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新能源汽車 BMS 學習筆記篇——N-MOS & P-MOS 的開關原理及選型要點

已有 336 次閱讀2024-11-1 15:47 |個人分類:技術干貨| 大大通, 新能源, 汽車, 二極管, BMS

前言：

在之前的文章，小編有提到繼電器和 MOS 都可以用作 BMS（電池管理系統）中控制電池充放電的開關。相比繼電器，MOS 管在開關應用中具有更快的速度、更小的體積、更低的功耗、更高的可靠性、更少的噪聲以及更長的耐用性。MOS 管可以根據導通方式、結構、材料、電流方向和應用進行分類，包括增強型和耗盡型、平面型和垂直型、硅和寬禁帶材料、N 溝和 P 溝、以及功率和信號 MOSFET。本文主要圍繞 N-MOS & P-MOS 進行介紹，讓讀者更清楚 MOS 管在做開關時的控制原理及選型要點。

一、N-MOS & P-MOS 的導通截止原理：

G 極（柵極）、 S 極（源極）、 D極（漏極）

NMOS和PMOS晶體管的導通和截止原理主要依賴于它們的柵極電壓：

① N-MOS：柵極 G 電壓高于源極 S 電壓時（如 V(GS)=5V），N-MOS 管導通；而當柵極電壓低于源極電壓時，N-MOS 管截止。
② P-MOS，柵極電壓 G 低于源極 S 電壓時（如 V(GS)=-5V），P-MOS 管導通；而當柵極電壓高于源極電壓時，P-MOS 管截止。

二、N-MOS & P-MOS 做低邊開關 or 高邊開關？

1、N-MOS 適合用作低邊開關

① N-MOS 通常用于低邊開關配置：N-MOS 源極 S 連接到地（或負電源），漏極 D 連接到負載的負端。當 N-MOS 導通時，它將負載的負端與地連接，從而使電流流過負載。
② N-MOS 也可以用于高邊開關，但實現起來較復雜，因為需要使柵極 G 電壓高于源極 S 電壓，以便打開 MOS。
通常需要使用額外的電路（例如柵極驅動電路或自舉電路）來產生足夠的柵極電壓。

2、P-MOS 適合用作高邊開關

① P-MOS 通常用于高邊開關配置：P-MOS 源極 S 連接到正電源，漏極 D 連接到負載的正端。當 P-MOS 導通時，它將負載的正端與正電源連接，從而允許電流流過負載。
② P-MOS 不常用于低邊開關配置，因為在低邊配置中，它的柵極電壓需要低于源極電壓才能打開 MOSFET，這樣在實際操作中比較困難。

三、MOSFET 選型要點：

MOS 管是一種電壓驅動型開關功率器件，一般對 MOS 選型時主要關注其耐壓值、耐流值、耐溫值、開關損耗等參數。下表出了典型 MOS 管 Datasheet 中一些需要關注的參數及其意義：

Symbol	Definition	Meaning
I_D	最大漏極電流	原則是控制器中流過的最大電流不能超過 MOS 的漏電流極限值，否則會擊穿 MOS，且這一參數會隨溫度變化。
V_DSS	最大漏源極電壓	與漏電流一樣，這個倍數并非完全遵循，實際設計中有很大彈性。原則是保證系統出現的最大電壓不會使 MOS 管擊穿。
V_(GS(th))	閾值柵極電壓	高于閾值柵極電壓，MOS 管將被開通。閾值柵極電壓（開通電壓）這一參數與驅動芯片選型有很強的關聯性，選擇驅動芯片是必須提供能使 MOS 管開通的柵極電壓。這一參數在參數表上有最大值和最小值，可以理解為，達到最小值 MOS 管已經開始開通，達到最大值時 MOS 管完全開通。
R_DS	導通電阻	MOS 管導通時漏極和源極之間的電阻。
Q_g	柵極電荷	主要涉及柵極驅動電流計算。影響 MOSFET 導通和關斷過程的速度。較大的 Q_g 需要更多的源電流以實現快速開關。 --MOSFET 驅動電流計算的關鍵參數，決定了柵極充電和放電所需的電流
Q_rr	反向恢復電荷	主要涉及關斷過程的二極管或 MOSFET 的恢復特性。影響開關損耗和效率，特別是在高頻開關應用中。