我们在做 BMS 保护板的前期测试阶段，是不是经常遇到烧毁放电 MOS 的情况？

大多数人想到的原因要么是自己选的 MOS 耐流能力不够大，要么就是嫌自己并的不够多，然而当我们换了更大的 MOS 管，或者多并联了几个后，还是会出现烧毁的情况，真是捉摸不透啊。

其实并不是我们选择 MOS 有问题，而是我们电路的设计上没有注意 MOS 的微观状态，当然一定的降额设计和良好的散热是必不可少的。

今天聊一下 BMS 中 MOS 管的过流损坏。

我认为半导体器件的损坏大体上可以分为三种：机械损坏，过流烧毁，过压击穿。

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机械损坏主要是磕碰冲击，热应力导致的变形，震动导致的断裂，这部分一般发生在生产制造和产品正式工作环境中，在测试阶段出现的还是比较少，一方面是样品量少，不足以暴露出来，另一方面是工程师对自己的板子爱惜有加，像照顾自己的娃娃一样。

过流损坏和过压损坏则是我们在研发和测试阶段最长遇到的两种失效模式。

我们首先来看看在 BMS 中 MOS 的过流损坏机理。

BMS 有一项最重要的保护措施就是过流保护，当电池的输出电流超过我们预设的电流保护阈值，并累积时间超过我们的过流保护阈值延时时间后，AFE 会主动产生信号，将保护 MOS 管关闭，从而防止外部短路损坏负载，也能够有效的防止过大电流损坏电池自身。

我们一般在做过流保护的时候会发现，产生过流保护的时候，MOS 并没有烧毁，也就是当我们检测到电流值超过我们的电流保护阈值后，BMS 系统还完全正常的再计时，等到延迟到来的那一刻，MOS 管就冒烟了。

多试几次就会发现，它不紧不慢的正好在 MOS 管关断的时候燃烧起来，就好像我们设置的延时关闭信号是触发冒烟的信号一样。

要想了解其中原因，我们先要分析 MOS 关断的瞬间是什么样的。

MOS 管在关断时会有四个阶段的模态：

t0 ~ t1 阶段：Vgs 电压下降，但还没有到达 Vth，也就是 MOS 管的开启电压，这里也就没办法关闭，因此，在此阶段 Vds 接近于 0，虽然电流 Id 很大，功率几乎为 0。

t1 ~ t2 阶段：Vgs 已经让 MOS 管工作在放大区了，有一点点的导通但是内阻非常大。 此时，Vds 电压开始上升，但是由于 MOS 的寄生电容 Cgd 的存在，上上的 Vds 将通过寄生电容 Cgd 给栅极 G 供电，因此这一阶段会出现一个平衡，Vgs 保持一个稳态，这就是是弥勒平台。

这个阶段，Vds 在上升，MOS 管漏电流 Id 保持不变，功耗为 Vds * Id，随着 Vds 的升高而逐渐增大。

t2 ~ t3 阶段：Vds 已经上升到了 Vin 而趋于稳定，不再有大的 dv/dt，那么 Vdrive 拉去的电流将由 MOS 的另一个寄生电容来提供，也就是图中的 Cgs，此时 Vgs 开始逐渐下降，MOS 管的内阻开始逐渐变大，Id 电流也逐渐减小。直到 Vgs 降低于 Vth，MOS 管彻底关闭，Id 降低为 0。

这个阶段中，Vds 保持不变，Id 逐渐减小，功耗为 Vds * Id，随着 Id 的减小，热功耗也逐渐减小为 0。

t3 ~ t4 阶段：这一阶段实际上是 MOS 关断的收尾工作，也就是将 Cgs 中的电荷全部释放，Vgs 随之降低为 0。但此阶段的 Vds 虽然很大，Id 却已经被完全关断为 0，因此也没有热功耗。

根据上面的 4 个阶段可以分析出，放电 MOS 在关断的瞬间产生的热功率损耗可以用下面的公式计算：

$P ≈ 1/2 * Vin * Id * (t3 – t1)$

具体的能量计算和 MOS 关断额 Eas 参数对比可以阅读我的这篇文章：

BMS 的保护电路设计及 MOS 管选型

其功率曲线可以近似于下图这样：

从曲线可以看出，在 Id 电流超过我们设定的阈值时的功率并不是 MOS 管上承受的最大功率，而在关断瞬间的 t2 时刻才是最大的峰值功率。而整个热量积攒的时间段就是 t1 到 t3 时刻。

所以我们选择 MOS 的时候一般的留的裕量都是根据我们的过流阈值来计算的，往往忽略了关断瞬间 MOS 的峰值功率。因而导致在测试过流保护的时候，MOS 管频频冒烟。

如何解决呢？

通常 AFE 芯片提供的 Vdriver 信号比较弱，而他的限流电阻也是兆欧级别，所以我们一般是需要设计外围电路来加快关断的速度，比如为外部使用小的 MOS 管来快速拉低 Vgs。

如上图所示，我们通过 Q1 的 BC807 来作为快速放电通路，可以在 DSG 信号拉低的时候迅速导通，从而释放掉 Q9 内部寄生的电容的电荷。对于 R6 和 R8 的取值，我们需要根据 MOS 管 Q9 的 Qg 电荷量以及具体实测的关断波形来评估，因为管的过快会导致 Vds 电压波形震荡，我们需要一个又快有稳的关断波形。

以上就是关于 MOS 管过功率损坏的分析。这里我们可以看到选择电流裕量足够高 MOS 管以及加快 MOS 管关断速度都可以降低 MOS 损坏的几率。

然而还有很多情况是，我们命名加快了 MOS 管的关断速度，MOS 管也找了大型号的，还多并联了几个，依然会出现关断烧糊的情况，这就不得不说到 MOS 管的过压损坏了，下一篇，我们来分析 BMS 中为什么会出现比系统电压还要高很多的电压来击穿 MOS 管。

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