淺談鋰電池保護電路中功率MOS管的作用

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程進行保護，以免過充過放或過熱，以保證電池安全的工作。短路保護是放電過程中一種極端惡劣的工作條件，本文將介紹功率MOS管在這種工作狀態的特點，以及如何選取功率MOS管型號和設計合適的驅動電路。

電路結構及應用特點

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，根據不同的應用，會使用多個功率MOS管并聯工作，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，功率損耗只有導通損耗，沒有開關損耗，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

在應用過程中，為了防止瞬態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響應的延時，通常，根據不同的應用，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，功率MOS管一般經過三個工作階段：完全導通、關斷、雪崩，如圖2所示，其中VGS為MOS管驅動電壓，VDS為MOS管漏極電壓，ISC為短路電流，圖2(b)為圖2(a)中關斷期間的放大圖。

圖2：短路過程。(a)完全導通階段;(b)關斷和雪崩階段。

(1)完全導通階段

如圖2(a)所示，短路剛發生時，MOS管處于完全導通狀態，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，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，則其導通壓降應該只有幾伏，如圖2(a)中的VDS所示。