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  • 基于功率MOSFET的鋰電池保護電路設(shè)計介紹
    • 發(fā)布時間:2021-04-24 17:02:23
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    基于功率MOSFET的鋰電池保護電路設(shè)計介紹
    鉛酸電池具有安全、便宜、易維護的特點,因此目前仍然廣泛的應(yīng)用于電動自行車。但是鉛酸電池污染大、笨重、循環(huán)次數(shù)少,隨著世界各國對環(huán)保要求越來越高,鉛酸電池的使用會越來越受到限制。磷酸鐵鋰電池作為一種新型的環(huán)保電池,開始逐步的應(yīng)用到電動車中,并且將成為發(fā)展趨勢。通常,由于磷酸鐵鋰電池的特性,在應(yīng)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MOSFET在這種工作狀態(tài)的特點,以及如何選取功率MOSFET型號和設(shè)計合適的驅(qū)動電路。
    電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)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MOSFET,實際的工作中,根據(jù)不同的應(yīng)用,會使用多個功率MOSFET并聯(lián)工作,以減小導(dǎo)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。
    鋰電池保護電路
    圖1 鋰電池放電拓撲
    正常工作時,控制信號控制MOSFET打開,電池組的端子P+和P-輸出電壓,供負載使用。此時,功率MOSFET一直處于導(dǎo)通狀態(tài),功率損耗只有導(dǎo)通損耗,沒有開關(guān)損耗,功率MOSFET的總的功率損耗并不高,溫升小,因此功率MOSFET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MOSFET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。
    (2)短路保護時間不能太短
    在應(yīng)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(yīng)的延時,通常,根據(jù)不同的應(yīng)用,將短路保護時間設(shè)置在200μS至1000μS,這要求功率MOSFET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(shè)計難度。
    短路保護
    當短路保護工作時,功率MOSFET一般經(jīng)過三個工作階段:完全導(dǎo)通、關(guān)斷、雪崩,如圖2所示,其中VGS為MOSFET驅(qū)動電壓,VDS為MOSFET漏極電壓,ISC為短路電流,圖2(b)為圖2(a)中關(guān)斷期間的放大圖。
    鋰電池保護電路
    圖2:短路過程。(a)完全導(dǎo)通階段;(b)關(guān)斷和雪崩階段。
    (1)完全導(dǎo)通階段
    如圖2(a)所示,短路剛發(fā)生時,MOSFET處于完全導(dǎo)通狀態(tài),電流迅速上升至最大電流,在這個過程,功率MOSFET承受的功耗為PON= ISC2 * RDS(on),所以具有較小RDS(on)的MOSFET功耗較低。
    功率MOSFET的跨導(dǎo)Gfs也會影響功率MOSFET的導(dǎo)通損耗。當MOSFET的Gfs較小且短路電流很大時,MOSFET將工作在飽和區(qū),其飽和導(dǎo)通壓降很大,如圖3所示,MOSFET的VDS(ON)在短路時達到14.8V,MOSFET功耗會很大,從而導(dǎo)致MOSFET因過功耗而失效。如果MOSFET沒有工作在飽和區(qū),則其導(dǎo)通壓降應(yīng)該只有幾伏,如圖2(a)中的VDS所示。
    鋰電池保護電路
    圖3:低跨導(dǎo)MOSFET的導(dǎo)通階段
    (2)關(guān)斷階段
    如圖2(b)所示,保護電路工作后,開始將MOSFET關(guān)斷,在關(guān)斷過程中MOSFET消耗的功率為POFF = V * I,由于關(guān)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MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時,MOSFET在關(guān)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(dǎo)致MOSFET提前失效。
    提高關(guān)斷的速度,可以減小關(guān)斷損耗,但這會產(chǎn)生另外的問題。MOSFET的等效電路如圖4所示,其包含了一個寄生的三極管。在MOSFET短路期間,電流全部通過MOSFET溝道流過,當MOSFET快速關(guān)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(dǎo)通,MOSFET提前失效。
    因此,要選取合適的關(guān)斷速度。由于不同MOSFET承受的關(guān)斷速率不同,需要通過實際的測試來設(shè)置合適的關(guān)斷速度。
    鋰電池保護電路
    圖4:MOSFET等效電路
    圖5(a)為快速關(guān)斷波形,關(guān)斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關(guān)斷MOSFET,圖5(b)為慢速關(guān)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(guān)斷速度。
    鋰電池保護電路
    圖5:功率MOSFET關(guān)斷電路。(a)快速關(guān)斷電路;(b)慢速關(guān)斷電路。
    鋰電池保護電路
    圖6:AOT266關(guān)斷波形。(a)快速關(guān)斷波形;(b)慢速關(guān)斷波形
    AOT266為AOS新一代的中壓MOSFET,其耐壓為60V,RDS(ON)僅為3.2毫歐,適合在磷酸鐵鋰電保護中的應(yīng)用。圖6(a)為AOT266在不正確的設(shè)計時快速關(guān)斷的波形,AOT266在快關(guān)斷過程中失效,失效時其電壓尖峰為68V,失效后電流不能回零,其失效根本原因是關(guān)斷太快。圖6(b)為使用正確的設(shè)計、放電電阻為1K時的慢速關(guān)斷波形,MOSFET的關(guān)斷時間達到13.5us,電壓尖峰為80.8V,但MOSFET沒有失效,因此慢速關(guān)斷在這種應(yīng)用中可以提高短路能力。
    (3)雪崩階段
    在MOSFET關(guān)斷過程的后期,MOSFET通常會進入雪崩狀態(tài),如圖2(b)中的雪崩階段。關(guān)斷后期MOSFET漏極電壓尖峰為VSPIKE = VB + LP * di/dt,回路的引線電感LP和di/dt過大均會導(dǎo)致MOSFET過壓,從而導(dǎo)致MOSFET提前失效。
    功率MOSFET的選取原則
    (1)通過熱設(shè)計來確定所需并聯(lián)的MOSFET數(shù)量和合適的RDS(ON);
    (2)盡量選擇較小RDS(ON)的MOSFET,從而能夠使用較少的MOSFET并聯(lián)。多個MOSFET并聯(lián)易發(fā)生電流不平衡,對于并聯(lián)的MOSFET應(yīng)該有獨立的并且相等的驅(qū)動電阻,以防止MOSFET間形成震蕩;
    (3)基于最大短路電流、并聯(lián)的MOSFET數(shù)量、驅(qū)動電壓等選擇合適gFS的MOSFET;
    (4)考慮在關(guān)斷后期的電壓尖峰,MOSFET的雪崩能量不能太小。
    小結(jié)
    在電動車磷酸鐵鋰電池保護應(yīng)用中,短路保護設(shè)計和整個系統(tǒng)的可靠性直接相關(guān),因此不但要選擇合適的功率MOSFET,而且要設(shè)計合適的驅(qū)動電路,才能保證功率MOSFET的安全工作。
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