BMS應(yīng)用CMP200N06功率MOSFET
BMS應(yīng)用CMP200N06功率MOSFET
前言
隨著我國“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)持續(xù)的推進(jìn)和一攬子利好性政策趨向電動車行業(yè)，極大地刺激和促進(jìn)了電動車行業(yè)的發(fā)展。趁此契機(jī)，國內(nèi)誕生了不少新型電動車企業(yè)甚至電動車行業(yè)巨頭；與此同時，傳統(tǒng)汽車企業(yè)也在加快技術(shù)轉(zhuǎn)型和市場布局向電動車行業(yè)發(fā)力。如今，國內(nèi)電動車行業(yè)已形成百花齊放，百家爭鳴的場面。
鋰電池作為電動車能量的供應(yīng)模塊，也得到了發(fā)展和進(jìn)步。盡管如此，近年來電動車載鋰電池自燃自爆事故依然頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到了廣大用戶的生命和財產(chǎn)安全。既發(fā)事故，究其原因大多是使用不合規(guī)產(chǎn)品所致。深圳作為全國文明城市，在最新修訂的《深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)消防條例》明確禁止電動車和蓄電池入戶的規(guī)定。由此，發(fā)展可靠的鋰電池保護(hù)安全技術(shù)已刻不容緩。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電力電子基礎(chǔ)且關(guān)鍵性的元件，性能穩(wěn)定的半導(dǎo)體器件是電動車安全可靠運(yùn)行的基石。
廣東場效應(yīng)半導(dǎo)體有限公司（Cmos）作為國內(nèi)負(fù)責(zé)任的半導(dǎo)體制造企業(yè)，以安全可靠的產(chǎn)品，以敢想敢干的態(tài)度，以專業(yè)務(wù)實的素養(yǎng)，主動承擔(dān)著社會責(zé)任，在市場上得到廣大用戶的認(rèn)可。
一、鋰電池保護(hù)
鋰電池保護(hù)板是鋰電池安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。因為鋰電池的特性，在應(yīng)用過程中需要對其充電放電過程進(jìn)行監(jiān)測保護(hù)，避免因過充過放造成電池?fù)p壞，以保障電池安全工作。本文基于CMP200N06將介紹功率 MOSFET 管在BMS(Battery Management System)系統(tǒng)中常見失效模式，預(yù)防改善措施及應(yīng)用選型。
二、電路分析
圖一為鋰電池保護(hù)板典型電路結(jié)構(gòu)。圖中M1為放電MOS管，M2為充電MOS管。實際的工作中，根據(jù)不同的應(yīng)用，會使用多個功率MOSFET并聯(lián)工作，以減小導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)散熱性能，提高充放電能力。
電路正常工作時，單片機(jī)FS312F-P發(fā)出信號控制M1和M2 MOSFET打開，電池端子BATT+和 BATT-輸出電壓，與負(fù)載形成放電回路。此過程，功率M1和M2 MOSFET一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，功率損耗只有導(dǎo)通損耗，因為內(nèi)阻只有幾個毫歐，MOSFET總的功率損耗不高，溫升小，電路整體運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載端發(fā)生短路時，由于回路電阻很小，電池的電能很大，根據(jù)歐姆定律，短路電流從幾十安培突然增加到幾百安培甚至更高，在這種情況下，MOSFET基本都會發(fā)生過流擊穿。
三、鋰電池短路特點(diǎn)
1、短路電流大
鋰電池的電壓一般為100V以內(nèi)，與負(fù)載端形成的放電回路，電阻很小，又加上導(dǎo)線寄生電感（1mm銅輻線約產(chǎn)生1Nh電感）的存在，短路時的電流瞬間可超過幾百安培以上。
2、短路保護(hù)時間要適當(dāng)
在應(yīng)用過程中，為了防止瞬態(tài)的過載使短路保護(hù)電路誤動作，因此，短路保護(hù)電路具有一定的延時。而且，由于電流檢測電阻的誤差、電流檢測信號和系統(tǒng)響應(yīng)的延時，通常，根據(jù)不同的應(yīng)用，將短路保護(hù)時間設(shè)置在 200μS 至 1000μS，這要求功率 MOSFET在較大的短路電流下，能夠在此時間內(nèi)安全的工作，這也提高了系統(tǒng)的設(shè)計難度。
四、短路保護(hù)分析
當(dāng)鋰電保護(hù)板短路保護(hù)工作時，功率 MOSFET一般經(jīng)過三個工作階段：導(dǎo)通、關(guān)斷和雪崩三個階段。雪崩通常在超過 MOSFET 的擊穿電壓BVDSS時發(fā)生，這意味著該器件的使用已超出其數(shù)據(jù)表規(guī)范。因此，設(shè)計人員應(yīng)盡一切合理努力，避免MOSFET工作在雪崩狀態(tài)。在選擇MOSFET時，考慮到安全裕量原則，通常會選擇大于正常工作的電壓的MOSFET,即便是負(fù)載短路也很少出現(xiàn)超過BVDSS，而實際電路中發(fā)生雪崩即超過BVDSS損壞主要是因為回路中存在電感器、寄生電感等感性負(fù)載使得關(guān)斷的 dv/dt 值偏大造成較高的VDS尖峰,因而形成雪崩條件。
1、導(dǎo)通階段
短路發(fā)生瞬間，MOSFET處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，電流迅速上升至最大電流，在這個過程，功率 MOS 管承受的功耗為 PON=I×I×RDS(on)，顯然具有較小 RDS(on)的 MOSFET功耗較低,產(chǎn)生的熱量較低。另外，MOSFET的跨導(dǎo) (Gfs)能力也會影響MOSFET的導(dǎo)通損耗。功率MOS管的跨導(dǎo)參數(shù)為Gfs=ID/VGS，跨導(dǎo)值較小且短路電流又很大，MOS 管必將工作在飽和區(qū)，其飽和導(dǎo)通壓降dv/dt很大，MOS 管功耗會很大，從而導(dǎo)致 MOS 管因過功耗而失效。如果 MOS 管沒有工作在飽和區(qū)，則其導(dǎo)通壓降應(yīng)該只有幾伏。
2、關(guān)斷階段
保護(hù)電路工作后，開始將 MOSFET關(guān)斷，在關(guān)斷過程中 MOSFET消耗的功率為 POFF=V×I，由于關(guān)斷時電壓和電流都很高，所以功率通常會達(dá)到幾千瓦以上，這個階段，MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時，MOS 管在關(guān)斷期間處于飽和區(qū)，容易發(fā)生各單元間的熱不平衡從而導(dǎo)致 MOSFET 提前失效。提高關(guān)斷的，可以減小關(guān)斷損耗，但這會產(chǎn)生另外的問題。
MOSFET的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖二所示，在MOSFET短路期間，電流全部通過 MOS管溝道流過，當(dāng) MOS管快速關(guān)斷時，其部分電流會經(jīng)過RB流過，從而增加三極管的基極電壓，使寄生三極管導(dǎo)通，MOS管提前失效。
因此，要選取合適的關(guān)斷速度。由于不同 MOSFET自生的寄生電容不同，承受的關(guān)斷速率不同，需要通過實際的計算和測試來選擇合適頻率的關(guān)斷速度。
圖三(a)為快速關(guān)斷電路，關(guān)斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關(guān)斷 MOSFET，
圖三(b)為慢速關(guān)斷電路，在回路中串一只電阻來控制放電速度，增加電阻可以減緩關(guān)斷速度。
3、雪崩階段
在 MOSFET關(guān)斷過程的后期，MOSFET通常會進(jìn)入雪崩狀態(tài)，如圖 1(b)中的雪崩階段。
關(guān)斷后期MOSFET漏極電壓尖峰為VSPIKE=VBDSS+LLOOP×di/dt，回路中的引線寄生電感 LLOOP和 di/dt過大均會導(dǎo)致 MOSFET過壓，從而導(dǎo)致 MOSFET失效。
五、常見異常案例分析
案例一：
（1）項目背景：電池規(guī)格 60V24AH，5 并，短路電流 1800A，泄放電路電阻 100R+510R（獨(dú)立控制）。
（2）失效機(jī)理：關(guān)斷期間，處于飽和區(qū)時間過長，各單元間的熱不平衡從而導(dǎo)致MOSFET提前失效。
1、原理圖：
2、解決措施：調(diào)整泄放回路：將 R60 的 1K 改為 10R，每個 mos 單獨(dú)串聯(lián)的 100R 改為 10R；
3、整改結(jié)果：整改后，關(guān)斷后的米勒平臺持續(xù)時間趨于0，避免器件處于高壓大電流狀態(tài)，柵極電壓接近 0V。
案例二：
（1）項目背景：電池規(guī)格 48V12AH，2 并，短路電流 500A，泄放電路電阻 1k+0R（并聯(lián) MOSFET未獨(dú)立控制）。
（2）失效機(jī)理：并聯(lián)功率MOSFET時未插入柵極電阻而直接連接時發(fā)生的柵極寄生振蕩，從而導(dǎo)致誤動作引起器件損壞。
1、原理圖：
2、解決措施：調(diào)整柵極電路：每個MOSFET單獨(dú)串聯(lián)的 22R 電阻進(jìn)行單獨(dú)控制，調(diào)整為 1k+22R。
3、調(diào)整結(jié)果： 整改后，關(guān)斷米勒平臺未出現(xiàn)柵極諧振現(xiàn)象，短路時正常關(guān)斷。
六、功率 MOSFET 的選取原則
（1）通過熱設(shè)計來確定所需并聯(lián)的 MOSFET 數(shù)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 并聯(lián)。多個MOSFET 并聯(lián)易發(fā)生電流不平衡，對于并聯(lián)的 MOSFET 應(yīng)該有獨(dú)立的并且相等的驅(qū)動電阻，以防止 MOSFET 間形成震蕩；
（3）基于最大短路電流、并聯(lián)的 MOSFET 數(shù)量、驅(qū)動電壓等選擇合適跨導(dǎo)Gfs 特性的MOSFET；
（4）考慮在關(guān)斷后期的電壓尖峰，MOSFET 的雪崩能量不能太小。
七、應(yīng)用選型
Cmos CMP200N06是一款持續(xù)漏極電流（ID）為180A，擊穿電壓(BVDSS)為60V低壓增強(qiáng)型場效應(yīng)半導(dǎo)體器件，EAS雪崩抗沖擊能量達(dá)到2812MJ,參數(shù)決定了該料適合于大功率電路和承受較強(qiáng)的抗沖擊能力電路應(yīng)用環(huán)境。RDS(ON)只有2.8MΩ，較低的優(yōu)值系數(shù)FOM=QGD×RDS(ON)決定了該物料具有較高的功率傳遞效率。48nS的優(yōu)秀跨導(dǎo)能力，能夠滿足半橋，全橋，推挽即放大應(yīng)用特性電路的需求。結(jié)合理論和實踐認(rèn)為這顆料非常適合用在鋰電保護(hù)方面表現(xiàn)出超強(qiáng)的可靠性。
八、總結(jié)
本文總結(jié)了鋰電池保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合具體案列，主要是對電路的落地泄放電阻和柵極驅(qū)動電路中驅(qū)動電阻進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，再用試驗儀器對調(diào)整前后的電路進(jìn)行相關(guān)波形測取和分析，達(dá)到驗證試驗猜想的目的。
結(jié)論一：調(diào)整鋰電池保護(hù)電路保護(hù)電阻即泄放電阻，優(yōu)化場效應(yīng)管關(guān)閉時米勒平臺持續(xù)的時間；
結(jié)論二：調(diào)整鋰電池保護(hù)電路驅(qū)動電阻，優(yōu)化場效應(yīng)管開啟時間即組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的死區(qū)控制時間，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
