隨著新能源技術的快速發展，對大功率半導體器件的需求日益增加。特別是在可再生能源領域，需要能夠承載巨大電流的功率器件。然而，由于生產成本、技術難度以及市場需求等因素的限制，單一的大功率半導體器件往往難以滿足這些應用的需求。因此，大功率IGBT和SiCMOSFET的并聯設計成為了一種有效的解決方案。本文將介紹并聯設計的關鍵要點，并推薦安森美(onsemi)的幾款相應產品。

功率器件為什么需要并聯設計？

在光伏發電和風力發電的大功率場景中，功率器件需要承載極大的電流。但功率半導體廠商通常不生產額定電流較大的器件，原因是大尺寸芯片的生產良率低，市場需求不足，以及大電流芯片的封裝尺寸較大，還容易引發封裝翹曲度增加的問題。行業內常用的方法是，并聯多個較小額定電流的器件，這樣不僅可以滿足大電流的需求，還可以降低導通損耗、提高效率和擴展電流容量等。

但在并聯設計的實際應用中，往往會面臨導通時不均流、開關時不均流和芯片柵極振蕩等問題。

導通時的不均流問題

在并聯功率器件的導通過程中，確保電流均勻分配是一項關鍵考量，而這一過程往往會受到多種因素的干擾，導致出現不均流現象。首要因素是各器件間導通狀態下的Vce(sat)和RDS(on)的不一致性。當某些器件表現出更低的Vce(sat)或RDS(on)時，它們自然傾向于承載更多的電流，從而打破了理想的均流狀態。其次，門檻電壓（Vgs(e)th）的差異也會導致電流分配不均，Vgs(e)th較小的器件，其導通電阻（RDS(on)）也較小，這進一步加劇了電流分配的不均衡。此外，器件的溫度特性不容忽視，負溫度系數可能導致溫度升高時電流分配更加不均，而正溫度系數則有助于改善均流效果。

為有效解決靜態均流的問題，我們需要從器件選擇和系統設計兩個層面考慮。

首先，在器件選擇上，推薦在標稱工作電流下對導通阻抗進行篩選，以確保并聯器件之間的阻抗匹配，從而實現更均勻的電流分配。建議優先選擇那些Vce(sat)和RDS(on)參數一致或相近的功率器件，確保這些器件參數的差異分別控制在0.1V以內和5%以內。

其次，不同器件Vgs(e)th參數的差異應控制在0.1V以下。最后，采用具有正溫度系數（PTC）的功率半導體器件是提升均流效果的明智之舉，因為PTC特性能夠使器件隨溫度上升自動調節電流分布，有利于均衡。然而，若應用場景中要求低開關頻率且考慮使用負溫度系數（NTC）的IGBT以優化導通損耗，必須確保工作電流超過NTC的轉折點，以避免溫度引起的電流不均衡加劇。

開關時的電流不平衡

在功率半導體器件的開關階段，動態不均流問題尤為突出，該現象部分歸因于器件之間在關鍵參數上的不一致性，如VTH、米勒平臺電壓(Vplateau)以及輸入電容(Cies)的差異。低VTH的器件會因為其較低的門檻電壓而較早導通，同時由于其較小的Cies和柵極-發射極電容(Cge)，充電速度更快，導致這些器件在開關動作中承擔較大的能量損耗(Eon和Eoff)。這種能量損耗的集中會導致器件的結溫(TJ)升高，進而可能降低VTH，使得這些器件在后續的開關動作中更早導通，形成一個電流集中的循環，加劇了電流不平衡。

其次，較大的源極電感和阻抗會導致器件導通變慢和關斷延遲。具體來說，較小的源極雜散電感(LS)會導致器件在導通時承擔較大的能量損耗(Eon)，而較大的源極雜散電感則會導致器件在關斷時承擔較大的能量損耗(Eoff)。這種由于電路布局引起的不均衡，會導致某些器件在開關過程中電流過大，而其他器件電流較小，從而產生電流不平衡。

因此，要解決開關時電流不平衡的問題，需要從器件的電氣特性和布局兩個方面進行綜合考慮和優化。首先對功率器件在標稱工作電流下的柵極-發射極Vgs(e)th進行細致的篩選和排序，確保各器件的Vgs(e)th差異控制在0.1V以內，這有助于實現更一致的開關行為。其次，為了均衡電流，需要確保各個功率器件與門級驅動之間的回路長度一致，這有助于減少由于回路差異引起的開關時間不一致。最后，對稱的雜散電感設計同樣重要，在電路布局中，必須確保從功率器件的源極或發射極到驅動IC之間的雜散電感對稱且盡可能相等。

芯片之間柵極振蕩問題

柵極振蕩問題源于功率器件并聯使用時芯片間與外部電路連接時的差異，這些條件共同作用可能引發L-C諧振。具體來說，每個芯片都帶有寄生輸入電容Cgd和Cgs，當芯片間的公共柵極和源極存在雜散電感時，就可能在芯片間產生L-C諧振。此外，芯片本身參數的微小差異，如門檻電壓Vgs(th)的不同，以及外部連接的源極和驅動器之間的不同雜散電感，也可能促成這種諧振。如果電路中缺乏足夠的阻抗來消耗這些能量，諧振現象就會發生，導致柵極電壓Vgs出現振蕩。

這種振蕩不僅增加了功率器件的開關損耗，還可能引起重復開關，長期下去可能導致功率器件因損耗過大而損壞。因此，為了減少柵極振蕩的風險，設計時需要考慮匹配芯片間的雜散電感，確保并聯芯片間的源極（Source）和漏極（Drain）之間的雜散電感（例如上圖中的LD1與LD2，LS1與LS2，LG1與LG2）相等或盡可能接近，以減少由于電感不匹配引起的L-C諧振。如果芯片的內部門極電阻為零歐姆或非常低，應為每個器件單獨配置外部門極電阻(Rg)。這有助于消耗由L-C諧振產生的能量，減少柵極振蕩。

單管并聯還是模塊，在設計中如何選擇？

在大功率的應用中，選擇單管進行功率器件并聯設計還是使用模塊，應該綜合考慮成本、功耗、安裝便利性等因素。安森美作為全球領先的功率半導體器件供應商，其產品線涵蓋了廣泛的選擇，旨在滿足不同應用場景下的功率管理需求。在功率器件的選用上，無論是追求極致效率的單管解決方案，還是高度集成、優化散熱的模塊化設計，安森美都能提供滿意之選。安森美的產品陣容提供全系列高、中、低壓功率分立器件以及先進的功率模塊方案，包括IGBT、MOSFET、SiC、Si/SiC混合模塊、二極管、SiC二極管和智能功率模塊(IPM)。

安森美全新推出的M3S1200VEliteSiC功率集成模塊，該方案擁有全面、豐富的產品組合，輸出功率范圍由25kW可靈活擴展至100kW，非常適用于電動汽車直流超快速充電樁及電池儲能系統（BESS）的應用場景，以滿足不同需求的高能效供電解決方案。

采用第7 代 (FS7)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)技術的1200VSPM31智能功率模塊(IPM)，與市場上其他領先的解決方案相比，SPM31 IPM能效更高、尺寸更小、功率密度更高，因而總體系統成本更低。由于這些IPM集成了優化的IGBT，實現了更高效率，因此非常適合三相變頻驅動應用，如熱泵、商用暖通空調（HVAC）系統以及工業泵和風扇。