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
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。
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。
（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。
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。
（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。
（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。
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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