雙向保護開關(guān)評估套件使用指南

在鋰電池應用中，電池管理系統(tǒng)（BMS）至關(guān)重要，它能監(jiān)測電池狀態(tài)并確保安全運行。BMS通常配備電子開關(guān)，在關(guān)鍵條件下將電池與充電器或負載斷開。今天要介紹的雙向開關(guān)評估套件EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER，可用于測試和評估MOSFET的性能。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_BDPS_DD_TOLG評估板.pdf

一、雙向開關(guān)基礎(chǔ)

1.1 雙向開關(guān)原理

雙向電流阻斷是必要功能，功率MOSFET可采用源極到源極或漏極到漏極的配置，作為雙向保護開關(guān)（BDPS）。BDPS可由兩個N溝道或P溝道FET實現(xiàn)，由于N溝道FET的導通電阻（RDS(on)）更低且成本更低，因此更受青睞。

1.2 保護開關(guān)配置

保護可通過在電源（如電池）的正極或負極連接MOSFET來實現(xiàn)。在BMS的高級框圖中，有低側(cè)（LS）和高側(cè)（HS）開關(guān)配置。不同的電池保護拓撲各有優(yōu)缺點，大家可以參考相關(guān)資料深入了解。

二、評估板概述

2.1 評估板的重要性

在應用中使用MOSFET之前，必須了解其性能，數(shù)據(jù)手冊是很好的參考，但實際使用中各種寄生元件會影響MOSFET的性能。而評估板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER能快速評估采用TOLL或TOLG封裝的MOSFET，方便設計師在實驗臺上或?qū)⑵洳迦朐O計中評估MOSFET的功率損耗、短路、雪崩等性能。

2.2 EVAL_BDPS_DD_TOLL/G（雙向開關(guān)板）

2.3 柵極驅(qū)動板

三、評估板設置

3.1 板的接口連接

柵極驅(qū)動板必須與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G接口連接以驅(qū)動MOSFET。兩塊PCB的底面都安裝了用于接口連接的連接器。將EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的公連接器（X1和X3）插入EVAL_BDPS_DRIVER板，即可驅(qū)動MOSFET柵極。

3.2 與電池或電源連接

雙向開關(guān)上的MP1和MP3端子用于與源和負載端子接口。電池/源和負載/充電器與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G的連接方式是：MP1連接源負極，MP2連接負載負極。需要注意的是，EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的MP1和MP2端子可以互換，而且由于MOSFET柵極由隔離柵極驅(qū)動器驅(qū)動，也可以將MOSFET連接到源或負載的正極。

3.3 為柵極驅(qū)動板供電

柵極驅(qū)動板有兩種供電方式：

• 電池或電源供電：將柵極驅(qū)動板上X1連接器的引腳2連接到電池正極，引腳1連接到電池負極。
• 外部電源供電：使用20至80 V的外部電源，將柵極驅(qū)動板上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，同時將外部電源的地與電池的負極連接。要注意，電源板設計的最大電壓為80 V，且柵極驅(qū)動板沒有保護，所以要注意連接器X1引腳1和2之間的電源極性。

3.4 向柵極驅(qū)動板提供柵極信號

柵極驅(qū)動板上的連接器X4專門用于提供柵極信號。將3.3至5 V的柵極信號相對于X4的引腳2（地）提供給引腳1和引腳3，該信號將連接到板上柵極驅(qū)動器的輸入引腳，柵極驅(qū)動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以相應電流驅(qū)動MOSFET。

四、評估板的并聯(lián)與保護

4.1 評估板并聯(lián)

由于板上MOSFET的溫度升高會限制每個板的電流，建議將MOSFET的溫度升高限制在105°C以下。雙向開關(guān)板EVAL_BDPS_DDTOLL/G可以通過插入額外的電源板并聯(lián)，以允許更高的負載電流。并聯(lián)所需的板數(shù)可以通過以下公式計算： $Number of boards in parallel =I{L} sqrt{frac{R{d s{-} o n @ 100^{circ} C} R{t h _j a{-} 6 c m^{2}}}{T{max }-T{a m b}}}$ 其中，$I_{L}$ 是負載電流，$RDS(on)$ at 100°C是EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上MOSFET的導通電阻，$RthJA 6 ~cm^{2}$ 是MOSFET的結(jié)到環(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)動器和柵極驅(qū)動板上的電阻R14、R16、R17和R18的限制。

4.2 保護MOSFET免受雪崩影響

連接雙向開關(guān)與電池和負載的電纜的寄生電感中感應的電壓，由于MOSFET的高關(guān)斷斜率（di/dt），可能導致MOSFET進入雪崩狀態(tài)。用戶可以配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的柵極電阻R3和R4來調(diào)整關(guān)斷斜率。此外，雙向保護開關(guān)板提供了在MOSFET兩端安裝TVS二極管D1和D2的條件，雖然板上未安裝這些二極管，但用戶可以選擇適當額定值的TVS二極管來鉗位MOSFET漏源之間的瞬態(tài)電壓。

五、測試結(jié)果

5.1 測試參數(shù)

5.2 電流與溫度隨時間的測量

在37 A的連續(xù)負載電流下，MOSFET溫度為100°C，此時施加73 A的短路電流。使用IPTG014N10NM5（TOLG）獲得的測試結(jié)果如圖所示，IPTG015N10N5（TOLL）的性能與IPTG014N10NM5非常相似。

5.3 波形

對IPTG014N10NM5（TOLG）進行短路測試，結(jié)果表明TOLG IPT015N10N5與IPTG014N10NM5（TOLG）具有相同的性能。

六、總結(jié)

通過這個雙向保護開關(guān)評估套件，我們可以方便地對MOSFET進行各種性能測試和評估。在實際設計中，大家要根據(jù)具體的應用需求，合理設置評估板，注意MOSFET的溫度控制和保護，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。希望以上內(nèi)容對各位工程師在MOSFET的設計和應用中有所幫助，大家在使用過程中有任何問題，歡迎一起交流探討。