動力,鋰電池短路保護mos 選擇

1、鉛酸電池具有安全、便宜、易維護的特點，因此目前仍然廣泛的應用于電動自行車。但是鉛 酸電池污染大、笨重、循環(huán)次數(shù)少，隨著世界各國對環(huán)保要求越來越高，鉛酸電池的使用會 越來越受到限制。磷酸鐵鋰電池作為一種新型的環(huán)保電池，開始逐步的應用到電動車中，并 且將成為發(fā)展趨勢。通常，由于磷酸鐵鋰電池的特性，在應用中需要對其充放電過程進行保 護，以免過充過放或過熱，以保證電池安全的工作。短路保護是放電過程中一種極端惡劣的 工作條件，本文將介紹功率MOSFET在這種工作狀態(tài)的特點，以及如何選取功率MOSFET 型號和設計合適的驅(qū)動電路。電路結(jié)構(gòu)及應用特點電動自行車的磷酸鐵鋰電池保護板的放電電路的簡化模型如圖1所

2、示。Q1為放電管，使用 N溝道增強型MOSFET，實際的工作中，根據(jù)不同的應用，會使用多個功率MOSFET并聯(lián) 工作，以減小導通電阻，增強散熱性能。RS為電池等效內(nèi)阻，LP為電池引線電感。正常工作時，控制信號控制MOSFET打開，電池組的端子P+和P-輸出電壓，供負載使用。 此時，功率MOSFET 一直處于導通狀態(tài)，功率損耗只有導通損耗，沒有開關(guān)損耗，功率 MOSFET的總的功率損耗并不高，溫升小，因此功率MOSFET可以安全工作。但是，當負載發(fā)生短路時，由于回路電阻很小，電池的放電能力很強,所以短路電流從正常 工作的幾十安培突然增加到幾百安培，在這種情況下，功率MOSFET容易損壞。鋰電池短

3、路保護的難點（1）短路電流大在電動車中，磷酸鐵鋰電池的電壓一般為36V或48V，短路電流隨電池的容量、內(nèi)阻、線 路的寄生電感、短路時的接觸電阻變化而變化，通常為幾百甚至上千安培。短路保護時間不能太短在應用過程中，為防止瞬態(tài)的過載使短路保護電路誤動作，因此，短路保護電路具有一定的 延時。且由于電流檢測電阻的誤差、電流檢測信號和系統(tǒng)響應的延時，通常，根據(jù)不同的應 用，將短路保護時間設置在200 uS至1000US，這要求功率MOSFET在高的短路電流下， 能夠在此時間內(nèi)安全的工作，這也提高了系統(tǒng)的設計難度鋰電池短路保護 當短路保護工作時，功率MOSFET 一般經(jīng)過三個工作階段：完全導通、關(guān)斷、雪崩

4、，如圖2所示，其中VGS為MOSFET驅(qū)動電壓，VDS為MOSFET漏極電壓，ISC為短路電流， 圖2(b)為圖2(a)中關(guān)斷期間的放大圖。格a QD Vo 2飢 QApMjlSMW劃畀格a QD Vo 2飢 QApMjlSMW劃畀sMill；luKinimw a J1H Drf 2Q i完全導通階段由)關(guān)斷和雪贈階段(1)完全導通階段o口仔汕打小J15iI1.3ueli V/ Tlg亠亠i2產(chǎn)尸- h#0 VO io. nv.血屮J Tih Drl1 2OF l|10 k ixilets4.d A -14:14:33：如圖2(a)所示，短路剛發(fā)生時，MOSFET處于完全導通狀態(tài)，電流迅速上升

5、至最大電流， 在這個過程，功率MOSFET承受的功耗為PON=ISC2*RDS(on),所以具有較小RDS(on)的 MOSFET功耗較低。功率MOSFET的跨導Gfs也會影響功率MOSFET的導通損耗。當MOSFET的Gfs較小且 短路電流很大時，MOSFET將工作在飽和區(qū)，其飽和導通壓降很大，如圖3所示，MOSFET的VDS(ON)在短路時達到14.8V, MOSFET功耗會很大，從而導致MOSFET因過功耗而失 效。如果MOSFET沒有工作在飽和區(qū)，則其導通壓降應該只有幾伏，如圖2(a)中的VDS所 /示Orvwwp 血0】| CS. E J T40應,格 rvwwp 血0】| CS.

6、E J T40應,格 F M 3 工00 v Im目亠啊即oJU.a vl.iann奪14. ry乜1. it什、-厲Isc 200A/-格煩20U格咖片鮎附5i .0 jgggfig I gg 皿il2)關(guān)斷階段如圖2(b)所示，保護電路工作后，開始將MOSFET關(guān)斷，在關(guān)斷過程中MOSFET消耗的功 率為POFF=V*I,由于關(guān)斷時電壓和電流都很高，所以功率很大，通常會達到幾千瓦以上， 因此MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時，MOSFET在關(guān)斷期間處于飽和區(qū)，容易 發(fā)生各單元間的熱不平衡從而導致MOSFET提前失效。提高關(guān)斷的速度，可以減小關(guān)斷損耗，但這會產(chǎn)生另外的問題o MOSF

7、ET的等效電路如圖4 所示，其包含了一個寄生的三極管。在MOSFET短路期間，電流全部通過MOSFET溝道流 過，當MOSFET快速關(guān)斷時，其部分電流會經(jīng)過Rb流過，從而增加三極管的基極電壓， 使寄生三極管導通，MOSFET提前失效。因此，要選取合適的關(guān)斷速度。由于不同MOSFET承受的關(guān)斷速率不同，需要通過實際的 測試來設置合適的關(guān)斷速度。圖5(a)為快速關(guān)斷波形，關(guān)斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關(guān)斷MOSFET， 圖5(b)為慢速關(guān)斷電路，在回路中串一只電阻來控制放電速度，增加電阻可以減緩關(guān)斷速度。() 快謹關(guān)晰電路(b)慢速關(guān)斷電路() 快謹關(guān)晰電路(b)慢速關(guān)斷電路圖5：功率

8、MOSFET關(guān)斷電路。(a)快速關(guān)斷電路；(b)慢速關(guān)斷電路*A.4dbft I68 VVgs68 VVgs 5V稱:不坎嫌 Isr-加o直丿格Vm 20V.2曲格Ji nd MH17. M1 “04Ji nd MH17. M1 “04iddRiwi.lu* jgj. ?dui(a)快速關(guān)斷波形(b)慢題關(guān)耕波形圖6： AOT266關(guān)斷波形。(a)快速關(guān)斷波形；(b)慢速關(guān)斷波形AOT266為AOS新一代的中壓MOSFET,其耐壓為60V, RDS(ON)僅為3.2毫歐，適合在 磷酸鐵鋰電保護中的應用。圖6(a)為AOT266在不正確的設計時快速關(guān)斷的波形，AOT266 在快關(guān)斷過程中失效，失

9、效時其電壓尖峰為68V，失效后電流不能回零，其失效根本原因是 關(guān)斷太快。圖6(b)為使用正確的設計、放電電阻為1K時的慢速關(guān)斷波形，MOSFET的關(guān)斷 時間達到13.5us,電壓尖峰為80.8V,但MOSFET沒有失效，因此慢速關(guān)斷在這種應用中 可以提高短路能力。雪崩階段在MOSFET關(guān)斷過程的后期，MOSFET通常會進入雪崩狀態(tài)，如圖2(b)中的雪崩階段。關(guān) 斷后期MOSFET漏極電壓尖峰為VSPIKE=VB+LP*di/dt，回路的引線電感LP和di/dt過大 均會導致MOSFET過壓，從而導致MOSFET提前失效。功率MOSFET的選取原則(1 )通過熱設計來確定所需并聯(lián)的MOSFET數(shù)量和合適的RDS(ON)；盡量選擇較小RDS(ON)的MOSFET，從而能夠使用較少的MOSFET并聯(lián)。多個MOSFET 并聯(lián)易發(fā)生電流不平衡，對于并聯(lián)的MOSFET應該有獨立的并且相等的驅(qū)動電阻，以防止 MOSFET間形成震蕩；基于最大短路電流、并聯(lián)的MO