BMS 中的放電 MOS 是怎么燒毀的？

我們在做 BMS 保護(hù)板的前期測試階段，是不是經(jīng)常遇到燒毀放電 MOS 的情況？

大多數(shù)人想到的原因要么是自己選的 MOS 耐流能力不夠大，要么就是嫌自己并的不夠多，然而當(dāng)我們換了更大的 MOS 管，或者多并聯(lián)了幾個(gè)后，還是會出現(xiàn)燒毀的情況，真是捉摸不透啊。其實(shí)并不是我們選擇 MOS 有問題，而是我們電路的設(shè)計(jì)上沒有注意 MOS 的微觀狀態(tài)，當(dāng)然一定的降額設(shè)計(jì)和良好的散熱是必不可少的。今天聊一下 BMS 中 MOS 管的過流損壞。我認(rèn)為半導(dǎo)體器件的損壞大體上可以分為三種：機(jī)械損壞，過流燒毀，過壓擊穿。

機(jī)械損壞主要是磕碰沖擊，熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形，震動(dòng)導(dǎo)致的斷裂，這部分一般發(fā)生在生產(chǎn)制造和產(chǎn)品正式工作環(huán)境中，在測試階段出現(xiàn)的還是比較少，一方面是樣品量少，不足以暴露出來，另一方面是工程師對自己的板子愛惜有加，像照顧自己的娃娃一樣。過流損壞和過壓損壞則是我們在研發(fā)和測試階段最常遇到的兩種失效模式。我們首先來看看在 BMS 中 MOS 的過流損壞機(jī)理。

MOS 管是如何損壞的？

BMS 有一項(xiàng)最重要的保護(hù)措施就是過流保護(hù)，當(dāng)電池的輸出電流超過我們預(yù)設(shè)的電流保護(hù)閾值，并累積時(shí)間超過我們的過流保護(hù)閾值延時(shí)時(shí)間后，AFE 會主動(dòng)產(chǎn)生信號，將保護(hù) MOS 管關(guān)閉，從而防止外部短路損壞負(fù)載，也能夠有效地防止過大電流損壞電池自身。

我們一般在做過流保護(hù)的時(shí)候會發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生過流保護(hù)的時(shí)候，MOS 并沒有燒毀，也就是當(dāng)我們檢測到電流值超過我們的電流保護(hù)閾值后，BMS 系統(tǒng)還完全正常的再計(jì)時(shí)，等到延遲到來的那一刻，MOS 管就冒煙了。多試幾次就會發(fā)現(xiàn)，它不緊不慢地正好在 MOS 管關(guān)斷的時(shí)候燃燒起來，就好像我們設(shè)置的延時(shí)關(guān)閉信號是觸發(fā)冒煙的信號一樣。要想了解其中原因，我們先要分析 MOS 關(guān)斷的瞬間是什么樣的。MOS 管在關(guān)斷時(shí)會有四個(gè)階段的模態(tài)：

t0 ~ t1 階段：Vgs 電壓下降，但還沒有到達(dá) Vth，也就是 MOS 管的開啟電壓，這里也就沒辦法關(guān)閉，因此，在此階段 Vds 接近于 0，雖然電流 Id 很大，功率幾乎為 0。

t1 ~ t2 階段：Vgs 已經(jīng)讓 MOS 管工作在放大區(qū)了，有一點(diǎn)點(diǎn)的導(dǎo)通但是內(nèi)阻非常大。此時(shí)，Vds 電壓開始上升，但是由于 MOS 的寄生電容 Cgd 的存在，上上的 Vds 將通過寄生電容 Cgd 給柵極 G 供電，因此這一階段會出現(xiàn)一個(gè)平衡，Vgs 保持一個(gè)穩(wěn)態(tài)，這就是是彌勒平臺。這個(gè)階段，Vds 在上升，MOS 管漏電流 Id 保持不變，功耗為 Vds * Id，隨著 Vds 的升高而逐漸增大。

t2 ~ t3 階段：Vds 已經(jīng)上升到了 Vin 而趨于穩(wěn)定，不再有大的 dv/dt，那么 Vdrive 拉取的電流將由 MOS 的另一個(gè)寄生電容來提供，也就是圖中的 Cgs，此時(shí) Vgs 開始逐漸下降，MOS 管的內(nèi)阻開始逐漸變大，Id 電流也逐漸減小。直到 Vgs 降低于 Vth，MOS 管徹底關(guān)閉，Id 降低為 0。這個(gè)階段中，Vds 保持不變，Id 逐漸減小，功耗為 Vds * Id，隨著 Id 的減小，熱功耗也逐漸減小為 0。

t3 ~ t4 階段：這一階段實(shí)際上是 MOS 關(guān)斷的收尾工作，也就是將 Cgs 中的電荷全部釋放，Vgs 隨之降低為 0。但此階段的 Vds 雖然很大，Id 卻已經(jīng)被完全關(guān)斷為 0，因此也沒有熱功耗。

根據(jù)上面的 4 個(gè)階段可以分析出，放電 MOS 在關(guān)斷的瞬間產(chǎn)生的熱功率損耗可以用下面的公式計(jì)算：具體的能量計(jì)算和 MOS 關(guān)斷與 Eas 參數(shù)對比可以閱讀我的這篇文章：【六】BMS 的保護(hù)電路設(shè)計(jì)及 MOS 管選型

其功率曲線可以近似于下圖這樣：

從曲線可以看出，在 Id 電流超過我們設(shè)定的閾值時(shí)的功率并不是 MOS 管上承受的最大功率，而在關(guān)斷瞬間的 t2 時(shí)刻才是最大的峰值功率。而整個(gè)熱量積攢的時(shí)間段就是 t1 到 t3 時(shí)刻。所以我們選擇 MOS 的時(shí)候一般的留的裕量都是根據(jù)我們的過流閾值來計(jì)算的，往往忽略了關(guān)斷瞬間 MOS 的峰值功率。因而導(dǎo)致在測試過流保護(hù)的時(shí)候，MOS 管頻頻冒煙。

如何解決呢？

通常 AFE 芯片提供的 Vdriver 信號比較弱，而他的限流電阻也是兆歐級別，所以我們一般是需要設(shè)計(jì)外圍電路來加快關(guān)斷的速度，比如為外部使用小的 MOS 管來快速拉低 Vgs。

如上圖所示，我們通過 Q1 的 BC807 來作為快速放電通路，可以在 DSG 信號拉低的時(shí)候迅速導(dǎo)通，從而釋放掉 Q9 內(nèi)部寄生的電容的電荷。對于 R6 和 R8 的取值，我們需要根據(jù) MOS 管 Q9 的 Qg 電荷量以及具體實(shí)測的關(guān)斷波形來評估，因?yàn)楣艿倪^快會導(dǎo)致 Vds 電壓波形震蕩，我們需要一個(gè)又快又穩(wěn)的關(guān)斷波形。

以上就是關(guān)于 MOS 管過功率損壞的分析。這里我們可以看到選擇電流裕量足夠高 MOS 管以及加快 MOS 管關(guān)斷速度都可以降低 MOS 損壞的概率。

然而還有很多情況是，我們命名加快了 MOS 管的關(guān)斷速度，MOS 管也找了大型號的，還多并聯(lián)了幾個(gè)，依然會出現(xiàn)關(guān)斷燒糊的情況，這就不得不說到 MOS 管的過壓損壞了，下一篇，我們來分析 BMS 中為什么會出現(xiàn)比系統(tǒng)電壓還要高很多的電壓來擊穿 MOS 管。