雙向保護開關評估套件使用指南：從原理到實戰

引言

在鋰離子電池應用中，電池管理系統（BMS）至關重要，它能實時監測電池狀態，保障電池安全運行。而BMS中的電子開關，就像是電池的“守護者”，在關鍵時刻切斷電池與充電器或負載的連接。今天，我們就來深入了解一下雙向開關評估套件EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER，它主要用于測試和評估MOSFET的性能。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_BDPS_DRIVER評估板.pdf

雙向開關原理

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，作為雙向保護開關（BDPS）。通?？梢允褂脙蓚€N溝道或P溝道FET來實現BDPS，但由于N溝道FET的導通電阻 $RDS(on)$ 更低且成本更低，所以N溝道FET更受青睞。

保護配置

保護可以通過在電源（如電池）的正軌或負軌上連接MOSFET來實現。在BMS的高級框圖中，有低側（LS）和高側（HS）開關配置，不同的配置各有優缺點，大家可以參考相關資料[1]了解更多。

評估板概述

雙向開關板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G

該評估板采用漏極 - 漏極配置的MOSFET，具有諸多優勢。它支持的規格包括：工作電壓（VIN）為36至75 V，連續輸出電流（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。

柵極驅動板EVAL_BDPS_DRIVER

通常，保護開關由專用驅動器驅動，EVAL_BDPS_DRIVER板就是用于驅動EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。它采用2EDF7175F雙通道隔離柵極驅動器，兩個輸出通道均單獨隔離，具有高達150 V/ns的共模噪聲抗擾度（CMTI）。每個通道可以以1 A的源電流和2 A的灌電流驅動MOSFET，方便工程師評估并聯配置下的MOSFET性能。該板的規格包括：X1兩端偏置電壓為15至75 V DC，柵極信號為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。

評估板設置

板間接口

柵極驅動板必須與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板連接，以驅動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

雙向開關板上的MP1和MP3端子用于連接電源和負載。電池/電源和負載/充電器與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G的連接方式如圖所示，MP1連接電源負極，MP2連接負載負極。需要注意的是，MP1和MP2端子可以互換，并且由于MOSFET柵極由隔離柵極驅動器驅動，也可以將MOSFET連接到電源或負載的正極端子。

為柵極驅動板供電

柵極驅動板有兩種供電方式：

1. 使用電池或電源：將柵極驅動板上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。
2. 使用外部電源：使用20至80 V的外部電源，將柵極驅動板上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，并將外部電源的地與電池的負極連接。但要注意，電源板設計的最大電壓為80 V，且柵極驅動板沒有保護措施，所以要注意X1連接器引腳1和2之間的電源極性。

向柵極驅動板提供柵極信號

柵極驅動板上的連接器X4專門用于提供柵極信號。如圖所示，X4的引腳1用于向MOSFET Q1施加柵極信號，引腳3用于向MOSFET Q2施加柵極信號。相對于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，施加在X4上的信號會連接到板上柵極驅動器的輸入引腳，柵極驅動器的輸出通道則根據EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上選擇的柵極電阻R1和R2，以相應的電流驅動MOSFET。

評估板并聯

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?？梢酝ㄟ^插入額外的電源板將雙向開關板EVAL_BDPS_DDTOLL/G并聯，以允許更高的負載電流。并聯所需的板數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 - 環境熱阻，$T_{max }$ 是MOSFET允許的最高溫度（建議限制在120°C以下），$Tamb$ 是環境溫度。需要注意的是，并聯電源板的最大數量受柵極驅動器和柵極驅動板上的電阻R14、R16、R17和R18的限制。

MOSFET雪崩保護

連接雙向開關與電池和負載的電纜的寄生電感所感應的電壓，由于MOSFET的高關斷斜率（di/dt），可能會導致MOSFET進入雪崩狀態。用戶可以通過配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的柵極電阻R3和R4來調整關斷斜率。此外，雙向保護開關板還提供了在MOSFET兩端安裝TVS二極管D1和D2的選項，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二極管來鉗位MOSFET漏極和源極之間的瞬態電壓。

測試結果

測試參數

電流與溫度隨時間的測量

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

波形

對IPTG014N10NM5（TOLG）進行了短路測試，結果如圖所示，TOLG IPT015N10N5的性能與IPTG014N10NM5（TOLG）相同。

總結

通過對雙向保護開關評估套件的詳細了解，我們可以看到它為工程師評估MOSFET性能提供了一個便捷、高效的平臺。從雙向開關的原理到評估板的設置、并聯以及MOSFET的保護和測試，每個環節都有其重要性和注意事項。在實際應用中，工程師需要根據具體需求和測試結果，合理選擇和使用MOSFET，以確保電池管理系統的安全和穩定運行。大家在使用過程中遇到任何問題，歡迎一起交流探討。

參考文獻

[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.