詳解鋰電池保護電路中功率MOS管的作用-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2020-02-28
本文主要講鋰電池保護電路中功率MOS管的作用,“鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋰電池已經(jīng)成為了主流。
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(yīng)用,會使用多個功率MOS管并聯(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。
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(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(dāng)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。
(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(shè)計難度。
當(dāng)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(dǎo)通、關(guān)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(guān)斷期間的放大圖。
(1)完全導(dǎo)通階段
如圖2(a)所示,短路剛發(fā)生時,MOS管處于完全導(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(dǎo)Gfs也會影響功率MOS管的導(dǎo)通損耗。當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通壓降應(yīng)該只有幾伏,如圖2(a)中的VDS所示。
(2)關(guān)斷階段
如圖2(b)所示,保護電路工作后,開始將MOS管關(guān)斷,在關(guān)斷過程中MOS管消耗的功率為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MOS管很容易因瞬間過功率而損壞。同時,MOS管在關(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。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(dāng)MOS管快速關(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,MOS管提前失效。
因此,要選取合適的關(guān)斷速度。由于不同MOS管承受的關(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。
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