当电动车锂电池短路保护工作时,功率MOSFET-般经过三个工作阶段:完全导通、关断、雪崩,如下图所示,其中VGS为MOSFET驱动电压,VDS为MOSFET漏极电压,ISC为短路电流,下图(h)为下图(a)中关断期间的放大图。
1)完全导通阶段
如下图(a)所示,短路刚发生时,MOSFET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MOSFET承受的功耗为PON=ISC2*RDS(on),所以具有较小RDS(on)的MOSFET功耗较低。
功率MOSFET的跨导Gfs也会影响功率MOSFET的导通损耗。当MOSFET的Gfs较小且短路电流很大时.MOSFET将工作在饱和区,其饱和导通压降很大.MOSFET的VDS (ON)在短路时达到14.8V,MOSFET功耗会很大,从而导致MOSFET因过功耗而失效。如果MOSFET没有工作在饱和区,则其导通压降应该只有几伏,如下图(a)中的VDS所示。
(2)关断阶段
如下图(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者时很高,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的等效电路如下图所示,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Rh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。
快速关断电路在关断时通过三极管快速将栅极电荷放掉从而快速关断MOSFET,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。
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。AOT266在不正确的设计时快关断过程中会失效,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。正确的设计、放电电阻为1K,MOSFET的关断时间达到13.5μs,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关断过程的届期,MOSFET通常会进入雪崩状态。关断后期MOS~FET漏极电压尖峰为VSPIKE=VB+IP*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。