基于功率MOSFET的锂电池保护电路设计
正常工作时,控制信号控制MOSFET打开,电池组的端子P+和P-输出电压,供负载使用。此时,功率MOSFET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MOSFET的总的功率损耗并不高,温升小,因此功率MOSFET可以安全工作。
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MOSFET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。
功率MOSFET的跨导Gfs也会影响功率MOSFET的导通损耗。当MOSFET的Gfs较小且短路电流很大时,MOSFET将工作在饱和区,其饱和导通压降很大,如图3所示,MOSFET的VDS(ON)在短路时达到14.8V,MOSFET功耗会很大,从而导致MOSFET因过功耗而失效。如果MOSFET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。
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。MOSFET的等效电路如图4所示,其包含了一个寄生的三极管。在MOSFET短路期间,电流全部通过MOSFET沟道流过,当MOSFET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,MOSFET提前失效。计
基于功率MOSFET的锂电池保护电路设计
AOT266为AOS新一代的中压MOSFET,其耐压为60V,RDS仅为3.2毫欧,适合在磷酸铁锂电保护中的应用为AOT266在不正确的设计时快速关断的波形,AOT266在快关断过程中失效,失效时其电压尖峰为68V,失效后电流不能回零,其失效根本原因是关断太快。为使用正确的设计、放电电阻为1K时的慢速关断波形,MOSFET的关断时间达到13.5us,电压尖峰为80.8V,但MOSFET没有失效,因此慢速关断在这种应用中可以提高短路能力。
在MOSFET关断过程的后期,MOSFET通常会进入雪崩状态雪崩阶段。关断后期MOSFET漏极电压尖峰为VSPIKE=VB+LP*di/dt,回路的引线电感LP和di/dt过大均会导致MOSFET过压,从而导致MOSFET提前失效。
功率MOSFET的选取原则
(1)通过热设计来确定所需并联的MOSFET数量和合适的RDS;
(2)尽量选择较小RDS的MOSFET,从而能够使用较少的MOSFET并联。多个MOSFET并联易发生电流不平衡,对于并联的MOSFET应该有独立的并且相等的驱动电阻,以防止MOSFET间形成震荡;
(3)基于最大短路电流、并联的MOSFET数量、驱动电压等选择合适gFS的MOSFET;
(4)考虑在关断后期的电压尖峰,MOSFET的雪崩能量不能太小。
在电动车磷酸铁锂电池保护应用中,短路保护设计和整个系统的可靠性直接相关,因此不但要选择合适的功率MOSFET,而且要设计合适的驱动电路,才能保证功率MOSFET的安全工作。