双向保护开关评估套件使用指南

在锂电池应用中，电池管理系统（BMS）至关重要，它能监测电池状态并确保安全运行。BMS通常配备电子开关，在关键条件下将电池与充电器或负载断开。今天要介绍的双向开关评估套件EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER，可用于测试和评估MOSFET的性能。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_BDPS_DD_TOLG评估板.pdf

一、双向开关基础

1.1 双向开关原理

双向电流阻断是必要功能，功率MOSFET可采用源极到源极或漏极到漏极的配置，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的导通电阻（RDS(on)）更低且成本更低，因此更受青睐。

1.2 保护开关配置

保护可通过在电源（如电池）的正极或负极连接MOSFET来实现。在BMS的高级框图中，有低侧（LS）和高侧（HS）开关配置。不同的电池保护拓扑各有优缺点，大家可以参考相关资料深入了解。

二、评估板概述

2.1 评估板的重要性

在应用中使用MOSFET之前，必须了解其性能，数据手册是很好的参考，但实际使用中各种寄生元件会影响MOSFET的性能。而评估板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G和EVAL_BDPS_DRIVER能快速评估采用TOLL或TOLG封装的MOSFET，方便设计师在实验台上或将其插入设计中评估MOSFET的功率损耗、短路、雪崩等性能。

2.2 EVAL_BDPS_DD_TOLL/G（双向开关板）

该评估板采用漏极到漏极配置的MOSFET，具有诸多优势。它支持的规格如下：	规格	值
工作电压（VIN）	36至75 V
连续输出电流（IOUT）	0至30 A
X4两端电压	+/-15 V
板尺寸	65 x 16.5 mm
MOSFET	TOLL – EVAL_BDPS_DD_TOLL – IPT015N10N5 TOLG – EVAL_BDPS_DD_TOLG – IPTG014N10NM5

2.3 栅极驱动板

EVAL_BDPS_DRIVER板用于驱动EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。它采用2EDF7175F双通道隔离栅极驱动器，两个输出通道单独隔离，具有非常高的150 V/ns共模噪声抗扰度（CMTI）。每个通道可以用1 A源电流和2 A灌电流驱动MOSFET，方便设计师评估并联配置的MOSFET。该板还采用了隔离式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，其支持的规格如下：	规格	值
X1两端偏置电压	15至75 V DC
栅极驱动器	2EDF7175F功能隔离驱动器
X4两端栅极信号	2.5至12 V
输出电流	最大2.0（灌电流）/1.0 A（源电流）
板尺寸	47 x 24 mm

三、评估板设置

3.1 板的接口连接

栅极驱动板必须与EVAL_BDPS_DD_TOLL/G接口连接以驱动MOSFET。两块PCB的底面都安装了用于接口连接的连接器。将EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的公连接器（X1和X3）插入EVAL_BDPS_DRIVER板，即可驱动MOSFET栅极。

3.2 与电池或电源连接

双向开关上的MP1和MP3端子用于与源和负载端子接口。电池/源和负载/充电器与EVAL_BDPS_DD_TOLL/G的连接方式是：MP1连接源负极，MP2连接负载负极。需要注意的是，EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的MP1和MP2端子可以互换，而且由于MOSFET栅极由隔离栅极驱动器驱动，也可以将MOSFET连接到源或负载的正极。

3.3 为栅极驱动板供电

栅极驱动板有两种供电方式：

• 电池或电源供电：将栅极驱动板上X1连接器的引脚2连接到电池正极，引脚1连接到电池负极。
• 外部电源供电：使用20至80 V的外部电源，将栅极驱动板上X1连接器的引脚2连接到外部电源的正极，引脚1连接到外部电源的地，同时将外部电源的地与电池的负极连接。要注意，电源板设计的最大电压为80 V，且栅极驱动板没有保护，所以要注意连接器X1引脚1和2之间的电源极性。

3.4 向栅极驱动板提供栅极信号

栅极驱动板上的连接器X4专门用于提供栅极信号。将3.3至5 V的栅极信号相对于X4的引脚2（地）提供给引脚1和引脚3，该信号将连接到板上栅极驱动器的输入引脚，栅极驱动器的输出通道则根据EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上选择的栅极电阻R1和R2以相应电流驱动MOSFET。

四、评估板的并联与保护

4.1 评估板并联

由于板上MOSFET的温度升高会限制每个板的电流，建议将MOSFET的温度升高限制在105°C以下。双向开关板EVAL_BDPS_DDTOLL/G可以通过插入额外的电源板并联，以允许更高的负载电流。并联所需的板数可以通过以下公式计算： $Number of boards in parallel =I{L} sqrt{frac{R{d s{-} o n @ 100^{circ} C} R{t h _j a{-} 6 c m^{2}}}{T{max }-T{a m b}}}$ 其中，$I_{L}$ 是负载电流，$RDS(on)$ at 100°C是EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上MOSFET的导通电阻，$RthJA 6 ~cm^{2}$ 是MOSFET的结到环境热阻，$T_{max }$ 是MOSFET允许的最高温度（建议限制在120°C以下），$Tamb$ 是环境温度。需要注意的是，并联电源板的最大数量受栅极驱动器和栅极驱动板上的电阻R14、R16、R17和R18的限制。

4.2 保护MOSFET免受雪崩影响

连接双向开关与电池和负载的电缆的寄生电感中感应的电压，由于MOSFET的高关断斜率（di/dt），可能导致MOSFET进入雪崩状态。用户可以配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的栅极电阻R3和R4来调整关断斜率。此外，双向保护开关板提供了在MOSFET两端安装TVS二极管D1和D2的条件，虽然板上未安装这些二极管，但用户可以选择适当额定值的TVS二极管来钳位MOSFET漏源之间的瞬态电压。

五、测试结果

5.1 测试参数

规格	变量	值
输入电压	Vin	50 V
电缆和寄生电感	Lloop	1.5 uH
允许的最大MOSFET温度	Tmax	100℃
短路电流	Isc	73 A
短路电流持续时间	tsc	150 us

5.2 电流与温度随时间的测量

在37 A的连续负载电流下，MOSFET温度为100°C，此时施加73 A的短路电流。使用IPTG014N10NM5（TOLG）获得的测试结果如图所示，IPTG015N10N5（TOLL）的性能与IPTG014N10NM5非常相似。

5.3 波形

对IPTG014N10NM5（TOLG）进行短路测试，结果表明TOLG IPT015N10N5与IPTG014N10NM5（TOLG）具有相同的性能。

六、总结

通过这个双向保护开关评估套件，我们可以方便地对MOSFET进行各种性能测试和评估。在实际设计中，大家要根据具体的应用需求，合理设置评估板，注意MOSFET的温度控制和保护，以确保系统的稳定运行。希望以上内容对各位工程师在MOSFET的设计和应用中有所帮助，大家在使用过程中有任何问题，欢迎一起交流探讨。