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关于充电电池的耐电压与绝缘电阻测试

高电压双向恒流电路的关键零部件是什么?

大家好!我是38坊如何开户?开发课的宫田。这是我第3次执笔。在本专栏中,我想谈一下定制产品开发过程中的一点儿经验。请多指教。

本产品是对安全相关试验设备“TOS系列”进行改造的定制产品。内容是专门针对直流进行耐电压试验和绝缘电阻试验的低成本产品。另外,需要特别强调的是,该定制品的试验对象是充电电池。充电电池的试验和普通家电产品不同,可以预测到的使用场景是所存储的电能通过试验用电缆供应到试验设备上。因此,存在这种能量导致试验设备发生故障或者损坏的风险。

需要进行试验对象(充电电池)的短路保护

将充电电池作为试验对象时,由于连接或者设置的原因,有可能导致从试验对象向本产品输出过电流,试验对象形成短路(图1)。

图1 试验对象通过定制TOS的LOW侧电缆和地线形成短路

设计保护电路,检测这种过电流,对电流进行限制是关键所在(图2)。

图2 在定制TOS的LOW侧内部插入保护电路

可承受高电压的双向恒流电路

了解到本次的任务是以低成本设计可以在数kV的高电压下使用的保护电路,即双向恒流电路。因此,决定研究使用MOS FET的恒流电路。赶紧实际组成电路进行验证时发现,在达到MOS FET的击穿电压之前可以正常工作,但随着施加电压的继续增加,当施加击穿电压两倍左右的电压时,MOS FET损坏,无法继续进行恒流控制(图3)。

图3 只通过电阻器分压的电路

问题是元件电压的不平衡

在使用MOS FET的多级串联制作高电压的电路时,存在需要注意的问题。当各MOS FET的开关时间产生差异时,各MOS FET的元件电压就会出现不平衡,可能导致特定的MOS FET承担过高的电压。也就是说,降低元件电压的不平衡现象是进行MOS FET串联时的最大问题。但是,在这个阶段我并没有发现这个问题。

在先前制作的实验电路中,恒流的动作没有问题,但无法解决耐电压的问题。因此,尝试通过增加串联级数等方式增加耐电压,但仍然无法解决每个元件的电压不平衡的问题,当然也造成了元件的损坏,让人一筹莫展。
在这种情况下,老老实实地求助高人才是不二之选。在各位前辈提供的意见中,我了解到了关于MOS FET的寄生电容的问题,从中了解到只要忽视寄生电容即可。于是,安装了可以忽视寄生电容的电容器,重新进行验证(图4)。

图4 在栅极和漏极之间增加了电压平衡用电容器的电路

电压平衡的关键零部件是电容器

MOS FET的寄生电容因施加电压和温度的不同会发生变化。在最初研究的MOS FET恒流电路(图3),由于寄生电容的变化(波动),导致在各级施加的电压出现不平衡,结果导致在一个MOS FET上施加了过大的电压,造成破坏。
但是,在重新研究的电路(图4)中,通过增加电压平衡用电容器,不再产生因寄生电容导致的施加电压时的电容波动,即使在施加高电压的情况下,也不会造成破坏,轻松组成了高电压双向恒流电路。从成本方面来说,金额仅相当于通常的高耐压零部件1/4左右,在不会大幅变更规格的情况下,低成本完成设计。

重新确认零部件的基本特性

在遇到某个难题而一筹莫展时,首先要做的事情就是冷静地重新确认零部件 规格,性能和特性,我认为这一点是非常重要的。如果当时能够认识到这一点,这次的烦恼可能早就迎刃而解了(MOS FET的寄生电容变化是FET的基本特性)。

这次听到前辈的建议后才发现这个问题,最终得以解决。但是,我深刻的认识到,这本来应该是我自己就能够解决的。对于这件事的感受是,无论在任何情况下都不要着急,必须冷静地思考,推测和执行。

本项目的开发日程虽然略有推迟,但成功完成了具有足够的功能,并控制了成本的电路,因此得到了领导的鼓励,对我说“辛苦了”。

这个时候,我暗下决心:今后将不断积累知识和经验,成为一名出色的工程师。

TEXT BY
宫田 将喜
38坊如何开户?开发部 38坊如何开户?开发课

[主要产品开发业绩]
定制品AC脉动叠加电源系统
定制电源系统,定制电子负载系统

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