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，因此目前仍然廣泛的應用于電動自行車。但是鉛酸電池污染大、笨重、循環次數少，隨著世界各國對環保要求越來越高，鉛酸電池的使用會越來越受到限制。磷酸鐵鋰電池作為一種新型的環保電池，開始逐步的應用到電動車中，并且將成為發展趨勢。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MOSFET在這種工作狀態的特點，以及如何選取功率MOSFET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MOSFET,實際的工作中，根據不同的應用，會使用多個功率MOSFET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MOSFET打開，電池組的端子P+和P-輸出電壓，供負載使用。此時，功率MOSFET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MOSFET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MOSFET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MOSFET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MOSFET驅動電壓，VDS為MOSFET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，MOSFET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也會影響功率MOSFET的導通損耗。當MOSFET的Gfs較小且短路電流很大時，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)在短路時達到14.8V，MOSFET功耗會很大，從而導致MOSFET因過功耗而失效。如果MOSFET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。

　　圖3:低跨導MOSFET的導通階段