BMS應用CMP200N06功率MOSFET

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前言

隨著我國“碳達峰，碳中和”目標持續的推進和一攬子利好性政策趨向電動車行業，極大地刺激和促進了電動車行業的發展。趁此契機，國內誕生了不少新型電動車企業甚至電動車行業巨頭；與此同時，傳統汽車企業也在加快技術轉型和市場布局向電動車行業發力。如今，國內電動車行業已形成百花齊放，百家爭鳴的場面。

鋰電池作為電動車能量的供應模塊，也得到了發展和進步。盡管如此，近年來電動車載鋰電池自燃自爆事故依然頻發，嚴重威脅到了廣大用戶的生命和財產安全。既發事故，究其原因大多是使用不合規產品所致。深圳作為全國文明城市，在最新修訂的《深圳經濟特區消防條例》明確禁止電動車和蓄電池入戶的規定。由此，發展可靠的鋰電池保護安全技術已刻不容緩。半導體器件是構成電力電子基礎且關鍵性的元件，性能穩定的半導體器件是電動車安全可靠運行的基石。

廣東場效應半導體有限公司（Cmos）作為國內負責任的半導體制造企業，以安全可靠的產品，以敢想敢干的態度，以專業務實的素養，主動承擔著社會責任，在市場上得到廣大用戶的認可。

一、鋰電池保護

鋰電池保護板是鋰電池安全可靠運行的關鍵。因為鋰電池的特性，在應用過程中需要對其充電放電過程進行監測保護，避免因過充過放造成電池損壞，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)系統中常見失效模式，預防改善措施及應用選型。

二、電路分析

圖一為鋰電池保護板典型電路結構。圖中M1為放電MOS管，M2為充電MOS管。實際的工作中，根據不同的應用，會使用多個功率MOSFET并聯工作，以減小導通電阻，增強散熱性能，提高充放電能力。

電路正常工作時，單片機FS312F-P發出信號控制M1和M2 MOSFET打開，電池端子BATT+和 BATT-輸出電壓，與負載形成放電回路。此過程，功率M1和M2 MOSFET一直處于導通狀態，功率損耗只有導通損耗，因為內阻只有幾個毫歐，MOSFET總的功率損耗不高，溫升小，電路整體運行穩定。當負載端發生短路時，由于回路電阻很小，電池的電能很大，根據歐姆定律，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基本都會發生過流擊穿。

三、鋰電池短路特點

1、短路電流大

鋰電池的電壓一般為100V以內，與負載端形成的放電回路，電阻很小，又加上導線寄生電感（1mm銅輻線約產生1Nh電感）的存在，短路時的電流瞬間可超過幾百安培以上。

2、短路保護時間要適當

在應用過程中，為了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。而且，由于電流檢測電阻的誤差、電流檢測信號和系統響應的延時，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在較大的短路電流下，能夠在此時間內安全的工作，這也提高了系統的設計難度。

四、短路保護分析

當鋰電保護板短路保護工作時，功率 MOSFET一般經過三個工作階段：導通、關斷和雪崩三個階段。雪崩通常在超過 MOSFET 的擊穿電壓BVDSS時發生，這意味著該器件的使用已超出其數據表規范。因此，設計人員應盡一切合理努力，避免MOSFET工作在雪崩狀態。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,即便是負載短路也很少出現超過BVDSS，而實際電路中發生雪崩即超過BVDSS損壞主要是因為回路中存在電感器、寄生電感等感性負載使得關斷的 dv/dt 值偏大造成較高的VDS尖峰,因而形成雪崩條件。

1、導通階段

短路發生瞬間，MOSFET處于完全導通狀態，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,產生的熱量較低。另外，MOSFET的跨導 (Gfs)能力也會影響MOSFET的導通損耗。功率MOS管的跨導參數為Gfs=ID/VGS，跨導值較小且短路電流又很大，MOS 管必將工作在飽和區，其飽和導通壓降dv/dt很大，MOS 管功耗會很大，從而導致 MOS 管因過功耗而失效。如果 MOS 管沒有工作在飽和區，則其導通壓降應該只有幾伏。

2、關斷階段

保護電路工作后，開始將 MOSFET關斷，在關斷過程中 MOSFET消耗的功率為 POFF=V×I，由于關斷時電壓和電流都很高，所以功率通常會達到幾千瓦以上，這個階段，MOSFET很容易因瞬間過功率而損壞。同時，MOS 管在關斷期間處于飽和區，容易發生各單元間的熱不平衡從而導致 MOSFET 提前失效。提高關斷的，可以減小關斷損耗，但這會產生另外的問題。

MOSFET的內部拓撲結構圖二所示，在MOSFET短路期間，電流全部通過 MOS管溝道流過，當 MOS管快速關斷時，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，MOS管提前失效。

因此，要選取合適的關斷速度。由于不同 MOSFET自生的寄生電容不同，承受的關斷速率不同，需要通過實際的計算和測試來選擇合適頻率的關斷速度。

圖三(a)為快速關斷電路，關斷時通過三極管快速將柵極電荷放掉從而快速關斷 MOSFET，

圖三(b)為慢速關斷電路，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斷速度。

3、雪崩階段

在 MOSFET關斷過程的后期，MOSFET通常會進入雪崩狀態，如圖 1(b)中的雪崩階段。

關斷后期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過大均會導致 MOSFET過壓，從而導致 MOSFET失效。

五、常見異常案例分析

案例一：

（1）項目背景：電池規格 60V24AH，5 并，短路電流 1800A，泄放電路電阻 100R+510R（獨立控制）。

（2）失效機理：關斷期間，處于飽和區時間過長，各單元間的熱不平衡從而導致MOSFET提前失效。

1、原理圖：

2、解決措施：調整泄放回路：將 R60 的 1K 改為 10R，每個 mos 單獨串聯的 100R 改為 10R；

3、整改結果：整改后，關斷后的米勒平臺持續時間趨于0，避免器件處于高壓大電流狀態，柵極電壓接近 0V。

案例二：

（1）項目背景：電池規格 48V12AH，2 并，短路電流 500A，泄放電路電阻 1k+0R（并聯 MOSFET未獨立控制）。

（2）失效機理：并聯功率MOSFET時未插入柵極電阻而直接連接時發生的柵極寄生振蕩，從而導致誤動作引起器件損壞。

1、原理圖：

2、解決措施：調整柵極電路：每個MOSFET單獨串聯的 22R 電阻進行單獨控制，調整為 1k+22R。

3、調整結果： 整改后，關斷米勒平臺未出現柵極諧振現象，短路時正常關斷。

六、功率 MOSFET 的選取原則

（1）通過熱設計來確定所需并聯的 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 并聯。多個MOSFET 并聯易發生電流不平衡，對于并聯的 MOSFET 應該有獨立的并且相等的驅動電阻，以防止 MOSFET 間形成震蕩；

（3）基于最大短路電流、并聯的 MOSFET 數量、驅動電壓等選擇合適跨導Gfs 特性的MOSFET；

（4）考慮在關斷后期的電壓尖峰，MOSFET 的雪崩能量不能太小。

七、應用選型

Cmos CMP200N06是一款持續漏極電流（ID）為180A，擊穿電壓(BVDSS)為60V低壓增強型場效應半導體器件，EAS雪崩抗沖擊能量達到2812MJ,參數決定了該料適合于大功率電路和承受較強的抗沖擊能力電路應用環境。RDS(ON)只有2.8MΩ，較低的優值系數FOM=QGD×RDS(ON)決定了該物料具有較高的功率傳遞效率。48nS的優秀跨導能力，能夠滿足半橋，全橋，推挽即放大應用特性電路的需求。結合理論和實踐認為這顆料非常適合用在鋰電保護方面表現出超強的可靠性。

八、總結

本文總結了鋰電池保護技術的發展，并結合具體案列，主要是對電路的落地泄放電阻和柵極驅動電路中驅動電阻進行優化調整，再用試驗儀器對調整前后的電路進行相關波形測取和分析，達到驗證試驗猜想的目的。

結論一：調整鋰電池保護電路保護電阻即泄放電阻，優化場效應管關閉時米勒平臺持續的時間；

結論二：調整鋰電池保護電路驅動電阻，優化場效應管開啟時間即組合拓撲結構中的死區控制時間，實現精準控制。