雙向保護開關評估套件使用指南

在鋰離子電池的應用中，電池管理系統（BMS）起著至關重要的作用，它能監測電池狀態并確保電池安全運行。其中，電子開關是BMS的重要組成部分，在關鍵條件下能將電池與充電器或負載斷開。今天，我們就來詳細介紹雙向開關評估套件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_DD_TOLL評估板.pdf

1. 雙向開關基礎

雙向電流阻斷是多電源系統中的必要功能，功率MOSFET可以采用源極 - 源極或漏極 - 漏極配置，作為雙向保護開關（BDPS）。BDPS可由兩個N溝道或P溝道FET實現，由于N溝道FET具有更低的導通電阻（RDS(on)）和成本，因此更為常用。保護功能可以通過在電源（如電池）的正極或負極連接MOSFET來實現，BMS的高低側開關配置各有特點，大家可以在實際應用中根據需求選擇。

2. 評估板概述

2.1 雙向開關板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G

在使用MOSFET之前，了解其性能至關重要，而數據手冊是很好的參考資料。不過，實際應用中各種寄生元件會影響MOSFET的性能。EVAL_BDPS_DD_TOLL/G評估板采用漏極 - 漏極配置的MOSFET，支持36 - 75V的工作電壓、0 - 30A的連續輸出電流等規格。它有TOLL和TOLG兩種封裝的MOSFET可供選擇，分別對應不同型號。

2.2 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板使用2EDF7175F雙通道隔離柵極驅動器，用于驅動EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。該驅動板的兩個輸出通道具有150V/ns的高共模噪聲抗擾度（CMTI），每個通道可提供1A源電流和2A灌電流，方便評估MOSFET的并聯配置。板上還采用了隔離式DC - DC轉換器，為柵極驅動器的輸入和輸出通道提供必要的電壓。

3. 評估板設置

3.1 板間連接

柵極驅動板需與EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板連接以驅動MOSFET，兩塊板的底部都有用于連接的連接器，按標識對應連接即可。

3.2 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，MP1連接電源負極，MP2連接負載負極，且這兩個端子可互換。由于MOSFET柵極由隔離柵極驅動器驅動，也可將MOSFET連接到電源或負載的正極。

3.3 為柵極驅動板供電

柵極驅動板有兩種供電方式：一是使用電池或電源，將驅動板X1連接器的2腳連接電池正極，1腳連接負極；二是使用20 - 80V的外部電源，同樣連接X1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極相連。需要注意的是，電源板設計最大電壓為80V，且柵極驅動板無保護，要注意X1連接器1、2腳的供電極性。

3.4 提供柵極信號

驅動板的X4連接器用于提供柵極信號，將3.3 - 5V的柵極信號分別施加到X4的1腳和3腳（相對于2腳地），信號會連接到板上柵極驅動器的輸入引腳，驅動器輸出通道根據所選柵極電阻R1和R2驅動MOSFET。

4. 評估板并聯與保護

4.1 評估板并聯

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

4.2 MOSFET雪崩保護

連接雙向開關與電池和負載的電纜寄生電感產生的電壓，可能因MOSFET的高關斷斜率（di/dt）導致MOSFET進入雪崩狀態。我們可以通過配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的柵極電阻R3和R4來調整關斷斜率。此外，雙向保護開關板預留了安裝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，以鉗位瞬態電壓。

5. 測試結果

5.1 測試參數

測試板的參數包括輸入電壓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以及短路電流持續時間150us等。

5.2 電流與溫度隨時間的測量

在37A的連續負載電流下，MOSFET溫度達到100°C，此時施加73A的短路電流，對IPTG014N10NM5（TOLG）進行測試，IPTG015N10N5（TOLL）的性能與之相似。

5.3 波形測試

對IPTG014N10NM5（TOLG）進行短路測試，得到相應波形，IPTG015N10N5（TOLL）的表現與之相同。

6. 總結

雙向保護開關評估套件為我們評估MOSFET性能提供了便捷的工具。通過合理設置評估板、并聯使用以及做好MOSFET的保護措施，我們可以更準確地測試MOSFET在不同條件下的性能，為實際應用提供可靠的數據支持。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.