基于功率MOSFET的锂电池保护电路设计

　　(2)关断阶段

　　如图2(b)所示，保护电路工作后，开始将MOSFET关断，在关断过程中MOSFET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MOSFET很容易因瞬间过功率而损坏。同时，MOSFET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。MOSFET的等效电路如图4所示，其包含了一个寄生的三极管。在MOSFET短路期间，电流全部通过MOSFET沟道流过，当MOSFET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，MOSFET提前失效。

　　因此，要选取合适的关断速度。由于不同MOSFET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:MOSFET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MOSFET,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MOSFET关断电路。(a) 快速关断电路;(b) 慢速关断电路。

　　图6:AOT266关断波形。(a) 快速关断波形;(b) 慢速关断波形

　　AOT266为AOS新一代的中压MOSFET,其耐压为60V,RDS(ON)仅为3.2毫欧，适合在磷酸铁锂电保护中的应用。图6(a)为AOT266在不正确的设计时快速关断的波形，AOT266在快关断过程中失效，失效时其电压尖峰为68V,失效后电流不能回零，其失效根本原因是关断太快。图6(b)为使用正确的设计、放电电阻为1K时的慢速关断波形，MOSFET的关断时间达到13.5us,电压尖峰为80.8V，但MOSFET没有失效，因此慢速关断在这种应用中可以提高短路能力。

　　(3)雪崩阶段

　　在MOSFET关断过程的后期，MOSFET通常会进入雪崩状态，如图2(b)中的雪崩阶段。关断后期MOSFET漏极电压尖峰为VSPIKE = VB + LP * di/dt,回路的引线电感LP和di/dt过大均会导致MOSFET过压，从而导致MOSFET提前失效。

　　功率MOSFET的选取原则

　　(1)通过热设计来确定所需并联的MOSFET数量和合适的RDS(ON);

　　(2)尽量选择较小RDS(ON)的MOSFET,从而能够使用较少的MOSFET并联。多个MOSFET并联易发生电流不平衡，对于并联的MOSFET应该有独立的并且相等的驱动电阻，以防止MOSFET间形成震荡;

　　(3)基于最大短路电流、并联的MOSFET数量、驱动电压等选择合适gFS的MOSFET;

　　(4)考虑在关断后期的电压尖峰， MOSFET的雪崩能量不能太小。

　　小结

　　在电动车磷酸铁锂电池保护应用中，短路保护设计和整个系统的可靠性直接相关，因此不但要选择合适的功率MOSFET,而且要设计合适的驱动电路，才能保证功率MOSFET的安全工作。