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新能源汽车 BMS 学习笔记篇——N-MOS P-MOS 的开关原理及选型要点

article 2024/9/20 0:36:33

前言：

在之前的文章，小编有提到继电器和 MOS 都可以用作 BMS（电池管理系统）中控制电池充放电的开关。相比继电器，MOS 管在开关应用中具有更快的速度、更小的体积、更低的功耗、更高的可靠性、更少的噪声以及更长的耐用性。MOS 管可以根据导通方式、结构、材料、电流方向和应用进行分类，包括增强型和耗尽型、平面型和垂直型、硅和宽禁带材料、N 沟和 P 沟、以及功率和信号 MOSFET。本文主要围绕 N-MOS & P-MOS 进行介绍，让读者更清楚 MOS 管在做开关时的控制原理及选型要点。

一、N-MOS & P-MOS 的导通截止原理：

G 极（栅极）、 S 极（源极）、 D极（漏极）

NMOS和PMOS晶体管的导通和截止原理主要依赖于它们的栅极电压：

① N-MOS：栅极 G 电压高于源极 S 电压时（如 V(GS)=5V），N-MOS 管导通；而当栅极电压低于源极电压时，N-MOS 管截止。
② P-MOS，栅极电压 G 低于源极 S 电压时（如 V(GS)=-5V），P-MOS 管导通；而当栅极电压高于源极电压时，P-MOS 管截止。

二、N-MOS & P-MOS 做低边开关 or 高边开关？

1、N-MOS 适合用作低边开关

① N-MOS 通常用于低边开关配置：N-MOS 源极 S 连接到地（或负电源），漏极 D 连接到负载的负端。当 N-MOS 导通时，它将负载的负端与地连接，从而使电流流过负载。
② N-MOS 也可以用于高边开关，但实现起来较复杂，因为需要使栅极 G 电压高于源极 S 电压，以便打开 MOS。
通常需要使用额外的电路（例如栅极驱动电路或自举电路）来产生足够的栅极电压。

2、P-MOS 适合用作高边开关

① P-MOS 通常用于高边开关配置：P-MOS 源极 S 连接到正电源，漏极 D 连接到负载的正端。当 P-MOS 导通时，它将负载的正端与正电源连接，从而允许电流流过负载。
② P-MOS 不常用于低边开关配置，因为在低边配置中，它的栅极电压需要低于源极电压才能打开 MOSFET，这样在实际操作中比较困难。

三、MOSFET 选型要点：

MOS 管是一种电压驱动型开关功率器件，一般对 MOS 选型时主要关注其耐压值、耐流值、耐温值、开关损耗等参数。下表出了典型 MOS 管 Datasheet 中一些需要关注的参数及其意义：

Symbol	Definition	Meaning
I_D	最大漏极电流	原则是控制器中流过的最大电流不能超过 MOS 的漏电流极限值，否则会击穿 MOS，且这一参数会随温度变化。
V_DSS	最大漏源极电压	与漏电流一样，这个倍数并非完全遵循，实际设计中有很大弹性。原则是保证系统出现的最大电压不会使 MOS 管击穿。
V_(GS(th))	阈值栅极电压	高于阈值栅极电压，MOS 管将被开通。阈值栅极电压（开通电压）这一参数与驱动芯片选型有很强的关联性，选择驱动芯片是必须提供能使 MOS 管开通的栅极电压。这一参数在参数表上有最大值和最小值，可以理解为，达到最小值 MOS 管已经开始开通，达到最大值时 MOS 管完全开通。
R_DS	导通电阻	MOS 管导通时漏极和源极之间的电阻。
Q_g	栅极电荷	主要涉及栅极驱动电流计算。影响 MOSFET 导通和关断过程的速度。较大的 Q_g 需要更多的源电流以实现快速开关。 --MOSFET 驱动电流计算的关键参数，决定了栅极充电和放电所需的电流
Q_rr	反向恢复电荷	主要涉及关断过程的二极管或 MOSFET 的恢复特性。影响开关损耗和效率，特别是在高频开关应用中。