基于功率MOSFET的鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　(2)關(guān)斷階段

　　如圖2(b)所示，保護(hù)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(shí)電壓和電流都很高，所以功率很大，通常會(huì)達(dá)到幾千瓦以上，因此MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時(shí)，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(huì)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(gè)寄生的三極管。在MOSFET短路期間，電流全部通過MOSFET溝道流過，當(dāng)MOSFET快速關(guān)斷時(shí)，其部分電流會(huì)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(shí)際的測(cè)試來設(shè)置合適的關(guān)斷速度。

　　圖4:MOSFET等效電路

　　圖5(a)為快速關(guān)斷波形，關(guān)斷時(shí)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。

　　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。

　　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(hù)中的應(yīng)用。圖6(a)為AOT266在不正確的設(shè)計(jì)時(shí)快速關(guān)斷的波形，AOT266在快關(guān)斷過程中失效，失效時(shí)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(jì)、放電電阻為1K時(shí)的慢速關(guān)斷波形，MOSFET的關(guān)斷時(shí)間達(dá)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(huì)進(jìn)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(huì)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(jì)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(gè)MOSFET并聯(lián)易發(fā)生電流不平衡，對(duì)于并聯(lián)的MOSFET應(yīng)該有獨(dú)立的并且相等的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)車磷酸鐵鋰電池保護(hù)應(yīng)用中，短路保護(hù)設(shè)計(jì)和整個(gè)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(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路，才能保證功率MOSFET的安全工作。