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淺談鋰電池保護(hù)電路中功率MOS管的作用、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-03-17 

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淺談鋰電池保護(hù)電路中功率MOS管的作用、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)

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(hào)和設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路。


鋰電池保護(hù)板電路結(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MOS管,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(shí),控制信號(hào)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(shí),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(méi)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(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(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MOS管在高的短路電流下,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。


短路保護(hù)

當(dāng)短路保護(hù)工作時(shí),功率MOS管一般經(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MOS管驅(qū)動(dòng)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。


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(1) 完全導(dǎo)通階段

如圖2(a)所示,短路剛發(fā)生時(shí),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(gè)過(guò)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(huì)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(shí),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(shí)達(dá)到14.8V,MOS管功耗會(huì)很大,從而導(dǎo)致MOS管因過(guò)功耗而失效。如果MOS管沒(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。


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(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(guò)程中MOS管消耗的功率為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MOS管很容易因瞬間過(guò)功率而損壞。同時(shí),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(huì)產(chǎn)生另外的問(wèn)題。MOS管的等效電路如圖4所示,其包含了一個(gè)寄生的三極管。在MOS管短路期間,電流全部通過(guò)MOS管溝道流過(guò),當(dāng)MOS管快速關(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,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(guò)實(shí)際的測(cè)試來(lái)設(shè)置合適的關(guān)斷速度。


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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MOS管,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。


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