雙向保護(hù)開(kāi)關(guān)評(píng)估套件使用指南：從原理到實(shí)戰(zhàn)

引言

在鋰離子電池應(yīng)用中，電池管理系統(tǒng)（BMS）至關(guān)重要，它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，保障電池安全運(yùn)行。而B(niǎo)MS中的電子開(kāi)關(guān)，就像是電池的“守護(hù)者”，在關(guān)鍵時(shí)刻切斷電池與充電器或負(fù)載的連接。今天，我們就來(lái)深入了解一下雙向開(kāi)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。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_BDPS_DRIVER評(píng)估板.pdf

雙向開(kāi)關(guān)原理

基本功能

雙向電流阻斷是必要的功能，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(kāi)關(guān)（BDPS）。通?？梢允褂脙蓚€(gè)N溝道或P溝道FET來(lái)實(shí)現(xiàn)BDPS，但由于N溝道FET的導(dǎo)通電阻 $RDS(on)$ 更低且成本更低，所以N溝道FET更受青睞。

保護(hù)配置

保護(hù)可以通過(guò)在電源（如電池）的正軌或負(fù)軌上連接MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。在BMS的高級(jí)框圖中，有低側(cè)（LS）和高側(cè)（HS）開(kāi)關(guān)配置，不同的配置各有優(yōu)缺點(diǎn)，大家可以參考相關(guān)資料[1]了解更多。

評(píng)估板概述

雙向開(kāi)關(guān)板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G

該評(píng)估板采用漏極 - 漏極配置的MOSFET，具有諸多優(yōu)勢(shì)。它支持的規(guī)格包括：工作電壓（VIN）為36至75 V，連續(xù)輸出電流（IOUT）為0至30 A，X4兩端電壓為+/-15 V，板尺寸為65 x 16.5 mm。有兩種MOSFET可選，分別是TOLL封裝的IPTG014N10NM5和TOLG封裝的IPTG014N10NM5。

柵極驅(qū)動(dòng)板EVAL_BDPS_DRIVER

通常，保護(hù)開(kāi)關(guān)由專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，EVAL_BDPS_DRIVER板就是用于驅(qū)動(dòng)EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。它采用2EDF7175F雙通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)輸出通道均單獨(dú)隔離，具有高達(dá)150 V/ns的共模噪聲抗擾度（CMTI）。每個(gè)通道可以以1 A的源電流和2 A的灌電流驅(qū)動(dòng)MOSFET，方便工程師評(píng)估并聯(lián)配置下的MOSFET性能。該板的規(guī)格包括：X1兩端偏置電壓為15至75 V DC，柵極信號(hào)為2.5至12 V，最大輸出電流為2.0（灌電流）/1.0 A（源電流），板尺寸為47x24mm。

評(píng)估板設(shè)置

板間接口

柵極驅(qū)動(dòng)板必須與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板連接，以驅(qū)動(dòng)MOSFET。兩塊PCB的底部都安裝了用于連接的連接器，將EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的公連接器（X1和X3）插入EVAL_BDPS_DRIVER板即可。

連接電池或電源

雙向開(kāi)關(guān)板上的MP1和MP3端子用于連接電源和負(fù)載。電池/電源和負(fù)載/充電器與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G的連接方式如圖所示，MP1連接電源負(fù)極，MP2連接負(fù)載負(fù)極。需要注意的是，MP1和MP2端子可以互換，并且由于MOSFET柵極由隔離柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，也可以將MOSFET連接到電源或負(fù)載的正極端子。

為柵極驅(qū)動(dòng)板供電

柵極驅(qū)動(dòng)板有兩種供電方式：

1. 使用電池或電源：將柵極驅(qū)動(dòng)板上X1連接器的引腳2連接到電池正極，引腳1連接到電池負(fù)極。
2. 使用外部電源：使用20至80 V的外部電源，將柵極驅(qū)動(dòng)板上X1連接器的引腳2連接到外部電源的正極，引腳1連接到外部電源的地，并將外部電源的地與電池的負(fù)極連接。但要注意，電源板設(shè)計(jì)的最大電壓為80 V，且柵極驅(qū)動(dòng)板沒(méi)有保護(hù)措施，所以要注意X1連接器引腳1和2之間的電源極性。

向柵極驅(qū)動(dòng)板提供柵極信號(hào)

柵極驅(qū)動(dòng)板上的連接器X4專門(mén)用于提供柵極信號(hào)。如圖所示，X4的引腳1用于向MOSFET Q1施加?xùn)艠O信號(hào)，引腳3用于向MOSFET Q2施加?xùn)艠O信號(hào)。相對(duì)于X4的引腳2（地），向引腳1和引腳3提供3.3至5 V的柵極信號(hào)，施加在X4上的信號(hào)會(huì)連接到板上柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入引腳，柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出通道則根據(jù)EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上選擇的柵極電阻R1和R2，以相應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)MOSFET。

評(píng)估板并聯(lián)

由于板上MOSFET的溫度升高會(huì)限制每個(gè)板的電流，建議將MOSFET的溫度升高限制在105°C以下。可以通過(guò)插入額外的電源板將雙向開(kāi)關(guān)板EVAL_BDPS_DDTOLL/G并聯(lián)，以允許更高的負(fù)載電流。并聯(lián)所需的板數(shù)可以通過(guò)以下公式計(jì)算： $Number of boards in parallel =I{L} sqrt{frac{R{d s{-} o n @ 100^{circ} C} R{t h _j a{-} 6 c m^{2}}}{T{max }-T{a m b}}}$ 其中，$I_{L}$ 是負(fù)載電流，$RDS(on)$ at 100°C是EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上MOSFET的導(dǎo)通電阻，$RthJA 6 ~cm^{2}$ 是MOSFET的結(jié) - 環(huán)境熱阻，$T_{max }$ 是MOSFET允許的最高溫度（建議限制在120°C以下），$Tamb$ 是環(huán)境溫度。需要注意的是，并聯(lián)電源板的最大數(shù)量受柵極驅(qū)動(dòng)器和柵極驅(qū)動(dòng)板上的電阻R14、R16、R17和R18的限制。

MOSFET雪崩保護(hù)

連接雙向開(kāi)關(guān)與電池和負(fù)載的電纜的寄生電感所感應(yīng)的電壓，由于MOSFET的高關(guān)斷斜率（di/dt），可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET進(jìn)入雪崩狀態(tài)。用戶可以通過(guò)配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G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(kāi)關(guān)板還提供了在MOSFET兩端安裝TVS二極管D1和D2的選項(xiàng)，雖然板上未安裝這些二極管，但用戶可以選擇合適額定值的TVS二極管來(lái)鉗位MOSFET漏極和源極之間的瞬態(tài)電壓。

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試參數(shù)

電流與溫度隨時(shí)間的測(cè)量

在37 A的連續(xù)負(fù)載電流下，MOSFET溫度為100°C。在此條件下施加73 A的短路電流，測(cè)試結(jié)果如IPTG014N10NM5（TOLG）所示，IPTG015N10N5（TOLL）的性能與IPTG014N10NM5非常相似。

波形

對(duì)IPTG014N10NM5（TOLG）進(jìn)行了短路測(cè)試，結(jié)果如圖所示，TOLG IPT015N10N5的性能與IPTG014N10NM5（TOLG）相同。

總結(jié)

通過(guò)對(duì)雙向保護(hù)開(kāi)關(guān)評(píng)估套件的詳細(xì)了解，我們可以看到它為工程師評(píng)估MOSFET性能提供了一個(gè)便捷、高效的平臺(tái)。從雙向開(kāi)關(guān)的原理到評(píng)估板的設(shè)置、并聯(lián)以及MOSFET的保護(hù)和測(cè)試，每個(gè)環(huán)節(jié)都有其重要性和注意事項(xiàng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求和測(cè)試結(jié)果，合理選擇和使用MOSFET，以確保電池管理系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。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.