设计基于功率MOSFET的锂电池保护电路

作者：万代半导体元件(上海)有限公司 葛小荣 张之也

铅酸电池具有安全、便宜、易维护的特点，因此目前仍然广泛的应用于电动自行车。但是铅酸电池污染大、笨重、循环次数少，随着世界各国对环保要求越来越高，铅酸电池的使用会越来越受到限制。磷酸铁锂电池作为一种新型的环保电池，开始逐步的应用到电动车中，并且将成为发展趋势。通常，由于磷酸铁锂电池的特性，在应用中需要对其充放电过程进行保护，以免过充过放或过热，以保证电池安全的工作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件，本文将介绍功率MOSFET在这种工作状态的特点，以及如何选取功率MOSFET型号和设计合适的驱动电路。

电路结构及应用特点

电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管，使用N沟道增强型MOSFET，实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOSFET并联工作，以减小导通电阻，增强散热性能。RS为电池等效内阻，LP为电池引线电感。


图1：锂电池放电拓扑

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。

但是，当负载发生短路时，由于回路电阻很小，电池的放电能力很强，所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培， 在这种情况下，功率MOSFET容易损坏。

磷酸铁锂电池短路保护的难点

（1）短路电流大

在电动车中，磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V，短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化，通常为几百甚至上千安培。

（2）短路保护时间不能太短

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。

短路保护

当短路保护工作时，功率MOSFET一般经过三个工作阶段：完全导通、关断、雪崩，如图2所示，其中VGS为MOSFET驱动电压，VDS为MOSFET漏极电压，ISC为短路电流，图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。


图2：短路过程。(a) 完全导通阶段；(b) 关断和雪崩阶段。

（1） 完全导通阶段

如图2(a)所示，短路刚发生时，MOSFET处于完全导通状态，电流迅速上升至最大电流，在这个过程，功率MOSFET承受的功耗为PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有较小RDS(on)的MOSFET功耗较低。

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。


图3：低跨导MOSFET的导通阶段

（2）关断阶段

如图2(b)所示，保护电路工作后，开始将MOSFET关断，在关断过程中MOSFET消耗的功率为POFF = V * I，由于关断时电压和电流都很高，所以功率很大，通常会达到几千瓦以上，因此MOSFET很容易因瞬间过功率而损坏。同时，MOSFET在关断期间处于饱和区，容易发生各单元间的热不平衡从而导致MOSFET提前失效。

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。

因此，要选取合适的关断速度。由于不同MOSFET承受的关断速率不同，需要通过实际的测试来设置合适的关断速度。


图4：MOSFET等效电路

图5(a)为快速关断波形，关断时通过三极管快速将栅极电荷放掉从而快速关断MOSFET，图5(b)为慢速关断电路，在回路中串一只电阻来控制放电速度，增加电阻可以减缓关断速度。


图5：功率MOSFET关断电路。(a) 快速关断电路；(b) 慢速关断电路。


图6：AOT266关断波形。(a) 快速关断波形；(b) 慢速关断波形

AOT266为AOS新一代的中压MOSFET，其耐压为60V，RDS(ON)仅为3.2毫欧，适合在磷酸铁锂电保护中的应用。图6(a)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。图6(b)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。

（3）雪崩阶段

在MOSFET关断过程的后期，MOSFET通常会进入雪崩状态，如图2(b)中的雪崩阶段。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。