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浅谈锂电池保护电路中功率MOS管的作用、结构及应用特点-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-03-17 

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浅谈锂电池保护电路中功率MOS管的作用、结构及应用特点

通常,由于磷酸铁锂电池的特性,在应用中需要对其充放电过程进行保护,以免过充过放或过热,以保证电池安全的工作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件,本文将介绍功率MOS管在这种工作状态的特点,以及如何选取功率MOS管型号和设计合适的驱动电路。


锂电池保护板电路结构及应用特点

电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管,使用N沟道增强型MOS管,实际的工作中,根据不同的应用,会使用多个功率MOS管并联工作,以减小导通电阻,增强散热性能。RS为电池等效内阻,LP为电池引线电感。


正常工作时,控制信号控制MOS管打开,电池组的端子P+和P-输出电压,供负载使用。此时,功率MOS管一直处于导通状态,功率损耗只有导通损耗,没有开关损耗,功率MOS管的总的功率损耗并不高,温升小,因此功率MOS管可以安全工作。


但是,当负载发生短路时,由于回路电阻很小,电池的放电能力很强,所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培, 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)短路电流大

在电动车中,磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V,短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化,通常为几百甚至上千安培。


(2)短路保护时间不能太短

在应用过程中,为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作,因此,短路保护电路具有一定的延时。而且,由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时,通常,根据不同的应用,将短路保护时间设置在200μS至1000μS,这要求功率MOS管在高的短路电流下,能够在此时间内安全的工作,这也提高了系统的设计难度。


短路保护

当短路保护工作时,功率MOS管一般经过三个工作阶段:完全导通、关断、雪崩,如图2所示,其中VGS为MOS管驱动电压,VDS为MOS管漏极电压,ISC为短路电流,图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。


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(1) 完全导通阶段

如图2(a)所示,短路刚发生时,MOS管处于完全导通状态,电流迅速上升至最大电流,在这个过程,功率MOS管承受的功耗为PON= ISC2 * RDS(on),所以具有较小RDS(on)的MOS管功耗较低。


功率MOS管的跨导Gfs也会影响功率MOS管的导通损耗。当MOS管的Gfs较小且短路电流很大时,MOS管将工作在饱和区,其饱和导通压降很大,如图3所示,MOS管的VDS(ON)在短路时达到14.8V,MOS管功耗会很大,从而导致MOS管因过功耗而失效。如果MOS管没有工作在饱和区,则其导通压降应该只有几伏,如图2(a) 中的VDS所示。


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(2)关断阶段

如图2(b)所示,保护电路工作后,开始将MOS管关断,在关断过程中MOS管消耗的功率为POFF = V * I,由于关断时电压和电流都很高,所以功率很大,通常会达到几千瓦以上,因此MOS管很容易因瞬间过功率而损坏。同时,MOS管在关断期间处于饱和区,容易发生各单元间的热不平衡从而导致MOSFET提前失效。


提高关断的速度,可以减小关断损耗,但这会产生另外的问题。MOS管的等效电路如图4所示,其包含了一个寄生的三极管。在MOS管短路期间,电流全部通过MOS管沟道流过,当MOS管快速关断时,其部分电流会经过Rb流过,从而增加三极管的基极电压,使寄生三极管导通,MOS管提前失效。


因此,要选取合适的关断速度。由于不同MOS管承受的关断速率不同,需要通过实际的测试来设置合适的关断速度。


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图5(a)为快速关断波形,关断时通过三极管快速将栅极电荷放掉从而快速关断MOS管,图5(b)为慢速关断电路,在回路中串一只电阻来控制放电速度,增加电阻可以减缓关断速度。


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