淺談鋰電池保護(hù)電路中功率MOS管的作用

通常，由于磷酸鐵鋰電池的特性，在應(yīng)用中需要對其充放電過程進(jìn)行保護(hù)，以免過充過放或過熱，以保證電池安全的工作。短路保護(hù)是放電過程中一種極端惡劣的工作條件，本文將介紹功率MOS管在這種工作狀態(tài)的特點(diǎn)，以及如何選取功率MOS管型號和設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動電路。

電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)

電動自行車的磷酸鐵鋰電池保護(hù)板的放電電路的簡化模型如圖1所示。Q1為放電管，使用N溝道增強(qiáng)型MOS管，實(shí)際的工作中，根據(jù)不同的應(yīng)用，會使用多個功率MOS管并聯(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。

正常工作時，控制信號控制MOS管打開，電池組的端子P+和P-輸出電壓，供負(fù)載使用。此時，功率MOS管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，功率損耗只有導(dǎo)通損耗，沒有開關(guān)損耗，功率MOS管的總的功率損耗并不高，溫升小，因此功率MOS管可以安全工作。

但是，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時，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MOS管容易損壞。

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。

(2)短路保護(hù)時間不能太短

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

短路保護(hù)

當(dāng)短路保護(hù)工作時，功率MOS管一般經(jīng)過三個工作階段：完全導(dǎo)通、關(guān)斷、雪崩，如圖2所示，其中VGS為MOS管驅(qū)動電壓，VDS為MOS管漏極電壓，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，MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，電流迅速上升至最大電流，在這個過程，功率MOS管承受的功耗為PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有較小RDS(on)的MOS管功耗較低。

功率MOS管的跨導(dǎo)Gfs也會影響功率MOS管的導(dǎo)通損耗。當(dāng)MOS管的Gfs較小且短路電流很大時，MOS管將工作在飽和區(qū)，其飽和導(dǎo)通壓降很大，如圖3所示，MOS管的VDS(ON)在短路時達(dá)到14.8V，MOS管功耗會很大，從而導(dǎo)致MOS管因過功耗而失效。如果MOS管沒有工作在飽和區(qū)，則其導(dǎo)通壓降應(yīng)該只有幾伏，如圖2(a)中的VDS所示。[!--empirenews.page--]

圖3：低跨導(dǎo)MOS管的導(dǎo)通階段

(2)關(guān)斷階段

如圖2(b)所示，保護(hù)電路工作后，開始將MOS管關(guān)斷，在關(guān)斷過程中MOS管消耗的功率為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(dá)到幾千瓦以上，因此MOS管很容易因瞬間過功率而損壞。同時，MOS管在關(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，但這會產(chǎn)生另外的問題。MOS管的等效電路如圖4所示，其包含了一個寄生的三極管。在MOS管短路期間，電流全部通過MOS管溝道流過，當(dāng)MOS管快速關(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(dǎo)通，MOS管提前失效。

因此，要選取合適的關(guān)斷速度。由于不同MOS管承受的關(guān)斷速率不同，需要通過實(shí)際的測試來設(shè)置合適的關(guān)斷速度。

圖4：MOS管等效電路

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MOS管，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。

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