基于功率MOSFET的鋰電池保護電路設計

　　鉛酸電池具有安全、便宜、易維護的特點(diǎn)，因此目前仍然廣泛的應用于電動(dòng)自行車(chē)。但是鉛酸電池污染大、笨重、循環(huán)次數少，隨著(zhù)世界各國對環(huán)保要求越來(lái)越高，鉛酸電池的使用會(huì )越來(lái)越受到限制。磷酸鐵鋰電池作為一種新型的環(huán)保電池，開(kāi)始逐步的應用到電動(dòng)車(chē)中，并且將成為發(fā)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(guò)程進(jìn)行保護，以免過(guò)充過(guò)放或過(guò)熱，以保證電池安全的工作。短路保護是放電過(guò)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(tài)的特點(diǎn)，以及如何選取功率MOSFET型號和設計合適的驅動(dòng)電路。

　　電路結構及應用特點(diǎn)

　　電動(dòng)自行車(chē)的磷酸鐵鋰電池保護板的放電電路的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。Q1為放電管，使用N溝道增強型MOSFET,實(shí)際的工作中，根據不同的應用，會(huì )使用多個(gè)功率MOSFET并聯(lián)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(xiàn)電感。

　　正常工作時(shí)，控制信號控制MOSFET打開(kāi)，電池組的端子P+和P-輸出電壓，供負載使用。此時(shí)，功率MOSFET一直處于導通狀態(tài)，功率損耗只有導通損耗，沒(méi)有開(kāi)關(guān)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(fā)生短路時(shí)，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(diǎn)

　　(1)短路電流大

　　在電動(dòng)車(chē)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(xiàn)路的寄生電感、短路時(shí)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(shí)間不能太短

　　在應用過(guò)程中，為了防止瞬態(tài)的過(guò)載使短路保護電路誤動(dòng)作，因此，短路保護電路具有一定的延時(shí)。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(shí)，通常，根據不同的應用，將短路保護時(shí)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(shí)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(shí)，功率MOSFET一般經(jīng)過(guò)三個(gè)工作階段：完全導通、關(guān)斷、雪崩，如圖2所示，其中VGS為MOSFET驅動(dòng)電壓，VDS為MOSFET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。

　　圖2:短路過(guò)程。(a) 完全導通階段;(b) 關(guān)斷和雪崩階段。

　　(1) 完全導通階段

　　如圖2(a)所示，短路剛發(fā)生時(shí)，MOSFET處于完全導通狀態(tài)，電流迅速上升至最大電流，在這個(gè)過(guò)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(huì )影響功率MOSFET的導通損耗。當MOSFET的Gfs較小且短路電流很大時(shí)，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(shí)達到14.8V，MOSFET功耗會(huì )很大，從而導致MOSFET因過(guò)功耗而失效。如果MOSFET沒(méi)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