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作者：萬代半導體元件(上海)有限公司 葛小榮 張之也 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用于電動自行車。但是鉛酸電池污染大、笨重、循環次數少，隨著世界各國對環保要求越來越高，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保電池，開始逐步的應用到電動車中，并且將成為發展趨勢。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MOSFET在這種工作狀態的特點，以及如何選取功率MOSFET型號和設計合適的驅動電路。 電路結構及應用特點 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MOSFET，實際的工作中，根據不同的應用，會使用多個功率MOSFET并聯工作，以減小導通電阻，增強散熱性能。RS為電池等效內阻，LP為電池引線電感。 
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一直處于導通狀態，功率損耗只有導通損耗，沒有開關損耗，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 在應用過程中，為了防止瞬態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響應的延時，通常，根據不同的應用，將短路保護時間設置在200μS至1000μS，這要求功率MOSFET在高的短路電流下，能夠在此時間內安全的工作，這也提高了系統的設計難度。 短路保護 當短路保護工作時，功率MOSFET一般經過三個工作階段：完全導通、關斷、雪崩，如圖2所示，其中VGS為MOSFET驅動電壓，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。 （1） 完全導通階段 如圖2(a)所示，短路剛發生時，MOSFET處于完全導通狀態，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Gfs也會影響功率MOSFET的導通損耗。當MOSFET的Gfs較小且短路電流很大時，MOSFET將工作在飽和區，其飽和導通壓降很大，如圖3所示，MOSFET的VDS(ON)在短路時達到14.8V，MOSFET功耗會很大，從而導致MOSFET因過功耗而失效。如果MOSFET沒有工作在飽和區，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MOSFET的導通階段 （2）關斷階段 如圖2(b)所示，保護電路工作后，開始將MOSFET關斷，在關斷過程中MOSFET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MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時，MOSFET在關斷期間處于飽和區，容易發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快速關斷時，其部分電流會經過Rb流過，從而增加三極管的基極電壓，使寄生三極管導通，MOSFET提前失效。 因此，要選取合適的關斷速度。由于不同MOSFET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：MOSFET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MOSFET，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MOSFET關斷電路。(a) 快速關斷電路；(b) 慢速關斷電路。
圖6：AOT266關斷波形。(a) 快速關斷波形；(b) 慢速關斷波形 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用。圖6(a)為AOT266在不正確的設計時快速關斷的波形，AOT266在快關斷過程中失效，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斷太快。圖6(b)為使用正確的設計、放電電阻為1K時的慢速關斷波形，MOSFET的關斷時間達到13.5us，電壓尖峰為80.8V，但MOSFET沒有失效，因此慢速關斷在這種應用中可以提高短路能力。 （3）雪崩階段 在MOSFET關斷過程的后期，MOSFET通常會進入雪崩狀態，如圖2(b)中的雪崩階段。關斷后期MOSFET漏極電壓尖峰為VSPIKE = VB + LP * di/dt，回路的引線電感LP和di/dt過大均會導致MOSFET過壓，從而導致MOSFET提前失效。 功率MOSFET的選取原則 （1）通過熱設計來確定所需并聯的MOSFET數量和合適的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。多個MOSFET并聯易發生電流不平衡，對于并聯的MOSFET應該有獨立的并且相等的驅動電阻，以防止MOSFET間形成震蕩； （3）基于最大短路電流、并聯的MOSFET數量、驅動電壓等選擇合適gFS的MOSFET； （4）考慮在關斷后期的電壓尖峰， MOSFET的雪崩能量不能太小。 本文小結 在電動車磷酸鐵鋰電池保護應用中，短路保護設計和整個系統的可靠性直接相關，因此不但要選擇合適的功率MOSFET，而且要設計合適的驅動電路，才能保證功率MOSFET的安全工作。 |
