功率MOS管的锂电池保护电路.doc

功率MOS管的短路保护解析
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MOS管在这种工作状态的特点，以及如何选取功率MOS管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MOS管，实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOS管并联工作，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。
正常工作时，控制信号控制MOS管打开，电池组的端子P+和P-输出电压，供负载使用。此时，功率MOS管一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，没有开关损耗，功率MOS管的总的功率损耗并不高，温升小，因此功率MOS管可以安全工作。

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MOS管容易损坏。

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MOS管在高的短路电流下，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MOS管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MOS管驱动电压，VDS为MOS管漏极电压，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，MOS管处于完全导通状态，电流迅速上升至最大电流，在这个过程，功率MOS管承受的功耗为PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有较小RDS(on)的MOS管功耗较低。
功率MOS管的跨导Gfs也会影响功率MOS管的导通损耗。当MOS管的Gfs较小且短路电流很大时，MOS管将工作在饱和区，其饱和导通压降很大，如图3所示，MOS管的VDS(ON)在短路时达到14.8V，MOS管功耗会很大，从而导致MOS管因过功耗而失效。如果MOS管没有工作在饱和区，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MOS管的导通阶段

（2）关断阶段
如图2(b)所示，保护电路工作后，开始将MOS管关断，在关断过程中MOS管消耗的功率为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MOS管很容易因瞬间过功率而损坏。同时，MOS管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。MOS管的等效电路如图4所示，其包含了一个寄生的三极管。在MOS管短路期间，电流全部通过MOS管沟道流过，当MOS管快速关断时，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，MOS管提前失效。
因此，要选取合适的关断速度。由于不同MOS管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：MOS管等效电路

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MOS管，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MOS管关断电路。(a) 快速关断电路；(b) 慢速关断电路。