【導讀】由于磷酸鐵鋰電池的特性，在應用過程中需要對其充放電過程進行保護，避免因過充過放或過熱造成電池的損壞，保證電池安全的工作。放電過程中極端惡劣的工作條件是短路保護，本文將介紹在這種工作狀態(tài)下功率MOS管的特點，以及如何選取功率MOS管型號和設計合適的驅(qū)動電路。
電路結(jié)構(gòu)及應用特點
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)不同的應用，會使用多個功率MOS管并聯(lián)工作，以減小導通電阻，增強散熱性能。RS為電池等效內(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管一直處于導通狀態(tài)，功率損耗只有導通損耗，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。
磷酸鐵鋰電池短路保護的難點
（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
（2）短路保護時間不能太短
在應用過程中，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)響應的延時，通常，根據(jù)不同的應用，將短路保護時間設置在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)的設計難度。
短路保護
當短路保護工作時，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1(b)為圖1(a)中關(guān)斷期間的放大圖。
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圖1：短路過程
圖2：低跨導MOS管的導通階段
（1）完全導通階段
如圖1(a)所示，短路剛發(fā)生時，MOS管處于完全導通狀態(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Gfs也會影響功率MOS管的導通損耗。當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)，則其導通壓降應該只有幾伏，如圖1(a)中的VDS所示。
（2）關(guān)斷階段
如圖1(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3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置合適的關(guān)斷速度。
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置合適的關(guān)斷速度。
圖4(a)為快速關(guān)斷波形，關(guān)斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關(guān)斷MOS管，圖4(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4：功率MOS管關(guān)斷電路
