双向保护开关评估套件使用指南

在锂离子电池的应用中，电池管理系统（BMS）起着至关重要的作用，它能监测电池状态并确保电池安全运行。其中，电子开关是BMS的重要组成部分，在关键条件下能将电池与充电器或负载断开。今天，我们就来详细介绍双向开关评估套件EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER，它主要用于测试和评估MOSFET的性能。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_BDPS_DD_TOLL评估板.pdf

1. 双向开关基础

双向电流阻断是多电源系统中的必要功能，功率MOSFET可以采用源极 - 源极或漏极 - 漏极配置，作为双向保护开关（BDPS）。BDPS可由两个N沟道或P沟道FET实现，由于N沟道FET具有更低的导通电阻（RDS(on)）和成本，因此更为常用。保护功能可以通过在电源（如电池）的正极或负极连接MOSFET来实现，BMS的高低侧开关配置各有特点，大家可以在实际应用中根据需求选择。

2. 评估板概述

2.1 双向开关板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G

在使用MOSFET之前，了解其性能至关重要，而数据手册是很好的参考资料。不过，实际应用中各种寄生元件会影响MOSFET的性能。EVAL_BDPS_DD_TOLL/G评估板采用漏极 - 漏极配置的MOSFET，支持36 - 75V的工作电压、0 - 30A的连续输出电流等规格。它有TOLL和TOLG两种封装的MOSFET可供选择，分别对应不同型号。

2.2 栅极驱动板EVAL_BDPS_DRIVER

通常保护开关由专用驱动器驱动，EVAL_BDPS_DRIVER板使用2EDF7175F双通道隔离栅极驱动器，用于驱动EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。该驱动板的两个输出通道具有150V/ns的高共模噪声抗扰度（CMTI），每个通道可提供1A源电流和2A灌电流，方便评估MOSFET的并联配置。板上还采用了隔离式DC - DC转换器，为栅极驱动器的输入和输出通道提供必要的电压。

3. 评估板设置

3.1 板间连接

栅极驱动板需与EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板连接以驱动MOSFET，两块板的底部都有用于连接的连接器，按标识对应连接即可。

3.2 连接电池或电源

双向开关板上的MP1和MP3端子用于连接电源和负载，MP1连接电源负极，MP2连接负载负极，且这两个端子可互换。由于MOSFET栅极由隔离栅极驱动器驱动，也可将MOSFET连接到电源或负载的正极。

3.3 为栅极驱动板供电

栅极驱动板有两种供电方式：一是使用电池或电源，将驱动板X1连接器的2脚连接电池正极，1脚连接负极；二是使用20 - 80V的外部电源，同样连接X1连接器的2脚到电源正极，1脚到电源地，并将外部电源地与电池负极相连。需要注意的是，电源板设计最大电压为80V，且栅极驱动板无保护，要注意X1连接器1、2脚的供电极性。

3.4 提供栅极信号

驱动板的X4连接器用于提供栅极信号，将3.3 - 5V的栅极信号分别施加到X4的1脚和3脚（相对于2脚地），信号会连接到板上栅极驱动器的输入引脚，驱动器输出通道根据所选栅极电阻R1和R2驱动MOSFET。

4. 评估板并联与保护

4.1 评估板并联

由于MOSFET温度升高会限制单块板的电流，建议将MOSFET温度升高限制在105°C以下。双向开关板EVAL_BDPS_DDTOLL/G可以并联使用，以允许更高的负载电流。并联板的数量可通过公式计算得出：$Number of boards in parallel =I{L} sqrt{frac{R{d s{-} o n @ 100^{circ} C} R{t h _j a{-} 6 c m^{2}}}{T{max }-T{a m b}}}$。不过，并联电源板的最大数量受栅极驱动器和驱动板上的电阻R14、R16、R17和R18限制。

4.2 MOSFET雪崩保护

连接双向开关与电池和负载的电缆寄生电感产生的电压，可能因MOSFET的高关断斜率（di/dt）导致MOSFET进入雪崩状态。我们可以通过配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的栅极电阻R3和R4来调整关断斜率。此外，双向保护开关板预留了安装TVS二极管D1和D2的位置，可选择合适额定值的TVS二极管跨接在MOSFET的漏源极之间，以钳位瞬态电压。

5. 测试结果

5.1 测试参数

测试板的参数包括输入电压50V、电缆和寄生电感1.5uH、允许的最大MOSFET温度100°C、短路电流73A以及短路电流持续时间150us等。

5.2 电流与温度随时间的测量

在37A的连续负载电流下，MOSFET温度达到100°C，此时施加73A的短路电流，对IPTG014N10NM5（TOLG）进行测试，IPTG015N10N5（TOLL）的性能与之相似。

5.3 波形测试

对IPTG014N10NM5（TOLG）进行短路测试，得到相应波形，IPTG015N10N5（TOLL）的表现与之相同。

6. 总结

双向保护开关评估套件为我们评估MOSFET性能提供了便捷的工具。通过合理设置评估板、并联使用以及做好MOSFET的保护措施，我们可以更准确地测试MOSFET在不同条件下的性能，为实际应用提供可靠的数据支持。大家在使用过程中遇到任何问题，欢迎一起交流探讨。

参考文献

[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.