MOSFET 并联

（并联功率 MOSFET 之间的寄生振荡）

概述： 本文档说明了并联功率 MOSFET 之间发生寄生振荡的原因及解决方案。

并联功率 MOSFET 之间的寄生振荡 应用说明

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目录 概述： ......................................................................................................................................................... 1

目录 ............................................................................................................................................................ 2

1. MOSFET 的并联运行 ........................................................................................................................... 3

2. 因器件特性不匹配（并联运行）导致的电流不平衡 ............................................................................. 3

2.1. 稳态运行中的电流不平衡 ........................................................................................................... 3

2.2. 开关转换期间的电流不平衡 ....................................................................................................... 3

3. 寄生振荡（并联运行） ......................................................................................................................... 4

3.1. 因漏源电压振荡导致的栅极电压振荡 ........................................................................................ 4

3.2. 并联 MOSFET 的寄生振荡 ........................................................................................................ 5

3.2.1. 防止并联 MOSFET 发生寄生振荡 ................................................................................... 7

3.3. 补充说明 .................................................................................................................................... 9

3.3.1. 并联谐振电路 ................................................................................................................... 9

3.3.2. 振荡 .................................................................................................................................. 9

3.3.3. MOSFET 振荡 ............................................................................................................... 11

3.4. 科尔皮兹振荡器 ....................................................................................................................... 12

4. 模拟和减少并联 MOSFET 的振荡 ...................................................................................................... 13

4.1. 并联 MOSFET 中的电流不平衡 ............................................................................................... 13

4.2. 并联 MOSFET 之间的寄生振荡 ............................................................................................... 15

4.2.1. 振荡现象 ........................................................................................................................ 15

4.2.2. 防止振荡 ........................................................................................................................ 18

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1. MOSFET 的并联运行 由于功率 MOSFET 不易发生热逸散，并联多个功率 MOSFET 通常比并联双极晶体管更容易。

MOSFET 并联可提高输出电流性能。由于 MOSFET 以高频率开关，其电气特性的差异和电路杂散电

感可导致出现瞬时电压峰值，以及并联 MOSFET 之间的电流分配不平衡。而电流不平衡可能导致功率损

耗过大并损坏器件。

并联连接时，最重要的是避免电流集中（包括在开关转换期间），并确保在所有可能的负载条件下，

流向所有 MOSFET 的电流保持平衡且均匀。应特别注意以下方面：

(1) 因器件特性不匹配（并联运行）导致的电流不平衡

(2) 寄生振荡（并联运行）

2. 因器件特性不匹配（并联运行）导致的电流不平衡

2.1. 稳态运行中的电流不平衡

在非开关期间，按照与并联 MOSFET 的导通电阻成反比的方式为其分配电流。导通电阻最低的

MOSFET 将承载最高的电流。导通电阻的正温度系数通常会为电流不平衡提供补偿，使通过各个 MOSFET

的电流相等。

因此，认为并联 MOSFET 在稳态情况下很少出现热击穿。MOSFET 体二极管中压降的温度系数非正

值。因此，并联 MOSFET 在其体二极管处于导通时，可能使稳态电流的分配出现大幅不平衡现象。但事

实上，MOSFET 的体二极管在通过电流时，MOSFET 的温度升高。所以，当其导通电阻增大时，其流过

的电流就会减小。因此，稳态电流中的不平衡很少会造成问题。

2.2. 开关转换期间的电流不平衡

一般来说，开通和关断开关转换期间会出现电流不平衡现象。这是由于并联功率 MOSFET 之间的开

关时间差异所致。开关时间的差异很大程度上取决于栅源阈值电压 Vth 的值。即，Vth 值越小，开通时间越

快；Vth 值越大，关断时间越快。因此，当电流集中在 Vth 较小的 MOSFET 中时，开通和关断期间都会发

生电流不平衡现象。这种电流不平衡会对器件施加过高的负载，并引发故障。并联连接时，为了减少瞬态

开关期间的开关时间差异，最好使用 Vth 接近的功率 MOSFET。对于跨导 gm 较高的 MOSFET，开关时间

也会更快。

此外，如果并联 MOSFET 在其互连线路中的杂散电感不同，电路接线布局也是开关转换期间引发电

流不平衡的一个原因。尤其是源极电感会影响栅极驱动电压。最好使并联 MOSFET 之间的互连线路长度

相等。

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3. 寄生振荡（并联运行）

3.1. 因漏源电压振荡导致的栅极电压振荡

开关期间 MOSFET 的漏极端子和源极端子中会发生浪涌电压 VSurge，主要是因为关断期间的 di／dt

和漏极端子及引线中的杂散电感。

VSurge＝Ld（杂散电感）×di／dt

VSurge 导致的振荡电压通过 MOSFET 的漏栅电容 Cgd 传输到栅极，与栅极线路的杂散电感 L 形成谐

振电路。

高电流、高速 MOSFET 的内部栅极电阻极小。在无外部栅极电阻器的情况下，该谐振电路的品质因

数会很大（1／R·√L／C）。如果发生谐振，谐振电路会在 MOSFET 的栅极端子和源极端子中产生很大

的振荡电压，导致发生寄生振荡。图 3.1 显示了带并联 MOSFET 的电路示例。

除非并联 MOSFET 的瞬态开关电流在关断期间平衡良好，否则电流会不均匀地分配到之后关断的

MOSFET。该电流在漏极端子和源极端子中产生很大的电压浪涌（振荡），而电压浪涌又传递到栅极，导

致栅极端子和源极端子中产生振荡电压。如振荡电压过大，会导致发生栅源过电压故障、开通故障或振荡

故障。

当最快的 MOSFET 关断时，其漏极电压上升。漏极电压的上升通过栅漏电容 Cgd 传递到另一个

MOSFET 的栅极端子，导致 MOSFET 发生意外运转，造成寄生振荡。

此外，并联 MOSFET 共用一个低阻抗路径，因此也很容易发生寄生振荡。

图 3.1 带并联 MOSFET 的电路

在 MOSFET 开关期间，杂散电

感（Ld1 和 Ld2）会产生振荡电

压。

低阻抗路径

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3.2. 并联 MOSFET 的寄生振荡

一般来说，并联 MOSFET 比单个 MOSFET 更易发生寄生振荡。图 3.2 显示了带并联 MOSFET 的电

路。图 3.3 显示了其处于寄生振荡频率的等效电路模型在图 3.3 中，Ld1 和 Ld2 是漏极线路的杂散电感；

Ls1 和 Ls2 是源极线路的杂散电感；L1 和 L2 是栅极线路、接合线和其它线路的杂散电感。Cds1、Cgd1、

Cgs1、Cds2、Cgd2 和 Cgs2 是 MOSFET 的电容。

假设在图 3.3 中，并联 MOSFET、Q1 和 Q2 的电感值和电容值相等（Ls1＝Ls2，L1＝L2，Ld1＝Ld2，

Cds1＝Cds2，Cgd1＝Cgd2，Cgs1＝Cgs2）。那么，当 Q1和 Q2在线性区发生寄生振荡时，二者以反相运行。

在这种情况下，由于沿虚线的电压在寄生振荡频率下被视为 0，可将其视为虚拟接地。因此，在寄生振荡

频率下，可以认为 A 和 B 均处于短路状态。这意味着寄生振荡的发生与漏源负载、续流二极管、电源、共

用栅极电阻器和栅极驱动电路无关，如图 3.4 中所示。

图 3.2 并联 MOSFET 图 3.3 处于寄生振荡频率的等效电路

作为寄生振荡环路的等效电路，它足以考虑图 3.4 中电路的一半，即图 3.5 所示。在图 3.5 中，Ld 和

Ls 的关系通常为 Ld << Ls。因此，在振荡频率下，可以如图 3.6 所示对等效电路模型进行简化。在图 3.6

中，Cgd 和 L 形成并联的谐振电路。

此外，在略低于谐振频率的频率下，该谐振电路可等效替换为图 3.7 中所示的电感 Lx。（假设 Ld 小

于 L，而 Ls 足以阻断振荡频率。）

图 3.7 中所示的电路是科尔皮兹振荡器（见第 3.4 节“科尔皮兹振荡器”）。如上所述，由于图 3.3

中的 A 和 B 是等效的短路，因此 MOSFET 周围的所有器件和负载均可以忽略（图 3.4）。换句话说，可

忽略续流二极管和串联电阻器（如电容器的等效串联电阻器）的导通电阻。因此，并联 MOSFET 形成了

具有高品质因数的谐振电路，由于具有高增益的反馈环路，该谐振电路极易发生振荡。

栅极

漏极

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图 3.4 并联 MOSFET

图 3.5 寄生振荡的等效电路模型

图 3.6 等效电路的转换

图 3.7 科尔皮兹振荡器

漏极

栅极

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3.2.1. 防止并联 MOSFET 发生寄生振荡

图 3.7 中所示的电路形成了一个由谐振电路的寄生电感和寄生电容组成（取决于其频率）的反馈电路。

当环路增益大于等于 1 时，该电路发生寄生振荡。满足以下等式时，环路增益为 1 或更大：

gm·R·Cds／Cgs >1 (1)（Cds＝C1，Cgs＝C3。见第 3.4 节“科尔皮兹振荡器”中的图 3.19。）

因此，要避免发生寄生振荡，必须采取以下措施：

R·gm·Cds／Cgs ＜1

选择 MOSFET

(a) 选择 Cds／Cgs 比值较低的 MOSFET。

(b) 选择 gm 值较小的 MOSFET。

使用外部电路防止发生寄生振荡

(a) 为每个 MOSFET 的栅极插入一个栅极电阻器 R1 或一个铁氧体磁珠，如图 3.8 中所示。

这样相当于向并联MOSFET等效电路模型中的栅极杂散电感 L1添加一个串联电阻器R1，如图 3.9中所示。

这样做的目的是减小谐振电路的品质因数，从而减小正反馈环路的增益。但要注意，R1 会影响 MOSFET

的开关速度，且增大的电阻会导致开关损耗增大。

(b)

(c) 在 MOSFET 的栅极和源极之间添加一个陶瓷电容器 C，如图 3.10 中所示。该陶瓷电容器实际上可减

小 Cds／Cgs 比值。但 C 会导致 MOSFET 的开关性能下降。图 3.11 中所示的等效电路可转换为如图 3.12

所示。若漏极杂散电感 Ld 低于源极杂散电感 Ls，则不将 C 添加至 Cgs，而是添加至 Cgd，如图 3.12 所示。

在栅极和源极之间添加电容器时应小心，否则经常会起到相反的效果。

图 3.8 并联 MOSFET

图 3.9 并联 MOSFET

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图 3.10 栅极和源极之间的电容器 图 3.11 等效电路 图 3.12 Ld << Ls时产生的不良影响

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3.3. 补充说明

3.3.1. 并联谐振电路

图 3.13 中所示并联 LC 电路的谐振频率 fo＝1／2π√(LC)。如图 3.14 中所示，电路在频率低于 fo 时

呈现感性，在频率高于 fo 时呈现容性。

当电路呈现感性时，可将其视为电感器。当电路呈现容性时，可将其视为电容器。

3.3.2. 振荡

振荡是电子电路在未从外部源接收振动能量的情况下自身发生振动的现象。实际上，由于电路含有电

阻，因此振荡会随时间而衰减（除非为电路供应所损失的能量）。发生振荡的条件包括：

(1) 相位条件

从输出到输入的反馈信号在振荡频率下与输入信号同相。（正反馈环路）

(2) 振幅条件

电路中无源元件导致的损耗低于放大器获取的增益。

电路有正反馈且提供补偿该损耗的增益时，会发生振荡。

图 3.15 中所示反馈电路的增益 G 计算如下：

Ｇ＝vo／vi＝A／(1－AH) (2)

其中，vi＝输入电压，vo＝输出电压，A＝环路增益，H：反馈系数

v1＝对放大器施加的输入电压，v2＝反馈电压

图 3.13 并联谐振电路

图 3.14 阻抗和频率

电感性

电容性

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当 AH 为正时，该电路具有正反馈环路，当 AH 为负时，具有负反馈环路。

当电路具有正反馈环路且增益（AH）为 1 或更大时，电路变得不稳定且发生振荡。

放大器

输出 输入

反馈电路

图 3.15 反馈电路

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3.3.3. MOSFET 振荡

功率 MOSFET 有很大的跨导 gm 和寄生电容。因此，线路电感和其它杂散电感（栅极、源极和漏极电

路之间的电感以及相关互连中的电感）可能形成正反馈电路，导致发生寄生振荡。

当功率MOSFET处于稳态开通或关断状态时，不会发生寄生振荡，因为其跨导gm为0或可忽略不计。

在负载短路或在 gm 变大的瞬态开关期间，可能发生寄生振荡。

MOSFET 反馈环路

无反馈环路时，不发生振荡。下文几段利用图 3.16 中所示的电路说明了发生振荡所需的条件。假设

X1－X3 是理想的电抗，其损耗可忽略。由于认为电流 i 不会从 MOSFET 流到各个电抗，可对图 3.16 中所

示的电路进行改型，如图 3.17 中所示。

图 3.16 振荡模型示意图 图 3.17 流过振荡电路的电流

根据基尔霍夫电路定律，

v1＋v2＋v3＝i(X1＋X2＋X3)＝0

其中，i≠0。

因此，X1＋X2＋X3＝0

当电路发生振荡时，存在正反馈环路。这意味着 v3（输入）与 v1（输出）同相。因此，X3 和 X1 是属

性相同的电抗，而 X2 不是。

典型的振荡器包括科尔皮兹振荡器和哈特利振荡器。

（反馈） （反馈）

（输入） （输入） （输出） （输出）

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3.4. 科尔皮兹振荡器

图 3.18 显示了基本型科尔皮兹振荡器。

科尔皮兹振荡器的等效电路型号见图 3.19。可通过计算环路增益确定维持振荡所需的振荡频率和增益

（gm·rd）。由于栅电流为 0，因此可忽略从 v2 到 v1 的线路。

通过上述等式，振荡频率和增益可计算如下：振荡频率：Im(AH)＝0

该电路在已经沿着电路循环一次的信号相位延迟 0°或 360°时的频率下最易发生振荡。因此，

C1＋C3—ω2L2C1C3＝0（等式两边都除以 jωC1jωC3，得出 1／jωC1＋1／jωC2＋ jωL2＝0。）

增益：取代等式(7)，ω2＝(C1＋C2) ／L2C1C3，得出 Re(AH) ≥1：

（gm·rd：电压环路增益）

图 3.18 基本型科尔皮兹振荡器

X：要计算环路增益，需要将该线路

移除。

图 3.19 科尔皮兹振荡器的等效电路

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4. 模拟和减少并联 MOSFET 的振荡 我们通过模拟确定并联 MOSFET 之间如何发生寄生振荡，并制定针对寄生振荡的解决方案。

因为该模拟的目的是研究振荡现象，所以需使用的实际组件值有所不同。为了研究振荡现象，对电路

进行了强制振荡。

4.1. 并联 MOSFET 中的电流不平衡

如第 2.1 节“稳态运行中的电流不平衡”中所述，电流分配的不平衡不会对稳态的并联 MOSFET 造

成问题。本节说明了由并联 MOSFET 之间的 Vth 差异导致开关转换期间发生的电流不平衡现象。

图 4.1 中所示的组件值如下：

图 4.1 中所示的组件值如下：

图 4.1 并联 MOSFET 的等效电路

① 当 MOSFET Q1 和 Q2 有完全相同的电气特性（包括 Vth）时

模拟结果显示，Q1 和 Q2 的漏电流、漏极电压和栅极电压无差异。

② 当 MOSFET Q1 和 Q2 有完全相同的电气特性（Vth 除外）时。

Vth 较低的 MOSFET 首先开通，大部分电流流动，直到另一个 MOSFET 开通。

相反，Vth 较高的 MOSFET 首先关断，另一个 MOSFET 负担所有电流，直到其关断。

图 4.2 显示了开通期间电流不平衡的开通波形，图 4.3 显示了关断波形。

L＝250μH，Ld1＝20.5μH，Ld2＝20.5μH，Ls1＝20.5μH，Ls2＝20.5μH，L1

＝0μH，L2＝0μH，R1＝2Ω，R2＝2Ω，R3＝2Ω

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由于电流集中在 Vth 最低的 MOSFET 上，并联众多 MOSFET 时必须使用 Vth 相同或几乎相同的

MOSFET。

图 4.2 开通期间并联 MOSFET 之间的电流不平衡 图 4.3 关断期间并联 MOSFET 之间的电流不平衡

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4.2. 并联 MOSFET 之间的寄生振荡

4.2.1. 振荡现象

我们模拟了以下的振荡：1) 单个MOSFET，2) Vth相同的并联MOSFET，3) Vth不同的并联MOSFET。

所有模拟使用相同的电流和电压条件。

① 单个 MOSFET 的运行

为了对单个 MOSFET 的运行和并联 MOSFET 的运行进行对比，特意将一个电路编程为具有使

MOSFET 发生振荡的电感值。图 4.6 显示了模拟结果。模拟条件是：

L＝500μH，Ld＝20.5μH，Ls＝20.5μH，L0＝0μH，R0＝0Ω

当 Ls 和 Ld 较大且 Ls 大于 Ld 时，发生振荡。Ls／Ld 越大，振荡幅度越大。

② 并联 MOSFET 的运行

图 4.5 中所示的电路编程为具有可为单个 MOSFET 的运行模拟提供相同条件的电感值。我们使用一

对电气特性相同的 MOSFET 进行该模拟。图 4.7 显示了模拟结果。从并联 MOSFET 获得的波形与从单个

MOSFET 获得的波形几乎相同。只要并联 MOSFET 有相同的电气特性，且其互连达到平衡，则其运行就

不会与单个 MOSFET 的运行有任何明显差异。但在实际中，MOSFET 之间存在特性差异。对于 MOSFET

并联应特别注意以下方面：模拟条件是：

L＝250μH，Ld1＝20.5μH，Ld2＝20.5μH，Ls1＝20.5μH，Ls2＝20.5μH，L1＝0μH，L2＝0μH，R1＝

0Ω，R2＝0Ω，R3＝0Ω（Ld1，Ld2，Ls1，Ls2，L1 和 L2 均为杂散电感。）

③ 并联 MOSFET（电气特性有差异）的运行

接下来，我们故意改变 MOSFET Q1 和 Q2 的 Vth 水平，并以与上文相同的方式进行模拟。如第 3.2

节“并联 MOSFET 的寄生振荡”中所述，并联 MOSFET 形成品质因数较高的谐振电路。由于反馈环路具

有高增益，因此并联 MOSFET 极易发生振荡。图 4.8 显示了模拟结果。在该模拟中，研究了 Vth 差异导致

的寄生振荡。当多个 MOSFET 并联连接时，Vth 以外的因素也可能导致其发生振荡。在这里，我们改变了

图 4.5 中电路 Q1 和 Q2 的 Vth 水平，并使用与前述模拟相同的条件。

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图 4.4 带单个 MOSFET 的电路 图 4.5 并联 MOSFET 的等效电路

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当有电流分配不平衡的现象时，并联 MOSFET 在开关转换期间极易发生振荡。并联 MOSFET 可能受

到远高于其额定电压的栅极电压。

图 4.6 单个 MOSFET 的

关断波形

图 4.7 并联 MOSFET 的关断波形

图 4.8 并联 MOSFET 的关断波形 Vth：Q1 > Q2

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4.2.2. 防止振荡

Cgd／Cgs 比值和 gm 值均较低的 MOSFET 不易发生振荡。此外，使用外部电路防止振荡也很重要。

我们模拟验证了其有效性。

栅极电阻器

为防止并联 MOSFET 发生振荡，我们在各个 MOSFET 中插入串联电阻器，并验证其效果。

图 4.10 显示了无栅极电阻器的电路的模拟结果（即 R1、R2 和 R3 编程为 0）。

图 4.11 显示了在并联 MOSFET 插入一个共用栅极电阻器的电路上进行模拟的结果（即 R1＝R2＝0Ω，R3

＝1Ω）。

图 4.12 显示了在各个 MOSFET 插入串联电阻器的电路上进行模拟的结果（R1＝R2＝2Ω，R3＝0Ω）。

我们证实，为并联的每个 MOSFET 插入串联栅极电阻器可以有效防止发生寄生振荡。

图 4.9 并联 MOSFET

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图 4.10 无栅极电阻器的并联

MOSFET；Q1 和 Q2 波形 图 4.11 有一个共用栅极电阻器的

并联 MOSFET；Q1 和 Q2 波形 图 4.12 有串联栅极电阻器的

并联 MOSFET；Q1 和 Q2 波形