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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 ...

2024-9-6 09:35| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 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 ...

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、矽和寬禁帶材料、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電晶體的導通和截止原理主要依賴於它們的柵極電壓:

① N-MOS:柵極 G 電壓高於源極 S 電壓時(如 V(GS)=5V),N-MOS 管導通;而當柵極電壓低於源極電壓時,N-MOS 管截止。
② P-MOS,柵極電壓 G 低於源極 S 電壓時(如 V(GS)=-5V),P-MOS 管導通;而當柵極電壓高於源極電壓時,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 通常用於低邊開關配置: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 也可以用於高邊開關,但實現起來較複雜,因為需要使柵極 G 電壓高於源極 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 通常用於高邊開關配置: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 不常用於低邊開關配置,因為在低邊配置中,它的柵極電壓需要低於源極電壓才能打開 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,這個倍數並非完全遵循,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

高於閾值柵極電壓,MOS 管將被開通。閾值柵極電壓(開通電壓)這一參數與驅動晶片選型有很強的關聯性,選擇驅動晶片是必須提供能使 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體或 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。


--影響關斷過程中的能量損耗和開關效率


在 MOS 管的實際應用中, 需注意柵極驅動電壓、散熱、開關頻率、電流和電壓額定值、靜電放電保護以及驅動電流,以確保其可靠性和性能。


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