Dobíjecí, chráněné baterie Li-ion XTAR 21700 10A 5000mAh

Tranzistory MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) hrají klíčovou roli v systémech řízení a ochrany lithium-iontových akumulátorů (BMS – Battery Management System). Slouží jako bezkontaktní elektronické spínače, které zajišťují bezpečný provoz, ochranu článků a spínání nabíjecích i vybíjecích proudů.

Konfigurace se čtyřmi MOSFETy se v BMS obvodech používá nejčastěji tak, že jsou tranzistory zapojeny po dvojicích paralelně pro zvýšení proudové zatížitelnosti a snížení tepelných ztrát (2x nabíjecí + 2x vybíjecí MOSFET), případně u oboustranně symetrických obvodů.

Hlavní funkce MOSFETů v obvodech BMS:

• Ochrana proti přebití (Overcharge Protection). Pokud napětí na některém článku překročí bezpečnou mez (typicky 4,25 V), BMS rozepne nabíjecí MOSFET (CHG), čímž okamžitě přeruší nabíjecí proud.
• Ochrana proti podbití / hlubokému vybíjení (Over-discharge Protection). Při poklesu napětí článku pod kritickou hranici (typicky 2,5 V až 2,8 V) rozepne vybíjecí MOSFET (DSG), čímž odpojí zátěž a zabrání trvalému poškození nebo zničení akumulátoru.
• Ochrana proti proudovému přetížení a zkratu (Overcurrent / Short Circuit). Díky vysoké rychlosti spínání dokážou MOSFETy rozepnout obvod v řádu mikrosekund při detekci zkratu nebo nadproudového odběru.
• Balancování článků (Cell Balancing). Mnohem menší pomocné MOSFETy na desce BMS se používají k vyrovnávání napětí mezi jednotlivými sériově zapojenými články (přemostěním přes vybíjecí rezistory), což prodlužuje celkovou životnost baterie.

Protože každý MOSFET obsahuje vnitřní parazitní diodu (body diode), která vede proud v jednom směru i při vypnutém stavu, zapojují se tranzistory sériově proti sobě (back-to-back).

• Nabíjecí MOSFET (CHG). Blokuje nabíjecí proud směrem do baterie, ale jeho vnitřní dioda stále umožňuje vybíjení.
• Vybíjecí MOSFET (DSG). Blokuje vybíjecí proud směrem do zátěže, ale jeho vnitřní dioda umožňuje případné nabíjení.
• Použití 4 MOSFETů. Paralelní zapojení dvou CHG a dvou DSG tranzistorů půlí vnitřní odpor v sepnutém stavu, díky čemuž BMS zvládne dvojnásobný proud bez nadměrného přehřívání.

Výhody použití MOSFETů v BMS

• Nízký vnitřní odpor. Minimalizuje energetické ztráty a vyzařované teplo při vysokých proudech.
• Extrémní rychlost spínání. Okamžitá reakce na zkrat nebo nadproud v řádu mikrosekund.
• Vysoká spolehlivost a životnost. Na rozdíl od mechanických relé nemají žádné pohyblivé kontakty, které by se mohly opotřebovat nebo opalovat.