合科泰揭秘MOSFET阈值电压VGS(th)的常见误读

前言

BMS保护板应该遇到过这种情况，PCB板的管子过热烧毁，回去复盘发现MOSFET选型没问题、电流余量够、散热也做了，结果批量上机以后还是有零星炸管，拆下来一看管子烧穿的位置集中在沟道区域。排查到最后，问题往往出在栅极驱动电压上。MCU输出3.3V，MOSFET规格书中写阈值电压1到2V，3.3V比2V高了1.3V，看起来绰绰有余。但实际呢?这1.3V的过驱动电压并不足以让MOSFET进入低电阻的完全导通状态。

此时导通电阻可能比标称值高出好几倍，管子一直处于“半开不关”的状态下工作，自然容易烧毁。问题的根源在于，很多人把阈值电压阈值电压当成了“正常工作电压”，这是一个普遍的误解。

阈值电压到底是什么意思?

翻开MOSFET的规格书，阈值电压的测试条件都写着：VGS=VDS，ID=250μA。250微安连一个20mA的普通LED都点不亮。栅极电压加到这个值，漏极才刚刚开始有极其微弱的电流流过，MOSFET只是刚刚打开了一个很小的通道。

换句话说，阈值电压对应的状态是器件刚刚从完全关闭进入到轻微导通的的临界点，还远远没达到低电阻的饱和导通区。如果拿这个电压附近的数值去驱动MOSFET带负载，显然是不够的。

我们可以以合科泰的HKTQ40N40为例，计算分析一下。

这颗MOSFET的阈值电压范围是1.0到2.0V。当栅极电压为4.5V时，已经比阈值高了2.5到3.5V，但它的导通电阻仍然比栅极电压为10V时高出了33%以上。假如负载电流为20安培，那么两种驱动电压下的发热功率差异就很明显了。

VGS=10V时，功耗为20²×7.5mΩ=3.0W;

VGS=4.5V时，功耗为20²×10mΩ=4.0W。

多出1W的额外功耗。在紧凑封装中，这1W意味着结温可能高出15-20℃。如果环境温度本来就高，这一点温差就可能成为热失控的起点。

三种常见误读

误读一：栅极电压只要比阈值电压高一些就行

实际上，阈值电压是一个范围，比如1到2V。同一型号的不同管子，阈值电压可能相差1V。如果某颗管子的阈值电压是1.8V，用3.3V驱动时，高出阈值的那部分只有1.5V。MOSFET的特性在这个区域变化非常剧烈，1.5V的差额意味着导通电阻可能还处于快速下降的阶段，远没有达到稳定值。正确的理解是：栅极电压应该给到规格书中标注导通电阻时所对应的测试电压，那样才算是正常工作。规格书写着导通电阻在栅极电压10V下测得，就必须给10V;写着在4.5V下测得，那么4.5V才算数。

误读二：认为逻辑电平MOSFET用3.3V或5V驱动没有问题

逻辑电平MOSFET确实是为低压驱动设计的，但“逻辑电平”这个名称本身容易让人误解。判断关键还不在名称，而是规格书是否给出了低压栅极电压下的导通电阻数据。如果规格书写了在4.5V栅极电压下的导通电阻是多少毫欧，说明4.5V驱动是可行的，性能有保证;如果规格书只写了只写了在10V栅极电压下的数据，就不应该想当然地认为5V也能用。

误读三：认为阈值电压越低的MOSFET越容易驱动

阈值电压低确实意味着更低的开启电压，但真正有风险的是阈值电压的分散性。同样是阈值电压范围为1到2V的管子，有的批次1.0V就开启了，有的批次1.9V才开启。如果设计时按1.0V来确定驱动电压，那么遇到1.9V才开启的管子时，它可能根本没有导通。设计时必须按照阈值电压的最大值来考虑，不能按最小值或典型值。

小结

阈值电压是MOSFET刚刚开启的临界电压，并非正常工作的条件。规格书中导通电阻所标注的栅极电压，才是你应该提供的驱动电压。当栅极电压仅比阈值电压高1到2伏时，导通电阻可能恶化33%甚至数倍。高压MOSFET必须使用10V驱动，不能省略驱动电路。在低压逻辑驱动的场合，应选择规格书中明确给出4.5V下导通电阻数据的型号。不要因为节省几毛钱的驱动电路，而导致整个方案的可靠性下降。合科泰具有中低高压MOSFET多种封装的产品线，欢迎咨询。

公司介绍

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