双向保护开关评估套件使用指南：从原理到实战

引言

在锂离子电池应用中，电池管理系统（BMS）至关重要，它能实时监测电池状态，保障电池安全运行。而BMS中的电子开关，就像是电池的“守护者”，在关键时刻切断电池与充电器或负载的连接。今天，我们就来深入了解一下双向开关评估套件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_DRIVER评估板.pdf

双向开关原理

基本功能

双向电流阻断是必要的功能，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）。通常可以使用两个N沟道或P沟道FET来实现BDPS，但由于N沟道FET的导通电阻 $RDS(on)$ 更低且成本更低，所以N沟道FET更受青睐。

保护配置

保护可以通过在电源（如电池）的正轨或负轨上连接MOSFET来实现。在BMS的高级框图中，有低侧（LS）和高侧（HS）开关配置，不同的配置各有优缺点，大家可以参考相关资料[1]了解更多。

评估板概述

双向开关板EVAL_BDPS_DD_TOLL/G

该评估板采用漏极 - 漏极配置的MOSFET，具有诸多优势。它支持的规格包括：工作电压（VIN）为36至75 V，连续输出电流（IOUT）为0至30 A，X4两端电压为+/-15 V，板尺寸为65 x 16.5 mm。有两种MOSFET可选，分别是TOLL封装的IPTG014N10NM5和TOLG封装的IPTG014N10NM5。

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板就是用于驱动EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的MOSFET。它采用2EDF7175F双通道隔离栅极驱动器，两个输出通道均单独隔离，具有高达150 V/ns的共模噪声抗扰度（CMTI）。每个通道可以以1 A的源电流和2 A的灌电流驱动MOSFET，方便工程师评估并联配置下的MOSFET性能。该板的规格包括：X1两端偏置电压为15至75 V DC，栅极信号为2.5至12 V，最大输出电流为2.0（灌电流）/1.0 A（源电流），板尺寸为47x24mm。

评估板设置

板间接口

栅极驱动板必须与EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板连接，以驱动MOSFET。两块PCB的底部都安装了用于连接的连接器，将EVAL_BDPS_DD_TOLL/G板上的公连接器（X1和X3）插入EVAL_BDPS_DRIVER板即可。

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。电池/电源和负载/充电器与EVAL_BDPS_DD_TOLL/G的连接方式如图所示，MP1连接电源负极，MP2连接负载负极。需要注意的是，MP1和MP2端子可以互换，并且由于MOSFET栅极由隔离栅极驱动器驱动，也可以将MOSFET连接到电源或负载的正极端子。

为栅极驱动板供电

栅极驱动板有两种供电方式：

1. 使用电池或电源：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。
2. 使用外部电源：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，并将外部电源的地与电池的负极连接。但要注意，电源板设计的最大电压为80 V，且栅极驱动板没有保护措施，所以要注意X1连接器引脚1和2之间的电源极性。

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。如图所示，X4的引脚1用于向MOSFET Q1施加栅极信号，引脚3用于向MOSFET Q2施加栅极信号。相对于X4的引脚2（地），向引脚1和引脚3提供3.3至5 V的栅极信号，施加在X4上的信号会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，以相应的电流驱动MOSFET。

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。可以通过插入额外的电源板将双向开关板EVAL_BDPS_DDTOLL/G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 - 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。

MOSFET雪崩保护

连接双向开关与电池和负载的电缆的寄生电感所感应的电压，由于MOSFET的高关断斜率（di/dt），可能会导致MOSFET进入雪崩状态。用户可以通过配置EVAL_BDPS_DD_TOLL/G上的栅极电阻R3和R4来调整关断斜率。此外，双向保护开关板还提供了在MOSFET两端安装TVS二极管D1和D2的选项，虽然板上未安装这些二极管，但用户可以选择合适额定值的TVS二极管来钳位MOSFET漏极和源极之间的瞬态电压。

测试结果

测试参数

测试板的参数如下表所示：	Specification	Variable	Value
Input voltage	Vin	50V
Cable and parasitic Inductance	Lloop	1.5 uH
Allowable maximum MOSFET temperature	Tmax	100℃
Short-circuit current	Isc	73A
Duration of short-circuit current	tsc	150 us

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。在此条件下施加73 A的短路电流，测试结果如IPTG014N10NM5（TOLG）所示，IPTG015N10N5（TOLL）的性能与IPTG014N10NM5非常相似。

波形

对IPTG014N10NM5（TOLG）进行了短路测试，结果如图所示，TOLG IPT015N10N5的性能与IPTG014N10NM5（TOLG）相同。

总结

通过对双向保护开关评估套件的详细了解，我们可以看到它为工程师评估MOSFET性能提供了一个便捷、高效的平台。从双向开关的原理到评估板的设置、并联以及MOSFET的保护和测试，每个环节都有其重要性和注意事项。在实际应用中，工程师需要根据具体需求和测试结果，合理选择和使用MOSFET，以确保电池管理系统的安全和稳定运行。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.