浅谈锂电池保护电路中功率MOS管的作用

通常，由于磷酸铁锂电池的特性，在应用中需要对其充放电过程进行保护，以免过充过放或过热，以保证电池安全的工作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件，本文将介绍功率MOS管在这种工作状态的特点，以及如何选取功率MOS管型号和设计合适的驱动电路。

电路结构及应用特点

电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管，使用N沟道增强型MOS管，实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOS管并联工作，以减小导通电阻，增强散热性能。RS为电池等效内阻，LP为电池引线电感。

正常工作时，控制信号控制MOS管打开，电池组的端子P+和P-输出电压，供负载使用。此时，功率MOS管一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，没有开关损耗，功率MOS管的总的功率损耗并不高，温升小，因此功率MOS管可以安全工作。

但是，当负载发生短路时，由于回路电阻很小，电池的放电能力很强，所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培，在这种情况下，功率MOS管容易损坏。

磷酸铁锂电池短路保护的难点

(1)短路电流大

在电动车中，磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V，短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化，通常为几百甚至上千安培。

(2)短路保护时间不能太短

在应用过程中，为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作，因此，短路保护电路具有一定的延时。而且，由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时，通常，根据不同的应用，将短路保护时间设置在200μS至1000μS，这要求功率MOS管在高的短路电流下，能够在此时间内安全的工作，这也提高了系统的设计难度。

短路保护

当短路保护工作时，功率MOS管一般经过三个工作阶段：完全导通、关断、雪崩，如图2所示，其中VGS为MOS管驱动电压，VDS为MOS管漏极电压，ISC为短路电流，图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。

图2：短路过程。(a)完全导通阶段;(b)关断和雪崩阶段。

(1)完全导通阶段

如图2(a)所示，短路刚发生时，MOS管处于完全导通状态，电流迅速上升至最大电流，在这个过程，功率MOS管承受的功耗为PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有较小RDS(on)的MOS管功耗较低。

功率MOS管的跨导Gfs也会影响功率MOS管的导通损耗。当MOS管的Gfs较小且短路电流很大时，MOS管将工作在饱和区，其饱和导通压降很大，如图3所示，MOS管的VDS(ON)在短路时达到14.8V，MOS管功耗会很大，从而导致MOS管因过功耗而失效。如果MOS管没有工作在饱和区，则其导通压降应该只有几伏，如图2(a)中的VDS所示。