自動車バッテリー前端保護の原理

—— 逆極性保護技術について

1. 逆極性保護とは？

逆極性保護 (RPP) は、バッテリーが逆に接続された際にシステムへの損傷を防ぐために使用されます。自動車電力システム、バッテリーマネジメントシステム (BMS)、および様々な低電圧DC入力モジュールで一般的に見られます。
逆極性保護回路には3つの基本的なタイプがあります：
- シリーズ標準／ショットキーダイオード
- ハイサイド Pチャネル MOSFET
- ハイサイド Nチャネル MOSFET

2. 主流の逆極性保護ソリューション

2.1 ダイオードシリーズ法

基本原理: 標準ダイオードまたはショットキーダイオードが正電源ラインに直列に配置され、極性が正しい場合にのみ電流を流します。

技術的な比較:

適用例: 低消費電力またはコストに敏感なアプリケーション。

2.2 PチャネルMOSFETソリューション（推奨）

回路構造: Pチャネル強化型MOSFETが正電源レールと直列に配置され、通常はゲートを保護するためにゼナーダイオードが使用されます。
動作原理:
- 正しく接続された場合、MOSFETのボディダイオードが電流を流し、ソース端子にはバッテリー電圧が供給されます。
- ゲートは0Vであり、これによりVgsが負となり、MOSFETがオンになります。
- ゼネルダイオードがVgsを定格電圧に制限します。

逆の場合: ボディダイオードが逆偏になるため、MOSFETはオフになり、回路は切断され、システムが保護されます。

利点: オン時の抵抗が非常に低く、ダイオードよりもはるかに低い電力損失。外部ドライバは不要です。

応用例: 自動車電子機器、ECU、BMSフロントエンドで広く使用されています。

2.3 NチャネルMOSFETソリューション（高性能）

特徴：
pチャネルよりも低いRds(on)で、大電流システムに適しています。
ゲートにはVgsをソース電圧より高くするためにチャージポンプまたはブーストドライバが必要です。
逆接続の場合：ボディダイオードが逆偏향となり、ゲート駆動は無効になり、MOSFETはオフのままになります。
用途：先進的なEVコントローラーなどの高効率システムに最適です。

2.4 コントローラベースのソリューション: RPP とアイデアルダイオードコントローラの比較

3. ダイナミック対スタティック逆極性

スタティック逆極性: 長期的な逆接続で、安定した保護が必要です。
ダイナミック逆極性: 一時的な逆接続（例：瞬間的な誤挿入）で、高速な応答が必要です。

4. 機械式リレー保護（補足）

メリット：
- 高サージ電流に耐えられ、電圧降下が最小限に抑えられます。
- オープン時に完全な回路遮断を提供します。
デメリット:
- 大きなサイズ、寿命に制限があります。
- 応答が遅く、頻繁なスイッチングには適していません。

5. まとめおよび選択ガイド