浅谈锂电池保护电路中功率MOS管的作用、结构及应用特点

通(tong)常，由于磷酸(suan)铁锂电(dian)池的(de)特性，在应用(yong)中(zhong)需(xu)要(yao)对其充放电(dian)过(guo)程进(jin)行保护，以(yi)免过(guo)充过(guo)放或过(guo)热，以(yi)保证电(dian)池安全的(de)工作(zuo)。短路保护是放电(dian)过(guo)程中(zhong)一种(zhong)极端恶劣的(de)工作(zuo)条(tiao)件，本文将介绍功率(lv)MOS管在这(zhei)种(zhong)工作(zuo)状(zhuang)态的(de)特点，以(yi)及(ji)如何(he)选取功率(lv)MOS管型(xing)号和设计合适的(de)驱(qu)动电(dian)路。

锂电池保护板电路结构及应用特点

电(dian)(dian)动自(zi)行(xing)车的磷酸铁锂电(dian)(dian)池保护板(ban)的放电(dian)(dian)电(dian)(dian)路的简化模型如图1所(suo)示。Q1为(wei)放电(dian)(dian)管(guan)，使用(yong)(yong)N沟道增(zeng)强型MOS管(guan)，实际的工作(zuo)中(zhong)，根据(ju)不同(tong)的应用(yong)(yong)，会使用(yong)(yong)多(duo)个功率(lv)MOS管(guan)并联工作(zuo)，以减小导通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)，增(zeng)强散热性能。RS为(wei)电(dian)(dian)池等效内阻(zu)，LP为(wei)电(dian)(dian)池引线电(dian)(dian)感。

正常工作(zuo)时(shi)，控(kong)制信号控(kong)制MOS管打开，电(dian)池组(zu)的端(duan)子P+和P-输出电(dian)压，供负载使(shi)用。此时(shi)，功率(lv)(lv)MOS管一直处(chu)于导(dao)通(tong)(tong)状态，功率(lv)(lv)损耗(hao)只有(you)(you)导(dao)通(tong)(tong)损耗(hao)，没有(you)(you)开关损耗(hao)，功率(lv)(lv)MOS管的总的功率(lv)(lv)损耗(hao)并不高，温升(sheng)小，因此功率(lv)(lv)MOS管可(ke)以安全(quan)工作(zuo)。

但是，当负载发生短(duan)路(lu)时，由于回路(lu)电(dian)阻(zu)很小，电(dian)池(chi)的放电(dian)能力很强，所以短(duan)路(lu)电(dian)流从(cong)正常(chang)工作的几十安培突然(ran)增加到几百安培，在这种情况下，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(liu)大

在电(dian)动车中，磷酸铁锂(li)电(dian)池(chi)的(de)(de)电(dian)压一般为36V或48V，短路(lu)电(dian)流随电(dian)池(chi)的(de)(de)容量、内阻、线路(lu)的(de)(de)寄生电(dian)感、短路(lu)时的(de)(de)接触电(dian)阻变化而变化，通常为几百甚至上(shang)千安培。

（2）短路(lu)保(bao)护时间不能太短

在应(ying)用过程中(zhong)，为了防止(zhi)瞬(shun)态的(de)(de)过载使短路(lu)(lu)保(bao)护电(dian)(dian)路(lu)(lu)误动作，因此(ci)，短路(lu)(lu)保(bao)护电(dian)(dian)路(lu)(lu)具有一定(ding)的(de)(de)延时。而且，由于电(dian)(dian)流检(jian)测电(dian)(dian)阻的(de)(de)误差、电(dian)(dian)流检(jian)测信(xin)号(hao)和系统响应(ying)的(de)(de)延时，通常，根据不(bu)同(tong)的(de)(de)应(ying)用，将(jiang)短路(lu)(lu)保(bao)护时间(jian)设置在200μS至(zhi)1000μS，这要求功率MOS管在高的(de)(de)短路(lu)(lu)电(dian)(dian)流下(xia)，能(neng)够在此(ci)时间(jian)内安全的(de)(de)工(gong)作，这也提(ti)高了系统的(de)(de)设计难度。

短路保护

当短路保护工作(zuo)时，功(gong)率(lv)MOS管(guan)一般经过三个工作(zuo)阶段：完全导通、关断、雪(xue)崩，如图2所示，其中(zhong)VGS为MOS管(guan)驱(qu)动电压，VDS为MOS管(guan)漏极电压，ISC为短路电流(liu)，图2（b）为图2（a）中(zhong)关断期间的放大图。

功率器件,MOSFET,锂电池保护板

（1）完全导通阶段

如图2（a）所(suo)示，短路刚发生时(shi)，MOS管处(chu)于完全(quan)导通(tong)状态，电(dian)流迅速上升至最(zui)大(da)电(dian)流，在这(zhei)个过(guo)程(cheng)，功率(lv)MOS管承受的功耗(hao)(hao)为PON= ISC2 * RDS（on），所(suo)以具有较小RDS（on）的MOS管功耗(hao)(hao)较低(di)。

功(gong)(gong)率MOS管(guan)的(de)跨(kua)导(dao)Gfs也会影(ying)响(xiang)功(gong)(gong)率MOS管(guan)的(de)导(dao)通损耗。当MOS管(guan)的(de)Gfs较小且(qie)短路电流很(hen)大(da)时，MOS管(guan)将工作在饱(bao)(bao)和(he)区，其(qi)饱(bao)(bao)和(he)导(dao)通压降(jiang)很(hen)大(da)，如图3所示(shi)，MOS管(guan)的(de)VDS（ON）在短路时达到14.8V，MOS管(guan)功(gong)(gong)耗会很(hen)大(da)，从而(er)导(dao)致(zhi)MOS管(guan)因过功(gong)(gong)耗而(er)失效。如果MOS管(guan)没有工作在饱(bao)(bao)和(he)区，则其(qi)导(dao)通压降(jiang)应(ying)该只有几伏，如图2（a）中(zhong)的(de)VDS所示(shi)。

功率器件,MOSFET,锂电池保护板

（2）关断阶段(duan)

如图2（b）所示，保护电(dian)路工作(zuo)后，开(kai)始将MOS管(guan)(guan)关(guan)(guan)断，在(zai)关(guan)(guan)断过程中MOS管(guan)(guan)消(xiao)耗的功率(lv)为POFF = V * I，由(you)于关(guan)(guan)断时(shi)电(dian)压和电(dian)流都(dou)很(hen)高，所以(yi)功率(lv)很(hen)大(da)，通(tong)常会达(da)到几千(qian)瓦以(yi)上，因此MOS管(guan)(guan)很(hen)容易因瞬间(jian)(jian)过功率(lv)而损(sun)坏。同时(shi)，MOS管(guan)(guan)在(zai)关(guan)(guan)断期间(jian)(jian)处于饱和区，容易发生各单(dan)元间(jian)(jian)的热不平衡从而导致MOSFET提前失效。

提(ti)高关断(duan)的速度，可以减(jian)小(xiao)关断(duan)损耗，但这会产(chan)生另外的问题(ti)。MOS管(guan)(guan)的等效电路如图4所(suo)示，其(qi)包含了一个寄(ji)生的三极(ji)(ji)管(guan)(guan)。在MOS管(guan)(guan)短(duan)路期间，电流(liu)全部通过MOS管(guan)(guan)沟道流(liu)过，当MOS管(guan)(guan)快(kuai)速关断(duan)时，其(qi)部分电流(liu)会经过Rb流(liu)过，从而(er)增(zeng)加三极(ji)(ji)管(guan)(guan)的基(ji)极(ji)(ji)电压，使寄(ji)生三极(ji)(ji)管(guan)(guan)导通，MOS管(guan)(guan)提(ti)前失效。

因此，要(yao)选取合适的关(guan)断速(su)度(du)(du)。由于(yu)不(bu)同MOS管承受的关(guan)断速(su)率不(bu)同，需要(yao)通过实(shi)际的测试来设置(zhi)合适的关(guan)断速(su)度(du)(du)。

功率器件,MOSFET,锂电池保护板

图5（a）为(wei)快速关断(duan)波(bo)形(xing)，关断(duan)时通过三极管快速将栅极电荷放掉(diao)从而快速关断(duan)MOS管，图5（b）为(wei)慢速关断(duan)电路，在(zai)回路中(zhong)串(chuan)一(yi)只电阻来控(kong)制放电速度，增加(jia)电阻可以减缓关断(duan)速度。

功率器件,MOSFET,锂电池保护板