基于功率MOSFET的鋰電池保護電路設(shè)計

　　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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計合適的驅(qū)動電路。

　　電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)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(yīng)用，會使用多個功率MOSFET并聯(lián)工作，以減小導(dǎo)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(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。

　　磷酸鐵鋰電池短路保護的難點

　　（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。

　　（2）短路保護時間不能太短

　　在應(yīng)用過程中，為了防止瞬態(tài)的過載使短路保護電路誤動作，因此，短路保護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，將短路保護時間設(shè)置在200μS至1000μS，這要求功率MOSFET在高的短路電流下，能夠在此時間內(nèi)安全的工作，這也提高了系統(tǒng)的設(shè)計難度。

　　短路保護

　　當(dāng)短路保護工作時，功率MOSFET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。

　　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，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(dǎo)Gfs也會影響功率MOSFET的導(dǎo)通損耗。當(dāng)MOSFET的Gfs較小且短路電流很大時，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）在短路時達到14.8V，MOSFET功耗會很大，從而導(dǎo)致MOSFET因過功耗而失效。如果MOSFET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。

　　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(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。MOSFET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(dāng)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(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，需要通過實際的測試來設(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。

　　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中的應(yīng)用。圖6（a）為AOT266在不正確的設(shè)計時快速關(guān)斷的波形，AOT266在快關(guān)斷過程中失效，失效時其電壓尖峰為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(shè)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(yīng)用中可以提高短路能力。

　　（3）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(dǎo)致MOSFET過壓，從而導(dǎo)致MOSFET提前失效。

　　功率MOSFET的選取原則

　?。?）通過熱設(shè)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(yīng)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MOSFET數(shù)量、驅(qū)動電壓等選擇合適gFS的MOSFET;

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

　　小結(jié)

　　在電動車磷酸鐵鋰電池保護應(yīng)用中，短路保護設(shè)計和整個系統(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)計合適的驅(qū)動電路，才能保證功率MOSFET的安全工作。