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於電動自行車。但是鉛酸電池汙染大
、笨重、循(xun)環(huan)次(ci)數(shu)少(shao)，隨(sui)著(zhe)世(shi)界(jie)各(ge)國(guo)對(dui)環(huan)保(bao)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，鉛(qian)酸(suan)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)。磷(lin)酸(suan)鐵(tie)鋰(li)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)環(huan)保(bao)電(dian)池(chi)，開(kai)始(shi)逐(zhu)步(bu)的(de)應(ying)用(yong)到(dao)電(dian)動(dong)車(che)中(zhong)
，並(bing)且(qie)將(jiang)成(cheng)為(wei)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。通(tong)常(chang)，由(you)於(yu)磷(lin)酸(suan)鐵(tie)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)特(te)性(xing)，在(zai)應(ying)用(yong)中(zhong)需(xu)要(yao)對(dui)其(qi)充(chong)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)進(jin)行(xing)保(bao)護(hu)，以(yi)免(mian)過(guo)充(chong)過(guo)放(fang)或(huo)過(guo)熱(re)，以(yi)保(bao)證(zheng)電(dian)池(chi)安(an)全(quan)的(de)工(gong)作(zuo)。短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)是(shi)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)一(yi)種(zhong)極(ji)端(duan)惡(e)劣(lie)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)，本(ben)文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)功(gong)率(lv)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並聯工作
，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
，控製信號控製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一直處於導通狀態
，功率損耗隻有導通損耗，沒有開關損耗，功率MOSFET的總的功率損耗並不高，溫升小
，因此功率MOSFET可以安全工作。

但(dan)是(shi)，當(dang)負(fu)載(zai)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)時(shi)
，由(you)於(yu)回(hui)路(lu)電(dian)阻(zu)很(hen)小(xiao)，電(dian)池(chi)的(de)放(fang)電(dian)能(neng)力(li)很(hen)強(qiang)，所(suo)以(yi)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)從(cong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)幾(ji)十(shi)安(an)培(pei)突(tu)然(ran)增(zeng)加(jia)到(dao)幾(ji)百(bai)安(an)培(pei)，在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，功(gong)率(lv)MOSFET容易損壞。

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。且由於電流檢測電阻的誤差

、電流檢測信號和係統響應的延時，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
，這也提高了係統的設計難度。
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鋰電池短路保護

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。
（1）完全導通階段

如圖2(a)所示
，短路剛發生時，MOSFET處於完全導通狀態，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，則其導通壓降應該隻有幾伏，如圖2(a)中的VDS所示。
（2）關斷階段

如圖2(b)所示
，保護電路工作後，開始將MOSFET關斷，在關斷過程中MOSFET消耗的功率為POFF=V*I，由於關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MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時，MOSFET在關斷期間處於飽和區，容易發生各單元間的熱不平衡從而導致MOSFET提前失效。
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提高關斷的速度
，可以減小關斷損耗，但這會產生另外的問題。MOSFET的等效電路如圖4所示

，其包含了一個寄生的三極管。在MOSFET短路期間，電流全部通過MOSFET溝道流過，當MOSFET快速關斷時，其部分電流會經過Rb流過

，從而增加三極管的基極電壓，使寄生三極管導通，MOSFET提前失效。

因此，要選取合適的關斷速度。由於不同MOSFET承受的關斷速率不同，需要通過實際的測試來設置合適的關斷速度。
圖5(a)為快速關斷波形，關斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關斷MOSFET
，圖5(b)為慢速關斷電路，在回路中串一隻電阻來控製放電速度，增加電阻可以減緩關斷速度。
AOT266為AOS新一代的中壓MOSFET，其耐壓為60V，RDS(ON)僅為3.2毫歐，適合在磷酸鐵鋰電保護中的應用。圖6(a)為AOT266在不正確的設計時快速關斷的波形
，AOT266在快關斷過程中失效
，失效時其電壓尖峰為68V，失效後電流不能回零，其失效根本原因是關斷太快。圖6(b)為使用正確的設計
、放電電阻為1K時的慢速關斷波形
，MOSFET的關斷時間達到13.5us
，電壓尖峰為80.8V，但MOSFET沒有失效，因此慢速關斷在這種應用中可以提高短路能力。
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（3）雪崩階段

在MOSFET關斷過程的後期
，MOSFET通常會進入雪崩狀態，如圖2(b)中的雪崩階段。關斷後期MOSFET漏極電壓尖峰為VSPIKE=VB+LP*di/dt
，回路的引線電感LP和di/dt過大均會導致MOSFET過壓
，從而導致MOSFET提前失效。

功率MOSFET的選取原則

（1）通過熱設計來確定所需並聯的MOSFET數量和合適的RDS(ON)；
（2）盡量選擇較小RDS(ON)的MOSFET，從而能夠使用較少的MOSFET並聯。多個MOSFET並聯易發生電流不平衡
，對於並聯的MOSFET應該有獨立的並且相等的驅動電阻，以防止MOSFET間形成震蕩；
（3）基於最大短路電流
、並聯的MOSFET數量
、驅動電壓等選擇合適gFS的MOSFET；
（4）考慮在關斷後期的電壓尖峰
，MOSFET的雪崩能量不能太小。

本文小結

在電動車磷酸鐵鋰電池保護應用中，短路保護設計和整個係統的可靠性直接相關，因此不但要選擇合適的功率MOSFET
，而且要設計合適的驅動電路，才能保證功率MOSFET的安全工作。

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