上一篇文章中,我们讲到,在BMS测试的时候,经常会遇到MOS管烧毁的情况,引起这种损坏的原因对于MOS管来说,基本上都源于过流的功率损坏和过压的击穿。
关于过流的功率损坏,可以参考这篇文章BMS 中的放电 MOS 是怎么烧毁的?BMS 中的放电 MOS 是怎么烧毁的?
这一篇,我们聊一聊,MOS是如何被击穿的,以及为什么BMS系统中会有比系统还要高那么多的电压。
高压哪来的?
要想弄清楚高压是怎么来的,我们还得从BMS的总体电路开始分析,先看一下整个拓扑结构:
正常情况下,我们的BMS系统对负载的供电回路如上图这样,系统中最高的电压也就是电池的供电电压,然而放点MOS管关断的那一瞬间,情况就会变的很复杂。首先我们得根据实际电路找到其中的寄生参数部分,比如下图中的几个电感是最容易在电流突变时引起故障的。
从图中我们可以分析到主要的三个寄生电感:
当放电 MOS 管开始动作到完全关断,短路电流也会从最大值减小到0,电感中的电流不能突变,因此这个变化的电流会在电感两端产生相应的电动势来维持电流。接下来,我们看看在MOS管关断前后的电路情况吧MOS管关断前,大电流从MOS管流过给负载供电,负载两端的电压和电池两端的电压几乎相同。
因为电流没有变化,或者说变化不大,寄生电感L1和L2几乎相当于导线。下一刻,我们要关断MOS管了。
MOS管关断后,电感中的电流无法突变,他需要回路来维持住这个电流,此时的电感就变成了一个小的电源了,因为之前存储在电感中的能量要通过电流的流动释放出来,有电流流动则必然在电感上产生一个电压。所以我们可以把图稍稍变一下。
我们在脑袋中标记一下途中的三个电源,你会发现整个图中包括电池在内的三个电源串接在一起,整个的加在了我们的MOS管上。这么说来,这个总电压一定是高于我们的电池电压的,到底高多少呢?这就要看我们的寄生电感有多少,流过的电流有多少了,因为电感上的电压计算公式为:V = L * (di / dt)具体如何计算和测量电路中的寄生电感,可以参考下面这篇文章:【六】BMS 的保护电路设计及 MOS 管选型
我们这里先做一下理论的定性分析。对于L2这个寄生电感,主要和我们的电池正负极到BMS系统的引线有关,肯定是傻大黑粗的好。因为很多情况下,我们的BMS板子都是通过镍片焊接在电池包上,因此这部分的寄生电感参数普遍比较小。
对于L1这个电感,他可以大到你不可想象,做电机控制的都知道,当电机刹车的时候,负载两端的电压冲的非常高,如果用开关电源调试,几乎都能把开关电源冲坏,所以电机一般都是要逐渐减速。如果是阻性负载,那么电路图中的L1将会小很多,大部分是供电线引起的寄生电感,同样的关断电流下,VL1这个电压也就不会很高。但是,我们关断的时候往往是在过流保护或者短路保护的时候,因此这个电流是非常大的,这就意味着L1上的电压降非常大,足以击穿我们的MOS。
如何解决呢?
最简单的办法就是让MOS关断的慢一点,这样di/dt就会小很多,因而L1上的电压也就会降低,但上一章节中我们也提到过,关断的慢了会使得MOS的开关损耗变大,依然会有损坏MOS的风险。其实我们就像驱动蜂鸣器一样,给这个电感释放情绪的一个回路就可以了。
上面这个图连毕业生都知道原理,我这里就不过多解释了,驱动继电器的电路也是类似的。到我们的BMS系统中,我们可以这样设计。
相比未在 PACK输出端增加反并二极管时的电路,由寄生电感 L1 所带来的感应电压尖峰被 D1 钳位,放电 MOS 的 Vds 应力大幅降低,避免了放电 MOS 在短路保护时的过压损坏。另外,我们也要注意 PCB 的布线,避免引入过大的寄生电感 L2,不然就是前面镍片用料杠杠的,后面一窄条铜皮毁了所有啊,所以我们还是需要尽量减小由 L2 所产生的感应电压 VL2。关于BMS中MOS管电压击穿的问题,我们先聊到这。