陳 誠，趙永瑞，任紀(jì)偉

（中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555）

目前，市場上主要存在兩種開關(guān)，一種是機(jī)械繼電器，另一種是固態(tài)繼電器。機(jī)械繼電器具有使用壽命的限制，而固態(tài)繼電器又不耐大電流沖擊并且不防反接，如果再附加防反接、防倒灌的功能，將會增加電路的復(fù)雜性，降低電路的穩(wěn)定性。使用PMOS管作為24 V、30 A大電流的開關(guān)時(shí)又存在著壓降和過熱的問題；NMOS管的內(nèi)阻小可以達(dá)到毫歐級的水平，但一般用于控制負(fù)極電路的開斷，在安全上存在一定的危險(xiǎn)性。為了解決上述問題，本文利用NMOS管的特性設(shè)計(jì)了一種簡單使用的控制正極通斷的動力電池用大功率電子開關(guān)。

1 設(shè)計(jì)原理

NMOS管包含有D極、S極和G極3個(gè)極，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電流由S極流向D極時(shí)，MOS管不可控；當(dāng)電流由D極流向S極時(shí)，MOS管可控。當(dāng)G極與S極之間的電壓差為0時(shí)，MOS管將處于截止?fàn)顟B(tài)，電路處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)G極與S極之間存在電壓時(shí)，MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)電壓大于10 V時(shí)將處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)，電路處于打開狀態(tài)。本設(shè)計(jì)利用MOS管的這種特性，在G、S極之間加載相對電壓來實(shí)現(xiàn)控制電路的通斷。

圖1 N-MOS管結(jié)構(gòu)

肖特基二極管屬于一種大功率二極管，利用它的單向?qū)ㄐ詠韺?shí)現(xiàn)電路的防反接、防倒灌功能。

2 硬件選擇及電路設(shè)計(jì)

本電子開關(guān)主要用于24 V、30 A大功率電池電源管理系統(tǒng)的充、放電電路中，要求選擇的器件內(nèi)阻盡可能地小，并且能夠承受40 V的電壓。綜合考慮各種因素，選擇的主要器件如表1所示。

表1 主要器件及說明

電路的設(shè)計(jì)分為驅(qū)動電路和開關(guān)電路兩個(gè)部分。驅(qū)動電路用于驅(qū)動MOS管的通斷；開關(guān)電路由充電電路、放電電路組成，充電電路用于實(shí)現(xiàn)對電池的充電控制，屬于常閉觸點(diǎn)，放電電路用于實(shí)現(xiàn)電池的放電控制，屬于常開觸點(diǎn)。

驅(qū)動電路如圖2所示。圖中的B+、Charge+、B-代表電池的正極、充電機(jī)的正極、電池的負(fù)極；Key_C+、Key_D+代表充電控制端、放電控制端；IN/OUT分別連接充電/放電MOS的G極。采用雙電路供電設(shè)計(jì)，可以保證在電池沒電的情況下可依靠充電機(jī)繼續(xù)工作。

圖2 驅(qū)動電路

當(dāng)外部電路連接正確時(shí)，恒壓輸出模塊將輸出穩(wěn)定的12 V電壓，使用此電壓驅(qū)動NMOS管的通斷，使用PhotoMOS實(shí)現(xiàn)對電路常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)的配置。

充電電路如圖3所示。圖中TVS管起防過壓的作用，當(dāng)充電電壓過大時(shí)，TVS管瞬間導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對電子開關(guān)的保護(hù)；CQ4045用以實(shí)現(xiàn)防反接、防電池電倒流的功能。

圖3 充電電路

當(dāng)外部電路連接正確時(shí)，充電電路將自動打開進(jìn)行充電，這樣可以有效防止電池沒電時(shí)無法充電的情況發(fā)生，當(dāng)給它一個(gè)控制信號時(shí)將斷開充電電路。

放電電路如圖4所示。放電電路與充電電路類似，平時(shí)處于斷路狀態(tài)，當(dāng)外部電路連接正確時(shí)，給它一個(gè)控制信號，放電電路將打開。

3 實(shí)驗(yàn)測試

將此設(shè)計(jì)連接到24 V、60 AH的電池系統(tǒng)中，對其進(jìn)行充放電測試，其測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 放電電路

圖5 溫度隨電流的變化曲線（室溫：25℃）

圖6 電壓降隨電流的變化曲線

通過對測試數(shù)據(jù)的分析可知，該電子開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)30 A大電流的通斷能力，通過一定的降溫措施可以實(shí)現(xiàn)更大電流的通斷能力，完全可以作為24 V電池系統(tǒng)的充、放電開關(guān)使用。

本設(shè)計(jì)利用N-MOS管搭建了一種簡單實(shí)用的動力電池用大功率電子開關(guān)，此開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，可以應(yīng)用到24 V的動力電池系統(tǒng)中作為充、放電電路的開關(guān)使用。目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用到礦用電池電源管理系統(tǒng)中。

為了保障開關(guān)工作穩(wěn)定，線路中應(yīng)選擇耐壓值至少為50 V的電容，并且要能夠承受高溫。設(shè)計(jì)中與LED燈串聯(lián)的電阻具有限流、分配電壓的作用，為了保障NMOS管的正常通斷，此電阻不可以隨意更改阻值或去掉，配置的電阻分配的電壓接近電池電壓為宜，保證NMOS管G極與S極之間的電壓差為12 V，既可以使NMOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)減小壓降，又可以使驅(qū)動電路處于最低功耗狀態(tài)。

線路中通過30 A電流時(shí)會存在一定的壓降，將會產(chǎn)生一部分熱量，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要注意散熱問題，盡力增加散熱量，例如打散熱孔、走線加寬并線上覆銅片、加裝散熱片。同時(shí)本設(shè)計(jì)中二極管的功率有可能高達(dá)15 W，會產(chǎn)生大量的熱，為了確保其他器件的穩(wěn)定，在器件布局時(shí)要盡量遠(yuǎn)離它，尤其是NMOS管。

[1]駱華敏.嵌入式電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2004，23（4）：79-80.

[2]嚴(yán)旭東.剖析兩款固態(tài)繼電器[J].電子報(bào)，2011，5（12）：68-72.

[3]王再新.MOS器件抗靜電性能分析 [J].安全，2007（2）：12-14.

[4]金升陽.WRA_CKS-1W Data Sheet[Z].2011.

[5]美國International Rectifier.IRFS3207 Data Sheet[Z].2011.

[6]Panasonic.MOSFET輸出光電耦合器[Z].2012.

[7]利用高級MOSFET器件設(shè)計(jì)高效率開關(guān)模式電源[J].電子產(chǎn)品世界，2003（11）：44-46.