威兆半导体锂电保护应用功率器件解决方案

　　引 言

　　随着锂电技术的持续进步，新型应用场景的涌现，中国锂电行业呈现出规模扩张、结构优化的发展态势。数据显示，2024年中国锂离子电池出货量达到1214.6GWh，同比增长36.9%，在全球总出货量的占比达到78.6%，且份额仍在持续扩大。展望未来，伴随着固态电池技术走向成熟，AIDC/储能等应用需求的增加，全球锂电市场前景仍十分广阔。

　　安全是锂电行业发展的生命线，BMS/锂电保护板作为锂电系统的“保护神”，是系统安全可靠运行不可或缺的关键环节，近年来亦展现出高速发展的趋势。

　　锂电保护板典型结构

　　BMS/锂电保护板主要功能包括电池状态监测，包括电压、电流、温度等;电池状态计算，SOC、SOH监测及分析;电池安全保护，过流、过温、过充过放与短路保护等;电池能量管理，充放电及均衡控制等;还有电池信息管理，即信息交互及储存。

　　锂电保护板的常见结构如下所示：

图1 储能保护板典型结构

　　正常工作时，充放电保护MOSFET处于常通状态，MOSFET的低Rds(on)特性有利于降低系统损耗，提升系统效率。发生异常工况时，可根据控制指令快速关断，对用户和用电设备实现有效保护。

　　锂电保护板工作原理及失效模式分析

　　短路是锂电系统面临的极端危险场景，提升短路保护的可靠性是系统维持安全运行的关键环节。负载短路时，回路电流会迅速升至最大值，该值的大小取决于电池电压和回路阻抗。从短路保护波形可以看到，整个过程分为两个阶段：短路保护延时时间，是系统对异常工况的检测与反应时间;短路保护动作时间，则是关闭保护MOSFET的时间。

CH2:Vgs CH3:Vds CH4:Ishort

图2 锂电保护板短路保护模式

　　短路保护失效模式

　　锂电保护板的短路失效模式主要有过电压失效和过热失效两种。热失效源于MOSFET关断时长时间处于线性模式，高电压大电流交叠会产生很大的能量损耗，关断速度过慢导致损耗过高，使晶圆温度超过其能承受的最大结温，器件被烧毁，将可能引发系统失控的严重后果。过电压失效则是由于MOSFET关断瞬间，板卡的寄生电感与高di/dt，产生高电压尖峰，叠加在MOSFET两端，严重时可导致MOSFET雪崩失效，进而导致系统失控。

　　实际应用中，通过合理调整MOSFET的动作时间、增加电压钳位等保护措施，在过电压失效和过热失效这两种模式间找到平衡，以提升极端工况下的系统可靠性。

　　功率器件失效机理分析

　　深入探究锂电保护应用中的MOSFET失效机理，有助于精准把握功率器件在不同工况下的性能表现，从而优化设计，提高锂电保护的可靠性和稳定性。

　　1. 短路失效机理

　　热失效模式，短路保护关断过程中，MOSFET的关断动作时间过长，热量累计导致MOSFET晶圆的Tj超过其最大值Tj_max，晶圆被烧毁，出现不可逆的损坏。过压失效模式，则是因为短路保护关断过程中，MOSFET进入雪崩状态，高dv/dt可能导致寄生晶体管导通，出现闩锁失效现象，从而导致器件被击穿。

　　2. 不同失效模式下的晶圆形态

　　对不同失效模式的晶圆进行开盖分析，热失效模式下失效点会呈现高温状态的碳化等现象;而过压失效模式，MOSFET会进入雪崩状态，其瞬间的大能量则会导致晶圆损伤点较大，晶圆伴有开裂现象。回路的电感值越小，短路峰值电流越大，关断瞬间产生的能量越大，破坏区域亦更大。

　　3. 热不稳定性曲线

　　以VSP9R5N15HS-G型号为例，对MOS管SOA和ZTC点进行说明。零温度系数点ZTC作为一个关键指标，当Vgs高于ZTC点时，温度上升电流减小，Rds(on)呈正温度系数;Vgs低于ZTC点时，温度上升电流增大，呈负温度系数，此时容易形成热点导致器件损坏。

　　锂电保护应用中，MOSFET关断时，在跨越线性区过程中，较易形成局部过热从而导致器件失效。通过对器件本身的优化设计，有利于提升功率MOSFET在此工况下的应用表现。

　　4.驱动电阻的影响

　　实际应用中，驱动电阻的阻值可有效影响器件的开关速度，改变MOS管的关断时间，在过压失效和过热失效之间找到折中点。实验中将驱动电阻的阻值从510Ω调整到300Ω，观察到短路保护动作时间和关断过程中产生的损耗均有了显著减小的趋势。

　　这一改变具有重要意义，短路关断时间的优化能直接改善MOSFET短路保护的可靠性。所以，在设计和使用MOS管时，合理调整驱动电阻至关重要。

　　威兆锂电保护应用系统解决方案

　　威兆低压MOSFET具备优异性能和高可靠性，配备强有力的支持团队，可为客户提供有效的技术支持和全生命周期的服务能力。功率器件已安全可靠应用于多个行业，涵盖ESS、E-Bike、低速汽车、电动叉车、电动工具、AGV等不同场景，满足不同的用户需求。

　　产品组合广泛，具备20V至200V多种电压规格，产品具备导通电阻Rds(on) 低、Vth一致性高、抗雪崩能力强等特点。能适配多样化的市场应用。典型型号如VS1891GKH、VSM006N15HS-G等，已得到市场的广泛使用，并得到优异反馈。

　　表1 威兆BMS/锂电保护功率器件解决方案