BMS应用CMP200N06功率MOSFET

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前言

随着我国“碳达峰，碳中和”目标持续的推进和一揽子利好性政策趋向电动车行业，极大地刺激和促进了电动车行业的发展。趁此契机，国内诞生了不少新型电动车企业甚至电动车行业巨头；与此同时，传统汽车企业也在加快技术转型和市场布局向电动车行业发力。如今，国内电动车行业已形成百花齐放，百家争鸣的场面。

锂电池作为电动车能量的供应模块，也得到了发展和进步。尽管如此，近年来电动车载锂电池自燃自爆事故依然频发，严重威胁到了广大用户的生命和财产安全。既发事故，究其原因大多是使用不合规产品所致。深圳作为全国文明城市，在最新修订的《深圳经济特区消防条例》明确禁止电动车和蓄电池入户的规定。由此，发展可靠的锂电池保护安全技术已刻不容缓。半导体器件是构成电力电子基础且关键性的元件，性能稳定的半导体器件是电动车安全可靠运行的基石。

广东场效应半导体有限公司（Cmos）作为国内负责任的半导体制造企业，以安全可靠的产品，以敢想敢干的态度，以专业务实的素养，主动承担着社会责任，在市场上得到广大用户的认可。

一、锂电池保护

锂电池保护板是锂电池安全可靠运行的关键。因为锂电池的特性，在应用过程中需要对其充电放电过程进行监测保护，避免因过充过放造成电池损坏，以保障电池安全工作。本文基于CMP200N06将介绍功率 MOSFET 管在BMS(Battery Management System)系统中常见失效模式，预防改善措施及应用选型。

二、电路分析

图一为锂电池保护板典型电路结构。图中M1为放电MOS管，M2为充电MOS管。实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOSFET并联工作，以减小导通电阻，增强散热性能，提高充放电能力。

电路正常工作时，单片机FS312F-P发出信号控制M1和M2 MOSFET打开，电池端子BATT+和 BATT-输出电压，与负载形成放电回路。此过程，功率M1和M2 MOSFET一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，因为内阻只有几个毫欧，MOSFET总的功率损耗不高，温升小，电路整体运行稳定。当负载端发生短路时，由于回路电阻很小，电池的电能很大，根据欧姆定律，短路电流从几十安培突然增加到几百安培甚至更高，在这种情况下，MOSFET基本都会发生过流击穿。

三、锂电池短路特点

1、短路电流大

锂电池的电压一般为100V以内，与负载端形成的放电回路，电阻很小，又加上导线寄生电感（1mm铜辐线约产生1Nh电感）的存在，短路时的电流瞬间可超过几百安培以上。

2、短路保护时间要适当

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 MOSFET在较大的短路电流下，能够在此时间内安全的工作，这也提高了系统的设计难度。

四、短路保护分析

当锂电保护板短路保护工作时，功率 MOSFET一般经过三个工作阶段：导通、关断和雪崩三个阶段。雪崩通常在超过 MOSFET 的击穿电压BVDSS时发生，这意味着该器件的使用已超出其数据表规范。因此，设计人员应尽一切合理努力，避免MOSFET工作在雪崩状态。在选择MOSFET时，考虑到安全裕量原则，通常会选择大于正常工作的电压的MOSFET,即便是负载短路也很少出现超过BVDSS，而实际电路中发生雪崩即超过BVDSS损坏主要是因为回路中存在电感器、寄生电感等感性负载使得关断的 dv/dt 值偏大造成较高的VDS尖峰,因而形成雪崩条件。

1、导通阶段

短路发生瞬间，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 MOS 管承受的功耗为 PON=I×I×RDS(on)，显然具有较小 RDS(on)的 MOSFET功耗较低,产生的热量较低。另外，MOSFET的跨导 (Gfs)能力也会影响MOSFET的导通损耗。功率MOS管的跨导参数为Gfs=ID/VGS，跨导值较小且短路电流又很大，MOS 管必将工作在饱和区，其饱和导通压降dv/dt很大，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。

2、关断阶段

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都很高，所以功率通常会达到几千瓦以上，这个阶段，MOSFET很容易因瞬间过功率而损坏。同时，MOS 管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，可以减小关断损耗，但这会产生另外的问题。

MOSFET的内部拓扑结构图二所示，在MOSFET短路期间，电流全部通过 MOS管沟道流过，当 MOS管快速关断时，其部分电流会经过RB流过，从而增加三极管的基极电压，使寄生三极管导通，MOS管提前失效。

因此，要选取合适的关断速度。由于不同 MOSFET自生的寄生电容不同，承受的关断速率不同，需要通过实际的计算和测试来选择合适频率的关断速度。

图三(a)为快速关断电路，关断时通过三极管快速将栅极电荷放掉从而快速关断 MOSFET，

图三(b)为慢速关断电路，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。

3、雪崩阶段

在 MOSFET关断过程的后期，MOSFET通常会进入雪崩状态，如图 1(b)中的雪崩阶段。

关断后期MOSFET漏极电压尖峰为VSPIKE=VBDSS+LLOOP×di/dt，回路中的引线寄生电感 LLOOP和 di/dt过大均会导致 MOSFET过压，从而导致 MOSFET失效。

五、常见异常案例分析

案例一：

（1）项目背景：电池规格 60V24AH，5 并，短路电流 1800A，泄放电路电阻 100R+510R（独立控制）。

（2）失效机理：关断期间，处于饱和区时间过长，各单元间的热不平衡从而导致MOSFET提前失效。

1、原理图：

2、解决措施：调整泄放回路：将 R60 的 1K 改为 10R，每个 mos 单独串联的 100R 改为 10R；

3、整改结果：整改后，关断后的米勒平台持续时间趋于0，避免器件处于高压大电流状态，栅极电压接近 0V。

案例二：

（1）项目背景：电池规格 48V12AH，2 并，短路电流 500A，泄放电路电阻 1k+0R（并联 MOSFET未独立控制）。

（2）失效机理：并联功率MOSFET时未插入栅极电阻而直接连接时发生的栅极寄生振荡，从而导致误动作引起器件损坏。

1、原理图：

2、解决措施：调整栅极电路：每个MOSFET单独串联的 22R 电阻进行单独控制，调整为 1k+22R。

3、调整结果： 整改后，关断米勒平台未出现栅极谐振现象，短路时正常关断。

六、功率 MOSFET 的选取原则

（1）通过热设计来确定所需并联的 MOSFET 数量和合适的 RDS(ON)；

（2）尽量选择较小 RDS(ON)的MOSFET，从而能够使用较少的 MOSFET 并联。多个MOSFET 并联易发生电流不平衡，对于并联的 MOSFET 应该有独立的并且相等的驱动电阻，以防止 MOSFET 间形成震荡；

（3）基于最大短路电流、并联的 MOSFET 数量、驱动电压等选择合适跨导Gfs 特性的MOSFET；

（4）考虑在关断后期的电压尖峰，MOSFET 的雪崩能量不能太小。

七、应用选型

Cmos CMP200N06是一款持续漏极电流（ID）为180A，击穿电压(BVDSS)为60V低压增强型场效应半导体器件，EAS雪崩抗冲击能量达到2812MJ,参数决定了该料适合于大功率电路和承受较强的抗冲击能力电路应用环境。RDS(ON)只有2.8MΩ，较低的优值系数FOM=QGD×RDS(ON)决定了该物料具有较高的功率传递效率。48nS的优秀跨导能力，能够满足半桥，全桥，推挽即放大应用特性电路的需求。结合理论和实践认为这颗料非常适合用在锂电保护方面表现出超强的可靠性。

八、总结

本文总结了锂电池保护技术的发展，并结合具体案列，主要是对电路的落地泄放电阻和栅极驱动电路中驱动电阻进行优化调整，再用试验仪器对调整前后的电路进行相关波形测取和分析，达到验证试验猜想的目的。

结论一：调整锂电池保护电路保护电阻即泄放电阻，优化场效应管关闭时米勒平台持续的时间；

结论二：调整锂电池保护电路驱动电阻，优化场效应管开启时间即组合拓扑结构中的死区控制时间，实现精准控制。