详解锂电池保护电路中功率MOS管的作用

本文主要(yao)讲锂电(dian)(dian)池保护电(dian)(dian)路中(zhong)功率MOS管(guan)的(de)(de)作用(yong)，“锂电(dian)(dian)池”，是一类由(you)锂金(jin)属(shu)或锂合金(jin)为(wei)负极材料、使用(yong)非(fei)水电(dian)(dian)解质溶液(ye)的(de)(de)电(dian)(dian)池。由(you)于(yu)锂金(jin)属(shu)的(de)(de)化(hua)学(xue)特性非(fei)常活泼，使得锂金(jin)属(shu)的(de)(de)加工、保存(cun)、使用(yong)，对环境(jing)要(yao)求非(fei)常高。随着科学(xue)技术(shu)的(de)(de)发展，锂电(dian)(dian)池已经成(cheng)为(wei)了主流(liu)。

电路结构及应用特点

电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)自行车的(de)磷酸铁锂电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)保护板的(de)放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)简化模型如(ru)图1所示(shi)。Q1为(wei)放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)管(guan)，使用(yong)(yong)N沟道增强型MOS管(guan)，实际的(de)工(gong)作中，根据不同的(de)应用(yong)(yong)，会使用(yong)(yong)多个功率MOS管(guan)并联工(gong)作，以减小导通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)，增强散(san)热(re)性能(neng)。RS为(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)等效(xiao)内阻(zu)(zu)，LP为(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)引线(xian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)。

正常工(gong)作(zuo)时，控(kong)制信号控(kong)制MOS管打开，电池组的(de)端子P+和P-输出(chu)电压，供(gong)负载使用。此(ci)时，功率(lv)MOS管一直处于导通(tong)状态，功率(lv)损耗(hao)只有导通(tong)损耗(hao)，没有开关损耗(hao)，功率(lv)MOS管的(de)总的(de)功率(lv)损耗(hao)并不高，温(wen)升小(xiao)，因(yin)此(ci)功率(lv)MOS管可以安全(quan)工(gong)作(zuo)。

但是，当负(fu)载发生短(duan)路时，由于(yu)回路电(dian)(dian)阻(zu)很小，电(dian)(dian)池的放电(dian)(dian)能力很强，所以(yi)短(duan)路电(dian)(dian)流从正常工作的几十安(an)培突然增加到几百安(an)培，在这种情况(kuang)下，功率MOS管容易损坏。

磷酸铁锂电池短路保护的难点

（1）短路电流大(da)

在电动车中，磷酸铁锂电池的(de)电压一般为(wei)36V或48V，短路(lu)电流随(sui)电池的(de)容(rong)量、内阻、线路(lu)的(de)寄生电感、短路(lu)时的(de)接触电阻变(bian)化而变(bian)化，通常为(wei)几百甚(shen)至上千安培。

（2）短路保护(hu)时间不(bu)能太(tai)短

在(zai)应用(yong)过(guo)程(cheng)中，为了防止(zhi)瞬态的(de)(de)过(guo)载(zai)使短(duan)(duan)路(lu)(lu)保(bao)护电(dian)(dian)路(lu)(lu)误动作，因此，短(duan)(duan)路(lu)(lu)保(bao)护电(dian)(dian)路(lu)(lu)具(ju)有一(yi)定(ding)的(de)(de)延(yan)时(shi)。而(er)且，由于电(dian)(dian)流检测电(dian)(dian)阻的(de)(de)误差、电(dian)(dian)流检测信号和系统响应的(de)(de)延(yan)时(shi)，通(tong)常，根据不同的(de)(de)应用(yong)，将短(duan)(duan)路(lu)(lu)保(bao)护时(shi)间设置(zhi)在(zai)200μS至1000μS，这要求功率MOS管在(zai)高(gao)的(de)(de)短(duan)(duan)路(lu)(lu)电(dian)(dian)流下，能够(gou)在(zai)此时(shi)间内安全(quan)的(de)(de)工(gong)作，这也提(ti)高(gao)了系统的(de)(de)设计难度。

短路保护

当(dang)短路保护工(gong)作(zuo)时，功率MOS管(guan)一(yi)般经过三个(ge)工(gong)作(zuo)阶段：完(wan)全导(dao)通(tong)、关(guan)断(duan)、雪崩(beng)，如图2所示，其中(zhong)VGS为MOS管(guan)驱动电压(ya)，VDS为MOS管(guan)漏极电压(ya)，ISC为短路电流(liu)，图2（b）为图2（a）中(zhong)关(guan)断(duan)期(qi)间的放大图。

（1）完全导(dao)通阶段

如图2（a）所(suo)示，短(duan)路(lu)刚发生时(shi)，MOS管(guan)处(chu)于完全导通状态，电流迅速上升至最大电流，在这个过程，功(gong)率(lv)MOS管(guan)承受的功(gong)耗(hao)为PON=ISC2*RDS（on），所(suo)以(yi)具有(you)较小RDS（on）的MOS管(guan)功(gong)耗(hao)较低。

功(gong)(gong)率MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)跨(kua)导Gfs也会影响功(gong)(gong)率MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)导通损(sun)耗(hao)。当MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)Gfs较小且短(duan)路电流很大(da)时(shi)，MOS管(guan)将工作在(zai)饱和区，其(qi)饱和导通压降(jiang)很大(da)，如图3所(suo)示(shi)，MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)VDS（ON）在(zai)短(duan)路时(shi)达(da)到14.8V，MOS管(guan)功(gong)(gong)耗(hao)会很大(da)，从而导致(zhi)MOS管(guan)因过功(gong)(gong)耗(hao)而失效。如果MOS管(guan)没有工作在(zai)饱和区，则其(qi)导通压降(jiang)应该只(zhi)有几(ji)伏，如图2（a）中的(de)(de)(de)(de)VDS所(suo)示(shi)。

（2）关断阶段(duan)

如图(tu)2（b）所示，保护电(dian)路工作(zuo)后(hou)，开始将(jiang)MOS管(guan)(guan)关断，在(zai)关断过程中MOS管(guan)(guan)消耗的功(gong)率(lv)(lv)为POFF=V*I，由(you)于(yu)关断时电(dian)压和电(dian)流都很(hen)高，所以功(gong)率(lv)(lv)很(hen)大，通常会(hui)达到(dao)几(ji)千瓦以上，因此MOS管(guan)(guan)很(hen)容易(yi)(yi)因瞬间(jian)过功(gong)率(lv)(lv)而损坏(huai)。同(tong)时，MOS管(guan)(guan)在(zai)关断期间(jian)处于(yu)饱和区，容易(yi)(yi)发生各(ge)单(dan)元间(jian)的热不(bu)平衡从而导致MOSFET提(ti)前失效。

提高关(guan)断(duan)的(de)(de)速度，可(ke)以减小(xiao)关(guan)断(duan)损耗(hao)，但这(zhei)会(hui)产生(sheng)另外的(de)(de)问(wen)题。MOS管的(de)(de)等效电路(lu)如图4所示(shi)，其包含了(le)一个寄(ji)(ji)生(sheng)的(de)(de)三(san)极管。在(zai)MOS管短路(lu)期(qi)间，电流(liu)全(quan)部(bu)(bu)通(tong)过(guo)MOS管沟道(dao)流(liu)过(guo)，当MOS管快速关(guan)断(duan)时，其部(bu)(bu)分(fen)电流(liu)会(hui)经过(guo)Rb流(liu)过(guo)，从而增加三(san)极管的(de)(de)基极电压，使寄(ji)(ji)生(sheng)三(san)极管导(dao)通(tong)，MOS管提前失效。

因(yin)此，要选取(qu)合(he)适的关断(duan)速(su)度(du)。由于不同MOS管承受的关断(duan)速(su)率不同，需(xu)要通(tong)过实际的测试来设置合(he)适的关断(duan)速(su)度(du)。

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