淺談鋰電池保護電路中功率MOS管的作用

　　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(tài)的特點，以及如何選取功率MOS管型號和設計合適的驅(qū)動電路。

　　電路結(jié)構(gòu)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(jù)不同的應用，會使用多個功率MOS管并聯(lián)工作，以減小導通電阻，增強散熱性能。RS為電池等效內(nèi)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(tài)，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(fā)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(nèi)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。

　?。?）短路保護時間不能太短

　　在應用過程中，為了防止瞬態(tài)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(tǒng)響應的延時，通常，根據(jù)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(nèi)安全的工作，這也提高了系統(tǒng)的設計難度。

　　短路保護

　　當短路保護工作時，功率MOS管一般經(jīng)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(qū)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。

　　圖2：短路過程。（a） 完全導通階段；（b） 關斷和雪崩階段。

　?。?） 完全導通階段

　　如圖2（a）所示，短路剛發(fā)生時，MOS管處于完全導通狀態(tài)，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(qū)，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(qū)，則其導通壓降應該只有幾伏，如圖2（a） 中的VDS所示。

　　圖3：低跨導MOS管的導通階段

　?。?）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(qū)，容易發(fā)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(chǎn)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(jīng)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。

　　圖4：MOS管等效電路

　　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。

　　圖5：功率MOS管關斷電路。（a） 快速關斷電路；（b） 慢速關斷電路。