通常,由于磷酸铁锂电源的特性,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,以保证电源**的运作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的运作条件,将介绍功率 MOS管在这种运作状态的特点,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源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 ,实际的运作中,根据不同的应用,会使用多个功率 MOS管 并联运作,以减小导通电阻,增强散热性能。RS为电源等效内阻,LP为电源引线电感。
正常运作时,控制信号控制 MOS管 打开,电源组的端子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**运作。
但是,当负载发生短路时,由于回路电阻很小,电源的放电能力很强,所以短路电流从正常运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。
磷酸铁锂电源短路保护的难点
(1)短路电流大
在电动车中,磷酸铁锂电源的电压一般为36V或48V,短路电流随电源的容量、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**的运作,这也提高了系统的设计难度。
短路保护
当短路保护运作时,功率 MOS管 一般经过三个运作阶段: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*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 将运作在饱和区,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 没有运作在饱和区,则其导通压降应该只有几伏,如图2(a) 中的VDS所示。
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