前言

BMS保護(hù)板應(yīng)該遇到過這種情況，PCB板的管子過熱燒毀，回去復(fù)盤發(fā)現(xiàn)MOSFET選型沒問題、電流余量夠、散熱也做了，結(jié)果批量上機(jī)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(qū)域。排查到最后，問題往往出在柵極驅(qū)動(dòng)電壓上。MCU輸出3.3V，MOSFET規(guī)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(shí)際呢？這1.3V的過驅(qū)動(dòng)電壓并不足以讓MOSFET進(jìn)入低電阻的完全導(dǎo)通狀態(tài)。

此時(shí)導(dǎo)通電阻可能比標(biāo)稱值高出好幾倍，管子一直處于“半開不關(guān)”的狀態(tài)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(dāng)成了“正常工作電壓”，這是一個(gè)普遍的誤解。

閾值電壓到底是什么意思？

翻開MOSFET的規(guī)格書，閾值電壓的測試條件都寫著：VGS=VDS，ID=250μA。250微安連一個(gè)20mA的普通LED都點(diǎn)不亮。柵極電壓加到這個(gè)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(gè)很小的通道。

換句話說，閾值電壓對應(yīng)的狀態(tài)是器件剛剛從完全關(guān)閉進(jìn)入到輕微導(dǎo)通的的臨界點(diǎn)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到低電阻的飽和導(dǎo)通區(qū)。如果拿這個(gè)電壓附近的數(shù)值去驅(qū)動(dòng)MOSFET帶負(fù)載，顯然是不夠的。

我們可以以合科泰的HKTQ40N40為例，計(jì)算分析一下。 

這顆MOSFET的閾值電壓范圍是1.0到2.0V。當(dāng)柵極電壓為4.5V時(shí)，已經(jīng)比閾值高了2.5到3.5V，但它的導(dǎo)通電阻仍然比柵極電壓為10V時(shí)高出了33%以上。假如負(fù)載電流為20安培，那么兩種驅(qū)動(dòng)電壓下的發(fā)熱功率差異就很明顯了。

VGS=10V時(shí)，

功耗為202×7.5mΩ=3.0W；

VGS=4.5V時(shí)，

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(jié)溫可能高出15-20℃。如果環(huán)境溫度本來就高，這一點(diǎn)溫差就可能成為熱失控的起點(diǎn)。

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(shí)際上，閾值電壓是一個(gè)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(qū)動(dòng)時(shí)，高出閾值的那部分只有1.5V。MOSFET的特性在這個(gè)區(qū)域變化非常劇烈，1.5V的差額意味著導(dǎo)通電阻可能還處于快速下降的階段，遠(yuǎn)沒有達(dá)到穩(wěn)定值。正確的理解是：柵極電壓應(yīng)該給到規(guī)格書中標(biāo)注導(dǎo)通電阻時(shí)所對應(yīng)的測試電壓，那樣才算是正常工作。規(guī)格書寫著導(dǎo)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(shù)。

誤讀二：認(rèn)為邏輯電平MOSFET用3.3V或5V驅(qū)動(dòng)沒有問題

邏輯電平MOSFET確實(shí)是為低壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的，但“邏輯電平”這個(gè)名稱本身容易讓人誤解。判斷關(guān)鍵還不在名稱，而是規(guī)格書是否給出了低壓柵極電壓下的導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)。如果規(guī)格書寫了在4.5V柵極電壓下的導(dǎo)通電阻是多少毫歐，說明4.5V驅(qū)動(dòng)是可行的，性能有保證；如果規(guī)格書只寫了只寫了在10V柵極電壓下的數(shù)據(jù)，就不應(yīng)該想當(dāng)然地認(rèn)為5V也能用。

誤讀三：認(rèn)為閾值電壓越低的MOSFET越容易驅(qū)動(dòng)

閾值電壓低確實(shí)意味著更低的開啟電壓，但真正有風(fēng)險(xiǎn)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(shè)計(jì)時(shí)按1.0V來確定驅(qū)動(dòng)電壓，那么遇到1.9V才開啟的管子時(shí)，它可能根本沒有導(dǎo)通。設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)實(shí)操建議

拿到一顆MOSFET，首先看規(guī)格書中標(biāo)注導(dǎo)通電阻時(shí)所對應(yīng)的柵極電壓是多少。這個(gè)電壓才是你應(yīng)當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓，而不是閾值電壓。

 

如果單片機(jī)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(guī)格書中明確標(biāo)注了在4.5V或更低柵極電壓下導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)的型號。不要僅僅依據(jù)閾值電壓來判斷。

 

許多工程師為了節(jié)省物料成本，直接用單片機(jī)的輸出引腳去驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極。如果MOSFET需要10V驅(qū)動(dòng)而單片機(jī)只有3.3V輸出，中間必須增加一級驅(qū)動(dòng)電路。簡單的方案是使用兩個(gè)三極管構(gòu)成的推挽電路，成本很低；常用的方案是使用專用的柵極驅(qū)動(dòng)芯片，成本也僅需幾毛錢。不應(yīng)該省去這部分成本，因?yàn)橐活w驅(qū)動(dòng)芯片的價(jià)格遠(yuǎn)低于批量損壞后返修的費(fèi)用。

小結(jié)

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(guī)格書中導(dǎo)通電阻所標(biāo)注的柵極電壓，才是你應(yīng)該提供的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)柵極電壓僅比閾值電壓高1到2伏時(shí)，導(dǎo)通電阻可能惡化33%甚至數(shù)倍。高壓MOSFET必須使用10V驅(qū)動(dòng)，不能省略驅(qū)動(dòng)電路。在低壓邏輯驅(qū)動(dòng)的場合，應(yīng)選擇規(guī)格書中明確給出4.5V下導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)的型號。不要因?yàn)楣?jié)省幾毛錢的驅(qū)動(dòng)電路，而導(dǎo)致整個(gè)方案的可靠性下降。合科泰具有中低高壓MOSFET多種封裝的產(chǎn)品線，歡迎咨詢。