能夠充當(dāng)電壓至 PWM 轉(zhuǎn)換器。因此，該器件無需 MCU 即可對(duì)直流鏈路電容器進(jìn)行放電。與常用設(shè)計(jì)相比，采用 TI 的 AFE539F1-Q1 可降低總體 BOM 成本并減小功率電阻器的重量和尺寸（請(qǐng)參閱傳統(tǒng)方法：強(qiáng)制放電）。
表 1 概述了典型規(guī)格，這些規(guī)格是本簡(jiǎn)報(bào)中的系統(tǒng)假設(shè)。這些規(guī)格可能會(huì)因牽引逆變器制造商的安全理念而有所不同。
| 參數(shù) | 規(guī)格 |
|---|---|
| 電容器最大電壓 | 1000VDC |
| 安全電壓閾值 | 60VDC |
| 電容器容值 | 1mF |
| 耗散時(shí)間 | < 5s |
| BMS 斷開連接 | 是 |
傳統(tǒng)方法：強(qiáng)制放電
圖 2 顯示了直流鏈路電容器放電電路的典型實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)直流鏈路電容器與任何電源斷開連接時(shí)，激活的電源開關(guān)會(huì)通過功率電阻器 Rload 耗散剩余電能。這種方法對(duì)低功耗應(yīng)用而言簡(jiǎn)單而有效，因?yàn)樵诖祟悜?yīng)用中，功率電阻器的成本對(duì)總體物料清單 (BOM) 影響不大。然而，對(duì)于涉及高電壓和大功率耗散的應(yīng)用，情況則并非如此。功率電阻器的成本占比高達(dá) 85%，從而成為 BOM 的重要組成部分。
圖 2 采用 TPSI3050-Q1 的傳統(tǒng)強(qiáng)制放電方法圖 2 所示為傳統(tǒng)強(qiáng)制放電方法的簡(jiǎn)化框圖。該設(shè)計(jì)采用 TPSI3050-Q1 作為柵極驅(qū)動(dòng)器，并且通過 EN 引腳提供主電源。
電容器的放電呈負(fù)指數(shù)衰減，如方程式 1 所示：
其中
- U0 = 初始電容器電壓，單位為 V
- C = 直流鏈路電容，單位為 F
- R = Rload 電阻，單位為 Ω
在給定的系統(tǒng)假設(shè)下，電阻大小可以按照方程式 2 進(jìn)行計(jì)算。
使用 1600Ω 作為最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值時(shí)，電路會(huì)在 4.5 秒內(nèi)達(dá)到 60VDC。根據(jù)歐姆定律，峰值電流為 625mA。因此，功率電阻器的額定功率必須為 625W（參閱圖 3，t = 0 秒時(shí)的功率）。這個(gè)計(jì)算考慮了放電電路的頻繁使用，因此 Rload 不會(huì)損壞，周圍的電路板區(qū)域也不會(huì)過熱。如果該電路僅用作備用緊急放電，則電阻器在每次使用之間有足夠的冷卻時(shí)間。因此，可以考慮功率電阻器的過載情況。
圖 3 使用強(qiáng)制放電方法時(shí)功率隨時(shí)間的分布情況使用 PWM 實(shí)現(xiàn)恒定功率耗散
使用電阻器作為熱耗散元件時(shí)，額定功率是決定電阻器成本、重量和尺寸的主要因素。圖 3 中的功率曲線表明，功率耗散會(huì)自然呈指數(shù)級(jí)下降。
圖 4 改變有效電阻為了更均勻地分配功率耗散，低側(cè)開關(guān)通過向該電路施加不同的占空比來改變有效電阻 Reff。（請(qǐng)參閱圖 4 和方程式 3。）
其中
- D = 占空比且 0 ≤ D ≤ 1
AFE539F1-Q1 器件基本上充當(dāng)電壓至 PWM 轉(zhuǎn)換器。這樣可實(shí)現(xiàn)低占空比，因此在早期放電階段具有更高的電阻。隨著時(shí)間的推移，占空比逐漸增加，電阻也逐步降低到 Rload。該配置在非易失性存儲(chǔ)器中單獨(dú)編程，其中包含放電曲線。因此，激活后，此電路就可以在本地運(yùn)行，無需額外的 MCU。
從系統(tǒng)角度來看，以恒定功率耗散方式對(duì)直流鏈路電容器進(jìn)行放電有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，如前所述，這種方法有助于降低功率電阻器的額定功率要求。其次，這直接適用無論是單獨(dú)購(gòu)買還是集成的各個(gè)散熱器。通過保持恒定的高溫，可以在整個(gè)放電過程中充分利用散熱器的完整熱容量，而不需要針對(duì)早期放電階段的最壞情況來確定散熱器的大小。此外，均勻的電流和熱耗散分布可以延長(zhǎng)直接使用的器件（例如電源開關(guān)或分流器）或電路周圍物理分布的器件的壽命。
電阻式主動(dòng)放電電路在高壓側(cè)實(shí)現(xiàn)，也稱為熱側(cè)或電源板。AFE539F1-Q1 通過檢測(cè)總線電壓來向柵極驅(qū)動(dòng)器輸出不同的 PWM 信號(hào)，然后由柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)操作電源開關(guān)。UCC27531-Q1 是一款簡(jiǎn)單且成本敏感的單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，可用于驅(qū)動(dòng) IGBT、Si-FET 或 SIC-FET。由于 AFE539F1-Q1 需要將測(cè)量的直流鏈路電壓作為輸入值，因此需要一個(gè)電阻分壓器。為了在相當(dāng)長(zhǎng)的電阻器鏈中節(jié)省空間并限制整個(gè)生命周期內(nèi)的漂移，建議使用高精度 RES60A-Q1 分壓器。該電路可通過使用柵極驅(qū)動(dòng)器 UCC27531-Q1 的 EN 引腳來激活。數(shù)字隔離器器件 ISO6721-Q1 用于傳輸來自低壓側(cè)的使能信號(hào)，該信號(hào)可以由 MCU、監(jiān)控器或任何失效防護(hù)邏輯觸發(fā)。
通常，每次啟動(dòng)時(shí)都會(huì)測(cè)試直流鏈路電容器的放電情況，以確保其正常工作。為了避免過度使用電池連接繼電器，可以使用分流器來檢測(cè)電流?？梢允褂眠\(yùn)算放大器 LM2904B-Q1 或儀表放大器。電流信號(hào)可以通過相同的雙向數(shù)字隔離器 ISO6721-Q1 傳輸?shù)降蛪簜?cè)。這種監(jiān)控方式可以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)診斷功能。
圖 5 使用 AFE539F1-Q1 通過 PWM 實(shí)現(xiàn)恒定功率耗散計(jì)算與配置
本節(jié)介紹了如何對(duì)主動(dòng)放電電路進(jìn)行計(jì)算，以便根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。
AFE539F1-Q1 具有可通過串行外設(shè)接口 (SPI) 或 I2C 配置的配置參數(shù)。借助相應(yīng)的評(píng)估板，可通過用戶界面 SMART-DAC-EVM-GUI 輕松更改這些值。
- PWM 頻率（1.017kHz 或 0x0B）：在較高頻率下，寄生電感可能會(huì)引發(fā)問題
- 基準(zhǔn)增益（1 ×，使用 VDD 作為基準(zhǔn)）：高滿量程且易于實(shí)現(xiàn)
函數(shù)系數(shù) (K=0x186)：達(dá)到 5 秒系統(tǒng)要求所需（請(qǐng)參閱表 1）
- 最小占空比 (0x00) 和最大占空比 (0x7F)：使用 0% 至 100% 的整個(gè)占空比范圍
要計(jì)算 AFE539F1-Q1 的 ADC 輸入，必須使用表 2 中的數(shù)據(jù)來定義滿量程電壓。設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)較大的滿量程范圍。當(dāng) VDD = 5V 時(shí)，滿量程由 VFS = 5/3V 定義。當(dāng) Vbus = 1000V 時(shí)，電阻分壓器分壓比大約為 599:1。RES60A-Q1 的標(biāo)稱電阻為 12.5MΩ，內(nèi)置比率為 610:1。
| 基準(zhǔn)輸入 | 工作 范圍 | 增益 | VFS（內(nèi)部 除以 3） |
|---|---|---|---|
| 電源 | 1.7V 至 5.5V | 1 × | 0.567V 至 1.833V |
| 外部 | 1.7V 至 5.5V | 1 × | 0.567V 至 1.833V |
| 內(nèi)部 | 1.1979V 至 1.224V | 1.5 × | 0.599V 至 0.612V |
| 2 × | 0.799V 至 0.816V |
現(xiàn)在已設(shè)置滿量程電壓 VFS，ADC 輸入在方程式 5 中被定義為整數(shù)。
其中
- VIN = ADC 輸入，其中 VIN = VBUS *電阻分壓比
- VFS = 由 AFE539F1-Q1 配置定義的 ADC 滿量程
- N = ADC 分辨率 = 8 位
方程式 6 顯示了如何根據(jù)可配置的 K 值計(jì)算占空比。
其中
- PWM 代碼 = 定義為 1 到 127 之間的整數(shù)
- K = 0 到 65535 之間的配置值
將方程式 5 和方程式 6 結(jié)合起來后得到最終的方程式 7。使用方程式 8 來計(jì)算實(shí)際占空比。
同樣，將這些公式結(jié)合后，函數(shù) D (VIN) 確定了占空比如何根據(jù)電壓閾值發(fā)生變化。對(duì)于 PWM 代碼 = 127，占空比被強(qiáng)制設(shè)為 100%。
| PWM 代碼 | 占空比 | 從 Vbus | 至 Vbus |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.78% | 1000V | 628.52V |
| 2 | 1.56% | 628.52V | 512.98V |
| 3 | 2.34% | 512.98V | 445.38V |
| 4 | 3.13% | 445.38V | 397.66V |
| … | … | … | … |
| 127 | 100% | 79.53V |
利用這些閾值并結(jié)合方程式 1 中的負(fù)指數(shù)電容器放電，圖 6 展示了直流鏈路電容器隨時(shí)間的放電情況。在每個(gè)占空比階躍中，有效電阻都會(huì)發(fā)生變化，從而形成不同的圖形部分。
為了選擇功率電阻和 K，同時(shí)仍滿足系統(tǒng)要求，AFE539F1-Q1 隨附了一個(gè)計(jì)算表。線繞電阻器往往具有較高的寄生電感，這可能導(dǎo)致壓擺率增加。因此，建議選擇厚膜電阻器并配合低開關(guān)頻率使用。圖 7 顯示了均勻計(jì)算的功率耗散。
圖 6 K = 390、Vbus = 1000V、比率為 610:1 且 Rload = 50? 時(shí)直流鏈路電壓隨時(shí)間的變化情況
圖 7 K = 390、Vbus = 1000V、比率為 610:1 且 Rload = 50? 時(shí)功率耗散隨時(shí)間的變化情況
結(jié)語
當(dāng)選擇 K = 390、Vbus = 1000V、電阻比為 610:1 且 Rload = 50? 時(shí)，得到的功率耗散如圖 7 所示。此設(shè)置可以在 4.9 秒內(nèi)完成直流鏈路電容器放電，并且峰值功率約為 160W。每次占空比階躍變化都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的尖峰，在電流中也是如此。在沒有 PWM 的情況下，需要額定功率約為 625W 的功率電阻器，才能實(shí)現(xiàn)相同的快速均勻耗散。對(duì)于第二種電路，功率電阻器的 BOM 成本占比高達(dá) 85%?？偟膩碚f，將額定功率從 625W 降低到 160W 可以帶來高達(dá) 50% 的成本節(jié)省。