應(yīng)用指南 | 鍇威特高性能低壓MOS精準升級電池BMS保護系統(tǒng)
發(fā)布日期：2025-04-11
BMS（電池管理系統(tǒng)）是保障電池高效使用的必備系統(tǒng)。它通過實時監(jiān)測電池的電壓、電流和溫度，分析電池的使用環(huán)境、能量狀態(tài)和健康狀況，確保電池組在安全、壽命和性能方面表現(xiàn)優(yōu)良。BMS可以防止溫度不均導(dǎo)致的模塊失衡，避免因局部過熱引發(fā)的安全事故。同時提供能量均衡功能，提升電池的有效儲能和使用時間。
BMS廣泛應(yīng)用于新能源汽車、儲能系統(tǒng)、航空航天、消費電子等行業(yè)，確保電池的安全、高效和長壽命運行。
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圖一：BMS 應(yīng)用領(lǐng)域
a.新能源汽車；b.儲能系統(tǒng)；c.航天航空；d.消費電子
保護開關(guān)MOSFET 關(guān)鍵參數(shù)分析
在選擇BMS（電池管理系統(tǒng)）背靠背充放電保護MOSFET時，需綜合考慮以下關(guān)鍵因素：
圖二：BMS 常見系統(tǒng)框圖
耐壓能力：MOS管的耐壓值（Vdss）應(yīng)高于電池最大電壓的1.5倍，以防止擊穿。
電流額定值：MOS管的電流額定值應(yīng)大于或等于電池的最大充放電電流,避免MOS管因過載而損壞。
導(dǎo)通電阻（Rds-on）：導(dǎo)通電阻越小，損耗和發(fā)熱越低，效率越高，尤其在多管并聯(lián)時，低Rds-on可進一步優(yōu)化性能。
柵極電荷（Qg）：柵極電荷越小，開關(guān)損耗越低，開關(guān)速度越快。
柵極門檻電壓（Vgs-th）：需確保柵極電壓能可靠開啟漏源電流，且多管并聯(lián)時，Vgsth應(yīng)嚴格分檔，保證一致性。
寄生電容（Ciss、Crss）：對于高側(cè)開關(guān)應(yīng)用，因驅(qū)動電流較小，需盡量減小寄生電容，以確保短路時快速關(guān)斷；低側(cè)開關(guān)應(yīng)用可通過電路調(diào)整適配。
工作溫度范圍：MOS管需能在BMS的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。MOS溫升計算可利用以下公式：
TJ=Ta+P*RθJA
其中Ta為BMS系統(tǒng)環(huán)境溫度，P為MOSFET功耗，RθJA為MOSFET管芯到環(huán)境的熱阻系數(shù)。
BMS保護設(shè)計難點與解決策略
短路瞬間MOSFET電流大
問題：短路時電流可達幾百至上千安培，需在極短時間內(nèi)（200μS至1000μS）切斷電流，否則可能引發(fā)嚴重事故。
解決：短路保護電路需具備快速響應(yīng)和高準確性，除了保護芯片需要足夠驅(qū)動電流，保護MOSFET需要較小柵極電容，確保放電MOSFET迅速關(guān)斷。
短路持續(xù)期間內(nèi)MOSFET損耗發(fā)熱大
問題：MOSFET完全導(dǎo)通時電流迅速上升，功耗為Pon=Isc2*Rds(on)，MOSFET嚴重發(fā)熱，可靠性下降。
解決：需要選擇全工作區(qū)較寬的MOS來抵御200μS至1000μS的短路時間，降低炸管風(fēng)險，同時選擇熱阻低的MOS并加強外部散熱。
關(guān)斷MOSFET時瞬態(tài)電壓尖峰高
問題：由于線路長短和系統(tǒng)工作電流各不相同，MOSFET關(guān)斷時產(chǎn)生的高電壓尖峰也因系統(tǒng)而異，可能超過其耐壓值，發(fā)生雪崩擊穿。
解決：需采取措施降低瞬態(tài)電壓尖峰，同時選擇耐壓值穩(wěn)定，雪崩能力強的MOSFET。電壓尖峰Vspike = Vb+L×di/dt。需確保MOSFET的雪崩能量足夠，避免失效。
鍇威特100V/1.1mohm TOLL 封裝
短路保護 MOSFET介紹
基于BMS的特殊應(yīng)用，鍇威特自主研發(fā)的CST10N1P5C為BMS在多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了優(yōu)秀的選擇，該MOS管具有以下特點：
超低的柵極驅(qū)動電荷
較低的熱阻
超低的導(dǎo)通電阻Rdson（1.1mΩ）
寬泛的SOA工作區(qū)
強大的抗尖峰電流能力
圖三：CST10N1P5C TOLL封裝（100V/1.1mohm）
CST10N1P5C主要參數(shù)如下：
應(yīng)用領(lǐng)域
電池管理系統(tǒng)（BMS）
輕型電動車（LEV）
儲能逆變器
無人機（UAV）
電機驅(qū)動
DC/DC轉(zhuǎn)換器
CST10N1P5C性能測試
01、柵極電荷對比
柵極電荷測試電路通常用于測量MOSFET的柵極電荷特性。柵極電荷(Qg)是評估開關(guān)性能的重要參數(shù)，它包括柵源電荷(Qgs)和柵漏電荷(Qgd)
Qgs階段：柵源電壓上升到閾值電壓之前，主要充電柵源電容。
Qgd階段：柵源電壓繼續(xù)上升，柵漏電容開始充電，直到器件完全導(dǎo)通。
表1：CST10N1P5C與友商相同應(yīng)用MOS柵極電荷對比
02、EAS對比測試
單脈沖雪崩能量（EAS）是描述MOSFET在雪崩模式下能承受的能量極限參數(shù)，用于評估器件在瞬態(tài)過壓下的耐受能力。
表2：CST10N1P5C與友商相同應(yīng)用EAS能力對比
03、短路對比測試(大電流快速關(guān)斷)
對比競品，鍇威特能承受的最大短路電流高達420A，保護管應(yīng)用具備一定的優(yōu)勢。
表3：CST10N1P5C與友商相同應(yīng)用短路能力對比
04、安全工作區(qū)SOA對比
MOS管工作時，電壓和電流需在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)，以確保安全。SOA由五條限制線組成：導(dǎo)通電阻Rds(on)限制線、電流限制線、功率限制線、熱穩(wěn)定限制線和擊穿電壓限制線。這些限制線分別約束不同參數(shù)，幫助MOS管在BMS短路保護、熱插拔、電機驅(qū)動、開關(guān)電源等應(yīng)用中安全運行。通過對比友商產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)鍇威特的SOA范圍最大，針對BMS應(yīng)用場合更具備明顯優(yōu)勢。
鍇威特主推BMS應(yīng)用MOSFET列表
