雙向保護(hù)開關(guān)評(píng)估套件使用指南

在鋰離子電池的應(yīng)用中，電池管理系統(tǒng)（BMS）起著至關(guān)重要的作用，它能監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)并確保電池安全運(yùn)行。其中，電子開關(guān)是BMS的重要組成部分，在關(guān)鍵條件下能將電池與充電器或負(fù)載斷開。今天，我們就來(lái)詳細(xì)介紹雙向開關(guān)評(píng)估套件EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER，它主要用于測(cè)試和評(píng)估MOSFET的性能。

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1. 雙向開關(guān)基礎(chǔ)

雙向電流阻斷是多電源系統(tǒng)中的必要功能，功率MOSFET可以采用源極 - 源極或漏極 - 漏極配置，作為雙向保護(hù)開關(guān)（BDPS）。BDPS可由兩個(gè)N溝道或P溝道FET實(shí)現(xiàn)，由于N溝道FET具有更低的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和成本，因此更為常用。保護(hù)功能可以通過(guò)在電源（如電池）的正極或負(fù)極連接MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)，BMS的高低側(cè)開關(guān)配置各有特點(diǎn)，大家可以在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需求選擇。

2. 評(píng)估板概述

2.1 雙向開關(guān)板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G

在使用MOSFET之前，了解其性能至關(guān)重要，而數(shù)據(jù)手冊(cè)是很好的參考資料。不過(guò)，實(shí)際應(yīng)用中各種寄生元件會(huì)影響MOSFET的性能。EVAL_BDPS_DD_TOLL/G評(píng)估板采用漏極 - 漏極配置的MOSFET，支持36 - 75V的工作電壓、0 - 30A的連續(xù)輸出電流等規(guī)格。它有TOLL和TOLG兩種封裝的MOSFET可供選擇，分別對(duì)應(yīng)不同型號(hào)。

2.2 柵極驅(qū)動(dòng)板EVAL_BDPS_DRIVER

通常保護(hù)開關(guān)由專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，EVAL_BDPS_DRIVER板使用2EDF7175F雙通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。該驅(qū)動(dòng)板的兩個(gè)輸出通道具有150V/ns的高共模噪聲抗擾度（CMTI），每個(gè)通道可提供1A源電流和2A灌電流，方便評(píng)估MOSFET的并聯(lián)配置。板上還采用了隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器，為柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出通道提供必要的電壓。

3. 評(píng)估板設(shè)置

3.1 板間連接

柵極驅(qū)動(dòng)板需與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板連接以驅(qū)動(dòng)MOSFET，兩塊板的底部都有用于連接的連接器，按標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)連接即可。

3.2 連接電池或電源

雙向開關(guān)板上的MP1和MP3端子用于連接電源和負(fù)載，MP1連接電源負(fù)極，MP2連接負(fù)載負(fù)極，且這兩個(gè)端子可互換。由于MOSFET柵極由隔離柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，也可將MOSFET連接到電源或負(fù)載的正極。

3.3 為柵極驅(qū)動(dòng)板供電

柵極驅(qū)動(dòng)板有兩種供電方式：一是使用電池或電源，將驅(qū)動(dòng)板X1連接器的2腳連接電池正極，1腳連接負(fù)極；二是使用20 - 80V的外部電源，同樣連接X(jué)1連接器的2腳到電源正極，1腳到電源地，并將外部電源地與電池負(fù)極相連。需要注意的是，電源板設(shè)計(jì)最大電壓為80V，且柵極驅(qū)動(dòng)板無(wú)保護(hù)，要注意X1連接器1、2腳的供電極性。

3.4 提供柵極信號(hào)

驅(qū)動(dòng)板的X4連接器用于提供柵極信號(hào)，將3.3 - 5V的柵極信號(hào)分別施加到X4的1腳和3腳（相對(duì)于2腳地），信號(hào)會(huì)連接到板上柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入引腳，驅(qū)動(dòng)器輸出通道根據(jù)所選柵極電阻R1和R2驅(qū)動(dòng)MOSFET。

4. 評(píng)估板并聯(lián)與保護(hù)

4.1 評(píng)估板并聯(lián)

由于MOSFET溫度升高會(huì)限制單塊板的電流，建議將MOSFET溫度升高限制在105°C以下。雙向開關(guān)板EVAL_BDPS_DDTOLL/G可以并聯(lián)使用，以允許更高的負(fù)載電流。并聯(lián)板的數(shù)量可通過(guò)公式計(jì)算得出：$Number of boards in parallel =I{L} sqrt{frac{R{d s{-} o n @ 100^{circ} C} R{t h _j a{-} 6 c m^{2}}}{T{max }-T{a m b}}}$。不過(guò)，并聯(lián)電源板的最大數(shù)量受柵極驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)板上的電阻R14、R16、R17和R18限制。

4.2 MOSFET雪崩保護(hù)

連接雙向開關(guān)與電池和負(fù)載的電纜寄生電感產(chǎn)生的電壓，可能因MOSFET的高關(guān)斷斜率（di/dt）導(dǎo)致MOSFET進(jìn)入雪崩狀態(tài)。我們可以通過(guò)配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的柵極電阻R3和R4來(lái)調(diào)整關(guān)斷斜率。此外，雙向保護(hù)開關(guān)板預(yù)留了安裝TVS二極管D1和D2的位置，可選擇合適額定值的TVS二極管跨接在MOSFET的漏源極之間，以鉗位瞬態(tài)電壓。

5. 測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試參數(shù)

測(cè)試板的參數(shù)包括輸入電壓50V、電纜和寄生電感1.5uH、允許的最大MOSFET溫度100°C、短路電流73A以及短路電流持續(xù)時(shí)間150us等。

5.2 電流與溫度隨時(shí)間的測(cè)量

在37A的連續(xù)負(fù)載電流下，MOSFET溫度達(dá)到100°C，此時(shí)施加73A的短路電流，對(duì)IPTG014N10NM5（TOLG）進(jìn)行測(cè)試，IPTG015N10N5（TOLL）的性能與之相似。

5.3 波形測(cè)試

對(duì)IPTG014N10NM5（TOLG）進(jìn)行短路測(cè)試，得到相應(yīng)波形，IPTG015N10N5（TOLL）的表現(xiàn)與之相同。

6. 總結(jié)

雙向保護(hù)開關(guān)評(píng)估套件為我們?cè)u(píng)估MOSFET性能提供了便捷的工具。通過(guò)合理設(shè)置評(píng)估板、并聯(lián)使用以及做好MOSFET的保護(hù)措施，我們可以更準(zhǔn)確地測(cè)試MOSFET在不同條件下的性能，為實(shí)際應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。大家在使用過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，歡迎一起交流探討。

參考文獻(xiàn)

[1] Infineon Technologies AG: Battery protection unit (BPU) – Infineon website; 2022; available online. [2] Badha, Susheel/Ismail, Mahmoud: Service Robotics Advanced: Part 2 of 3. Editorial series sponsored by Infineon; Ensuring the Safe Operation of MOSFETs in Bidirectional Protection Power Switch (BDPS) Applications; Power Systems Design Edition 06/08/2021; available online.