在高功率電子設計中，為了滿足更大的電流需求和提升系統可靠性，常常需要將多個MOSFET器件并聯使用。

然而，MOSFET的并聯應用并非簡單的器件堆疊，它涉及諸多技術挑戰，如電流均衡、熱管理和驅動匹配等。本文將從專業的角度，詳細探討MOSFET并聯在高功率設計中的原理、挑戰、解決方案和實際應用。

隨著電力電子技術的快速發展，MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）以其開關速度快、導通電阻低和驅動簡單等優勢，廣泛應用于開關電源、逆變器和電機驅動等領域。在高功率應用中，單個MOSFET可能無法承受所需的高電流或功率，因此，采用多個MOSFET并聯的方式成為常見的解決方案。然而，MOSFET并聯涉及復雜的電氣和熱設計挑戰，必須謹慎處理。

MOSFET并聯電機驅動

電路的MCU是輸出直流信號，但它的驅動能力是有限的，如需要驅動較大功率MOS管，來產生大電流驅動電機，設計占空比大小比例達到調整轉速目的。

電機驅動主要采用N溝道MOSFET構建H橋驅動電路，H橋是典型的直流電機控制電路，因為它的電路外形類似字母H，故曰“H 橋”。4個開關MOS組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。為使電機正常運轉，電路要求對角線上的一對MOS是導通的，應用不同電流方向來達到控制電機正反轉的目的。

MOSFET應用選型

TOLL選型參數表

為了便于研究MOSFET并聯時的電流均流特性，進行了簡化處理，研究了以下MOSFET并聯時的均流特性。

MOSFET并聯面臨的挑戰

閾值電壓不匹配電流不均衡

由于制造工藝的差異，即使是同一批次的MOSFET，其閾值電壓（VTH）、導通電阻（RDS(on)）和跨導（gm）等參數也存在偏差。這些差異會導致并聯器件之間的電流分配不均，可能導致個別器件過載。

多管并聯應用參數設計影響均流效果

當并聯的兩個MOSFETs具有相同的參數，如內在閾值電壓（Vth）、Rg和Ciss時，它們的開通能量（Eon）和關斷能量（Eoff）非常相似，功率損耗的差距僅為0.01W。當2號MOSFET被Vth較低的器件替換時，其Eon和Eoff顯著增大，功率損耗比Vth較高的1號MOSFET器件高出1.87W，如表1所示。

Two MOSFETs parallel Test Result (Ton=250ns, Toff=100ns, Fs=10KHz)▲

MOSFET開關速度是影響電流平衡的另一個因素。在測試中，采用了更長的開通時間（Ton）和關斷時間（Toff），以及較高的外部驅動電阻Rg，此時不同Vth的器件之間的功率損耗差距會變大，如表2所示。當關斷時間為100ns時，Vth較低的2號MOSFET與1號MOSFET之間的總功率損耗差（包括開關損耗和導通損耗）約為1.87W；而當關斷時間為300ns時，功率損耗差距將增大到4.46W。其原因在于，當關斷時間更長時，兩個MOSFET的Vgs達到Vth的間隔時間變長，從而使得功率損耗差距也變大。

根據測試結果，具有相同Vth值的MOSFET并聯時，MOSFET外部驅動速度的快慢是實現更好電流平衡性能的關鍵因素。

Two MOSFETs Parallel Test Result (Ton=380ns, Toff=300ns, Fs=10KHz)▲

MOSFET柵極驅動不匹配電流不平衡

驅動參數的一致性，包括驅動回路的電阻、電容和電感，是影響電流平衡特性的另一個因素。

當兩個MOSFET并聯且其驅動回路的電容不同，具有較大輸入電容（Ciss）的MOSFET的開通時刻將比另一個MOSFET延遲，這會導致具有較大Ciss的MOSFET的開通能量（Eon）較小。然而，關斷過程則不同，較大的Ciss會導致關斷時刻延遲，從而導致較大的關斷能量（Eoff）。

通常情況下，當兩個MOSFET并聯時，具有較大Ciss的MOSFET的Eon較小，但Eoff較大。

MOSFET的輸入電容或驅動回路對Eon和Eoff具有相反的影響。如果一個MOSFET的Ciss高于其他并聯MOSFET的Ciss，其Eon將減小，而Eoff則會增大。實際上，在某些條件下，Eon和Eoff的總和可以進行權衡，進而達到最小值。因此，不同Ciss對電流平衡的影響可以忽略不計，如圖1所示。在實際應用中，建議Toff應約為Ton的40%以實現最佳系統設計。

Ciss Variation Ratio vs Switching Loss Gap | 1 圖▲

驅動參數優化與電流共享

外部Rg選擇對電流平衡的影響

柵極驅動回路的一致性將極大地影響電流平衡性能。驅動回路應保持一致，以滿足電流平衡的要求。其次，為了滿足系統效率的要求，開關速度應盡可能快。更快的開關速度將導致并聯MOSFET之間的開關損耗差距變小，如圖2所示。然而，快速的開關速度可能會引發過大的電壓尖峰，如圖3所示，因此電流平衡特性和電壓尖峰之間存在權衡，在系統設計中應找到平衡點。

Differences in Total Switch Losses Under Different Rg | 2 圖▲

Vds Spike Voltage vs Rgoff | 3 圖▲

結論

在高電流并聯應用中，影響電流一致性的因素主要來自兩個方面：一是MOSFET參數的一致性，如Vth和Ciss；二是應用中驅動回路設計和功率回路設計的不一致性。對于MOSFET制造商來說，控制生產工藝以獲得參數一致性至關重要。從應用角度來看，合適的驅動設計、一致的驅動回路和功率回路電感設計同樣是確保電流一致性的關鍵因素。