【導讀】在10kW-50kW中高功率應用領域，SiC MOSFET分立器件與功率模塊呈現並存趨勢。分立方案憑借更高設計自由度和靈活並聯擴容能力突圍——當單管功率不足時
，隻需並聯一顆MOSFET即可實現功率躍升，為工業電源、新能源係統提供模塊之外的革新選擇。

在10kW-50kW中高功率應用領域
，SiC MOSFET分立器件與功率模塊呈現並存趨勢。分立方案憑借更高設計自由度和靈活並聯擴容能力突圍——當單管功率不足時，隻需並聯一顆MOSFET即可實現功率躍升，為工業電源、新能源係統提供模塊之外的革新選擇。

然而
，功率並非是選用並聯MOSFET的(de)唯(wei)一(yi)原(yuan)因(yin)。正(zheng)如(ru)本(ben)文(wen)所(suo)提(ti)到(dao)的(de)
，並(bing)聯(lian)還(hai)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)能(neng)耗(hao)，改(gai)善(shan)導(dao)熱(re)性(xing)能(neng)。考(kao)慮(lv)到(dao)熱(re)效(xiao)應(ying)對(dui)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)
，並(bing)聯(lian)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管(guan)是(shi)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao)

、改善散熱性能和提高輸出功率的有效辦法。然而
，並非所有器件都適合並聯
， 因為參數差異會影響均流特性。本文將深入探討該問題，並展示ST第三代SiC MOSFET如何完美適配並聯應用。

分立MOSFET和功率模塊

分立器件采用單管封裝形式（每個封裝僅含單個MOSFET或二極管）
，可靈活選擇通孔插裝（THT）或表麵貼裝（SMD）封裝。這種形式對拓撲設計和混合封裝應用沒有任何限製。

功率模塊則截然不同：其內部器件按特定拓撲（如全橋）集(ji)成(cheng)，一(yi)旦(dan)封(feng)裝(zhuang)完(wan)成(cheng)
，既(ji)無(wu)法(fa)修(xiu)改(gai)拓(tuo)撲(pu)也(ye)不(bu)能(neng)調(tiao)整(zheng)器(qi)件(jian)參(can)數(shu)。因(yin)此(ci)在(zai)原(yuan)型(xing)設(she)計(ji)階(jie)段(duan)，工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)投(tou)入(ru)更(geng)多(duo)精(jing)力(li)進(jin)行(xing)仿(fang)真(zhen)驗(yan)證(zheng)，而(er)使(shi)用(yong)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)時(shi)能(neng)直(zhi)接(jie)進(jin)行(xing)實(shi)物(wu)測(ce)試(shi)。

功率模塊有兩大優點：

●功率耗散：功率模塊的橫截麵結構通常包括散熱基板、陶瓷電氣絕緣層以及銅平麵走線，矽或碳化矽芯片（如MOSFET）通過燒結工藝直接連接在銅走線上。這種設計在散熱方麵具有顯著優勢：散熱基板可直接與散熱器接觸，無需額外電氣絕緣
，兩者之間僅需導熱界麵材料（TIM
，如導熱矽脂）即可實現高效熱傳導。  

●模(mo)塊(kuai)的(de)另(ling)一(yi)大(da)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)縮(suo)短(duan)換(huan)流(liu)回(hui)路(lu)，這(zhe)一(yi)點(dian)雖(sui)比(bi)散(san)熱(re)設(she)計(ji)更(geng)複(fu)雜(za)
，但(dan)效(xiao)果(guo)極(ji)為(wei)關(guan)鍵(jian)，能(neng)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)。走(zou)線(xian)本(ben)身(shen)具(ju)有(you)電(dian)阻(zu)和(he)電(dian)感(gan)
，長(chang)度(du)越(yue)長(chang)，寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)越(yue)嚴(yan)重(zhong)：電阻會因流經的RMS電流產生不可忽視的導通損耗；電感則會在電流變化時引發電壓過衝，開關速度越快
，電壓尖峰越高，甚至可能損壞器件。  

在以下方麵，分立器件難以與模塊相比：

●散熱設計：分立器件的散熱基板通常不絕緣且與MOSFET漏極相連，因此導熱界麵材料需同時滿足絕緣和導熱需求。  

●走線長度：分立器件芯片間的走線長度較長。電流通過鍵合線流至封裝引線

，然後流至PCB，再返回。

在模塊中，器件並聯非常簡單：兩顆芯片並列安裝，其餘節點通過短鍵合線連接。走線更短且熱耦合性能更優。

分立器件之間的熱耦合性能不如模塊好。熱量從芯片到封裝，再通過導熱界麵材料 (TIM) 到達散熱器，再到其他 MOSFET。每種介質以及它們之間的每次轉換都會產生熱阻
，導致溫度梯度。

並聯分立MOSFET的動機

盡管存在上述局限，分立MOSFET並聯仍具備不可替代的優勢：設計靈活性、參數可擴展性、供應鏈冗餘以及原型驗證便捷性。此外，並聯本身還能帶來以下物理層麵的優化：  

●熱re阻zu與yu封feng裝zhuang散san熱re麵mian積ji成cheng反fan比bi。若ruo將jiang損sun耗hao均jun分fen至zhi兩liang個ge相xiang同tong器qi件jian，總zong散san熱re麵mian積ji翻fan倍bei，單dan個ge封feng裝zhuang的de熱re耗hao減jian半ban，從cong而er使shi結jie到dao散san熱re器qi的de熱re阻zu降jiang低di一yi半ban，器qi件jian實shi際ji溫wen度du更geng接jie近jin散san熱re器qi溫wen度du。  

●MOSFET損耗主要包含導通損耗和開關損耗。 導通損耗由溝道導通電阻（RDSon）引起，並聯N個相同MOSFET可使總RDSon降至1/N。 

圖 1 導通示例：Ch1 漏極-源極電壓
、Ch4 漏極電流，Math耗散功率

開關損耗源於開關過程中電壓與電流的重疊（圖1）。盡管瞬態時間極短，但高壓大電流下峰值功率非常顯著。通過對功率隨時間進行積分（曲線下方的區域）可得到特定條件下的開通能量和關斷能量
，將二者乘以開關頻率（若條件變化則累加1秒內的所有能量）

，即可計算出開關損耗。

給定條件是值得注意的地方
，因為開關能量很大程度上取決於幾種參數：瞬態時間、電壓、電流和溫度。關於並聯方案，在開關能量的電流函數中隱藏著一些優勢。（圖2）

Figure 2 Example of switching energies: single MOSFET and two in parallel

圖 2 開關能量示例：單個 MOSFET 和兩個MOSFET並聯

開關能量的變化曲線不是線性的，略呈指數趨勢。因此，電流加倍會導致能量增加超過兩倍。並聯時，結果正好相反：如果將電流均分到兩個相同的器件
，總開關能量會比單個器件單獨開關時更低。

如果我們將功率模塊中的一個 MOSFET 與兩個分立 MOSFET 進行比較，則該模塊將處於劣勢：

對比功率模塊中的單個MOSFET與分立形式的兩個MOSFET，模塊反而處於劣勢：

●散熱路徑：由於模塊結構不同
，散熱路徑難以比較
，但是，分立器件通過更大散熱麵積可彌補結構劣勢
，甚至超越模塊性能。  

●導通損耗和開關損耗：分立MOSFET並聯的導通損耗是功率模塊的二分之一
，開關能量損耗顯著降低，因此，並聯分立 MOSFET 在損耗方麵優勢非常明顯。

這zhe說shuo明ming
，在zai所suo述shu功gong率lv範fan圍wei內nei，分fen立li器qi件jian並bing聯lian與yu模mo塊kuai方fang案an存cun在zai性xing能neng重zhong疊die。使shi用yong更geng多duo的de相xiang同tong規gui格ge的de器qi件jian可ke以yi提ti高gao功gong率lv
，而er並bing聯lian時shi選xuan擇ze更geng高gao導dao通tong電dian阻zu而er成cheng本ben更geng低di的de器qi件jian
，仍reng有you可ke能neng在zai相xiang同tong功gong率lv下xia與yu模mo塊kuai方fang案an競jing爭zheng。

熱失控——優勢背後的隱患

MOSFET的導通電阻（RDSon）並非靜態參數，其數值隨電流變化

，且受溫度影響更為顯著。在當前功率範圍內
，碳化矽（SiC）MOSFET已成為主流選擇，其RDSon溫度特性遠優於矽基MOSFET。  

圖3： SCT011HU75G3AG 的導通電阻對溫度歸一化曲線

以ST最新一代HU3PAK封裝（頂麵散熱）的SCT011HU75G3AG為例（圖3），導通電阻RDSon非常低，是並聯設計的理想選擇。

然而，從25°C至175°C其導通電阻Rdson僅上升約50%，與標準矽基MOSFET相比，這一增幅明顯更低，傳統矽基MOSFET在150°C（而非175℃，這是其絕對最高額定溫度）時RDSon增幅可達200%。

平坦的導通電阻（RDS(on)）溫度曲線是理想設計特性，能使導通損耗隨溫度變化保持穩定。然而，當損耗上升時，存在熱失控風險：損耗增加導致溫度升高，進而進一步加劇損耗。這種正反饋效應曾是矽基MOSFET的難題，但對碳化矽（SiC）器件通常可忽略——除非采用並聯配置。  

為何存在這種差異？關鍵在於參數離散性，尤其是導通電阻RDS(on)。以型號SCT011HU75G3AG為例，其標稱RDS(on)為11.4 mΩ

，但實際可能高達15 mΩ。雖然同一批次中出現如此大偏差的概率較低，但我們仍以此極端情況分析：15 mΩ比11.4 mΩ高出32%
，意味著在相同電壓下該器件承載的電流將減少32%。因此
，11.4 mΩ的MOSFET會產生約32%的額外損耗並更易發熱。若RDS(on)隨溫度上升的斜率更大，雖然會導致更高損耗
，但發熱更嚴重的MOSFET會通過自我調節（升溫導致電阻增加）使電流向低溫器件轉移。  

實際應用分析

實際應用中的風險等級如何
？由於並聯MOSFET共享散熱器（存在熱耦合），這仍構成嚴重威脅。為驗證此問題
，我們通過仿真進行深入研究：假設兩個HU3PAK封裝的SCT011xx75 MOSFET（TO247封裝表現會更好，此處選擇更嚴苛案例）
，一個RDS(on)=11.4 mΩ，另一個=15 mΩ。散熱器溫度設定為90°C，采用導熱界麵材料（TIM）為填隙膠（導熱係數7 W/(m·K)，厚度0.4 mm）。在總RMS電流140A條件下
，重點關注導通損耗。HU3PAK的冷卻麵積為120 mm²，計算得TIM導致的殼到散熱器熱阻為0.476 K/W。  

模擬實驗結果

●140 A 電流中的 63 A 流經15 mΩ MOSFET，殼溫為 123.7°C，結溫為 139.9°C

●其餘的77 A流經11.4 mΩ MOSFET
，殼溫為 131.8°C，結溫為 151.8°C。

當前電流失匹率為 22%，而初始值為 32%
，並且兩個 MOSFET 都有充足的溫度裕度，即實際溫度與最高絕對溫度的差值很大。TIM導熱膠的熱梯度是一個關鍵因素，在15 mΩ MOSFET中，從外殼到散熱器，溫度降幅達到 33.7°C，而另一個 MOSFET則達到41.8°C。在這種情況下，TIM導熱膠才是真正的限製因素
，而MOSFET 之間的電流失衡不是問題。熱導率選定為 7 W/(m∙K)
，這個值不錯
，但並非最佳。幸運的是，近期市場需求推動了對此類材料的研究，現在已出現超過 20 W/(m∙K) 的電隔離間隙填充材料。

結論

功率模塊適合高功率應用場景，但分立MOSFET也具備諸多優勢，使其同樣適用於模塊的功率範圍。選擇合適的MOSFET，需要考慮哪些關鍵因素
？答案是優異的開關性能和出色的熱管理性能。

幸運的是
，意法半導體的第三代 SiC MOSFET 應運而生
，並聯時仍能保持穩定開關性能，其導通電阻RDSon 的熱變特性在降低能量損耗和有效抑製熱失控實現了雙重優化。

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