功率MOSFET的鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

鉛酸電池具有安全、便宜、易維護(hù)的特點(diǎn)，因此目前仍然廣泛的應(yīng)用于電動(dòng)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(guó)對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越高，鉛酸電池的使用會(huì)越來(lái)越受到限制。磷酸鐵鋰電池作為一種新型的環(huán)保電池，開(kāi)始逐步的應(yīng)用到電動(dòng)車中，并且將成為發(fā)展趨勢(shì)。通常，由于磷酸鐵鋰電池的特性，在應(yīng)用中需要對(duì)其充放電過(guò)程進(jìn)行保護(hù)，以免過(guò)充過(guò)放或過(guò)熱，以保證電池安全的工作。短路保護(hù)是放電過(guò)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(diǎn)，以及如何選取功率MOSFET型號(hào)和設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路。

電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)

電動(dòng)自行車的磷酸鐵鋰電池保護(hù)板的放電電路的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。Q1為放電管，使用N溝道增強(qiáng)型MOSFET，實(shí)際的工作中，根據(jù)不同的應(yīng)用，會(huì)使用多個(gè)功率MOSFET并聯(lián)工作，以減小導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)散熱性能。RS為電池等效內(nèi)阻，LP為電池引線電感。

圖1：鋰電池放電拓?fù)?/p>

正常工作時(shí)，控制信號(hào)控制MOSFET打開(kāi)，電池組的端子P+和P-輸出電壓，供負(fù)載使用。此時(shí)，功率MOSFET一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，功率損耗只有導(dǎo)通損耗，沒(méi)有開(kāi)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(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，由于回路電阻很小，電池的放電能力很強(qiáng)，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。

磷酸鐵鋰電池短路保護(hù)的難點(diǎn)

（1）短路電流大

在電動(dòng)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(shí)的接觸電阻變化而變化，通常為幾百甚至上千安培。

（2）短路保護(hù)時(shí)間不能太短

在應(yīng)用過(guò)程中，為了防止瞬態(tài)的過(guò)載使短路保護(hù)電路誤動(dòng)作，因此，短路保護(hù)電路具有一定的延時(shí)。而且，由于電流檢測(cè)電阻的誤差、電流檢測(cè)信號(hào)和系統(tǒng)響應(yīng)的延時(shí)，通常，根據(jù)不同的應(yīng)用，將短路保護(hù)時(shí)間設(shè)置在200μS至1000μS，這要求功率MOSFET在高的短路電流下，能夠在此時(shí)間內(nèi)安全的工作，這也提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

當(dāng)短路保護(hù)工作時(shí)，功率MOSFET一般經(jīng)過(guò)三個(gè)工作階段：完全導(dǎo)通、關(guān)斷、雪崩，如圖2所示，其中VGS為MOSFET驅(qū)動(dòng)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。

圖2：短路過(guò)程。(a) 完全導(dǎo)通階段；(b) 關(guān)斷和雪崩階段。

（1） 完全導(dǎo)通階段

如圖2(a)所示，短路剛發(fā)生時(shí)，MOSFET處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，電流迅速上升至最大電流，在這個(gè)過(guò)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(dǎo)Gfs也會(huì)影響功率MOSFET的導(dǎo)通損耗。當(dāng)MOSFET的Gfs較小且短路電流很大時(shí)，MOSFET將工作在飽和區(qū)，其飽和導(dǎo)通壓降很大，如圖3所示，MOSFET的VDS(ON)在短路時(shí)達(dá)到14.8V，MOSFET功耗會(huì)很大，從而導(dǎo)致MOSFET因過(guò)功耗而失效。如果MOSFET沒(méi)有工作在飽和區(qū)，則其導(dǎo)通壓降應(yīng)該只有幾伏，如圖2(a) 中的VDS所示。

圖3：低跨導(dǎo)MOSFET的導(dǎo)通階段

（2）關(guān)斷階段

如圖2(b)所示，保護(hù)電路工作后，開(kāi)始將MOSFET關(guān)斷，在關(guān)斷過(guò)程中MOSFET消耗的功率為POFF = V * I，由于關(guān)斷時(shí)電壓和電流都很高，所以功率很大，通常會(huì)達(dá)到幾千瓦以上，因此MOSFET很容易因瞬間過(guò)功率而損壞。同時(shí)，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(dǎo)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(huì)產(chǎn)生另外的問(wèn)題。MOSFET的等效電路如圖4所示，其包含了一個(gè)寄生的三極管。在MOSFET短路期間，電流全部通過(guò)MOSFET溝道流過(guò)，當(dāng)MOSFET快速關(guān)斷時(shí)，其部分電流會(huì)經(jīng)過(guò)Rb流過(guò)，從而增加三極管的基極電壓，使寄生三極管導(dǎo)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(guò)實(shí)際的測(cè)試來(lái)設(shè)置合適的關(guān)斷速度。

圖4：MOSFET等效電路

圖5(a)為快速關(guān)斷波形，關(guān)斷時(shí)通過(guò)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(lái)控制放電速度，增加電阻可以減緩關(guān)斷速度。

圖5：功率MOSFET關(guān)斷電路。(a) 快速關(guān)斷電路；(b) 慢速關(guān)斷電路。

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(hù)中的應(yīng)用。圖6(a)為AOT266在不正確的設(shè)計(jì)時(shí)快速關(guān)斷的波形，AOT266在快關(guān)斷過(guò)程中失效，失效時(shí)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(shè)計(jì)、放電電阻為1K時(shí)的慢速關(guān)斷波形，MOSFET的關(guān)斷時(shí)間達(dá)到13.5us，電壓尖峰為80.8V，但MOSFET沒(méi)有失效，因此慢速關(guān)斷在這種應(yīng)用中可以提高短路能力。

（3）雪崩階段

在MOSFET關(guān)斷過(guò)程的后期，MOSFET通常會(huì)進(jìn)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(guò)大均會(huì)導(dǎo)致MOSFET過(guò)壓，從而導(dǎo)致MOSFET提前失效。

功率MOSFET的選取原則

（1）通過(guò)熱設(shè)計(jì)來(lái)確定所需并聯(lián)的MOSFET數(shù)量和合適的RDS（ON）；

（2）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(gè)MOSFET并聯(lián)易發(fā)生電流不平衡，對(duì)于并聯(lián)的MOSFET應(yīng)該有獨(dú)立的并且相等的驅(qū)動(dòng)電阻，以防止MOSFET間形成震蕩；

（3）基于最大短路電流、并聯(lián)的MOSFET數(shù)量、驅(qū)動(dòng)電壓等選擇合適gFS的MOSFET；

（4）考慮在關(guān)斷后期的電壓尖峰， MOSFET的雪崩能量不能太小。

本文小結(jié)

在電動(dòng)車磷酸鐵鋰電池保護(hù)應(yīng)用中，短路保護(hù)設(shè)計(jì)和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性直接相關(guān)，因此不但要選擇合適的功率MOSFET，而且要設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路，才能保證功率MOSFET的安全工作。