前言

BMS保護板應該遇到過這種情況，PCB板的管子過熱燒毀，回去復盤發現MOSFET選型沒問題、電流余量夠、散熱也做了，結果批量上機以后還是有零星炸管，拆下來一看管子燒穿的位置集中在溝道區域。排查到最后，問題往往出在柵極驅動電壓上。MCU輸出3.3V，MOSFET規格書中寫閾值電壓1到2V，3.3V比2V高了1.3V，看起來綽綽有余。但實際呢？這1.3V的過驅動電壓并不足以讓MOSFET進入低電阻的完全導通狀態。

此時導通電阻可能比標稱值高出好幾倍，管子一直處于“半開不關”的狀態下工作，自然容易燒毀。問題的根源在于，很多人把閾值電壓閾值電壓當成了“正常工作電壓”，這是一個普遍的誤解。

閾值電壓到底是什么意思？

翻開MOSFET的規格書，閾值電壓的測試條件都寫著：VGS=VDS，ID=250μA。250微安連一個20mA的普通LED都點不亮。柵極電壓加到這個值，漏極才剛剛開始有極其微弱的電流流過，MOSFET只是剛剛打開了一個很小的通道。

換句話說，閾值電壓對應的狀態是器件剛剛從完全關閉進入到輕微導通的的臨界點，還遠遠沒達到低電阻的飽和導通區。如果拿這個電壓附近的數值去驅動MOSFET帶負載，顯然是不夠的。

我們可以以合科泰的HKTQ40N40為例，計算分析一下。 

這顆MOSFET的閾值電壓范圍是1.0到2.0V。當柵極電壓為4.5V時，已經比閾值高了2.5到3.5V，但它的導通電阻仍然比柵極電壓為10V時高出了33%以上。假如負載電流為20安培，那么兩種驅動電壓下的發熱功率差異就很明顯了。

VGS=10V時，

功耗為202×7.5mΩ=3.0W；

VGS=4.5V時，

功耗為202×10mΩ=4.0W。

多出1W的額外功耗。在緊湊封裝中，這1W意味著結溫可能高出15-20℃。如果環境溫度本來就高，這一點溫差就可能成為熱失控的起點。

三種常見誤讀

誤讀一：柵極電壓只要比閾值電壓高一些就行

實際上，閾值電壓是一個范圍，比如1到2V。同一型號的不同管子，閾值電壓可能相差1V。如果某顆管子的閾值電壓是1.8V，用3.3V驅動時，高出閾值的那部分只有1.5V。MOSFET的特性在這個區域變化非常劇烈，1.5V的差額意味著導通電阻可能還處于快速下降的階段，遠沒有達到穩定值。正確的理解是：柵極電壓應該給到規格書中標注導通電阻時所對應的測試電壓，那樣才算是正常工作。規格書寫著導通電阻在柵極電壓10V下測得，就必須給10V；寫著在4.5V下測得，那么4.5V才算數。

誤讀二：認為邏輯電平MOSFET用3.3V或5V驅動沒有問題

邏輯電平MOSFET確實是為低壓驅動設計的，但“邏輯電平”這個名稱本身容易讓人誤解。判斷關鍵還不在名稱，而是規格書是否給出了低壓柵極電壓下的導通電阻數據。如果規格書寫了在4.5V柵極電壓下的導通電阻是多少毫歐，說明4.5V驅動是可行的，性能有保證；如果規格書只寫了只寫了在10V柵極電壓下的數據，就不應該想當然地認為5V也能用。

誤讀三：認為閾值電壓越低的MOSFET越容易驅動

閾值電壓低確實意味著更低的開啟電壓，但真正有風險的是閾值電壓的分散性。同樣是閾值電壓范圍為1到2V的管子，有的批次1.0V就開啟了，有的批次1.9V才開啟。如果設計時按1.0V來確定驅動電壓，那么遇到1.9V才開啟的管子時，它可能根本沒有導通。設計時必須按照閾值電壓的最大值來考慮，不能按最小值或典型值。

三個實操建議

拿到一顆MOSFET，首先看規格書中標注導通電阻時所對應的柵極電壓是多少。這個電壓才是你應當提供的驅動電壓，而不是閾值電壓。

 

如果單片機的通用輸入輸出接口只有3.3V或5V的輸出能力，必須選擇規格書中明確標注了在4.5V或更低柵極電壓下導通電阻數據的型號。不要僅僅依據閾值電壓來判斷。

 

許多工程師為了節省物料成本，直接用單片機的輸出引腳去驅動MOSFET的柵極。如果MOSFET需要10V驅動而單片機只有3.3V輸出，中間必須增加一級驅動電路。簡單的方案是使用兩個三極管構成的推挽電路，成本很低；常用的方案是使用專用的柵極驅動芯片，成本也僅需幾毛錢。不應該省去這部分成本，因為一顆驅動芯片的價格遠低于批量損壞后返修的費用。

小結

閾值電壓是MOSFET剛剛開啟的臨界電壓，并非正常工作的條件。規格書中導通電阻所標注的柵極電壓，才是你應該提供的驅動電壓。當柵極電壓僅比閾值電壓高1到2伏時，導通電阻可能惡化33%甚至數倍。高壓MOSFET必須使用10V驅動，不能省略驅動電路。在低壓邏輯驅動的場合，應選擇規格書中明確給出4.5V下導通電阻數據的型號。不要因為節省幾毛錢的驅動電路，而導致整個方案的可靠性下降。合科泰具有中低高壓MOSFET多種封裝的產品線，歡迎咨詢。