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    淺談鋰電池保護電路中功率MOS管的作用、結構及應用特點-KIA MOS管

    信息來源:本站 日期:2020-03-17 

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    淺談鋰電池保護電路中功率MOS管的作用、結構及應用特點

    通常,由于磷酸鐵鋰電池的特性,在應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MOS管在這種工作狀態的特點,以及如何選取功率MOS管型號和設計合適的驅動電路。


    鋰電池保護板電路結構及應用特點

    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MOS管,實際的工作中,根據不同的應用,會使用多個功率MOS管并聯工作,以減小導通電阻,增強散熱性能。RS為電池等效內阻,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,供負載使用。此時,功率MOS管一直處于導通狀態,功率損耗只有導通損耗,沒有開關損耗,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,當負載發生短路時,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MOS管容易損壞。


    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

    在應用過程中,為了防止瞬態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響應的延時,通常,根據不同的應用,將短路保護時間設置在200μS至1000μS,這要求功率MOS管在高的短路電流下,能夠在此時間內安全的工作,這也提高了系統的設計難度。


    短路保護

    當短路保護工作時,功率MOS管一般經過三個工作階段:完全導通、關斷、雪崩,如圖2所示,其中VGS為MOS管驅動電壓,VDS為MOS管漏極電壓,ISC為短路電流,圖2(b)為圖2(a)中關斷期間的放大圖。


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    (1) 完全導通階段

    如圖2(a)所示,短路剛發生時,MOS管處于完全導通狀態,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Gfs也會影響功率MOS管的導通損耗。當MOS管的Gfs較小且短路電流很大時,MOS管將工作在飽和區,其飽和導通壓降很大,如圖3所示,MOS管的VDS(ON)在短路時達到14.8V,MOS管功耗會很大,從而導致MOS管因過功耗而失效。如果MOS管沒有工作在飽和區,則其導通壓降應該只有幾伏,如圖2(a) 中的VDS所示。


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    (2)關斷階段

    如圖2(b)所示,保護電路工作后,開始將MOS管關斷,在關斷過程中MOS管消耗的功率為POFF = V * I,由于關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MOS管很容易因瞬間過功率而損壞。同時,MOS管在關斷期間處于飽和區,容易發生各單元間的熱不平衡從而導致MOSFET提前失效。


    提高關斷的速度,可以減小關斷損耗,但這會產生另外的問題。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MOS管快速關斷時,其部分電流會經過Rb流過,從而增加三極管的基極電壓,使寄生三極管導通,MOS管提前失效。


    因此,要選取合適的關斷速度。由于不同MOS管承受的關斷速率不同,需要通過實際的測試來設置合適的關斷速度。


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    圖5(a)為快速關斷波形,關斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關斷MOS管,圖5(b)為慢速關斷電路,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斷速度。


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