电力电子学中最古老的挑战之一，便是将多个晶体管并联以获得更高电流的开关。这项任务鲜少能直接达成，因为两个或多个晶体管的电气参数永远不会完全一致，从而阻碍了电流的均匀分配。

对于早期的电源转换器设计者而言，这一壮举更为艰巨，因为当时可用的器件是电流驱动的双极结型晶体管(BJT)。这意味着无法利用固有的稳定效应来帮助实现均匀的均流。事实上，在正常工作条件下，所需的基极-发射极电压(VBE)会随着温度升高而降低(-2 mV/°C)，因此即使是很小的不平衡，也会导致VBE较低的晶体管导通更多电流并进一步发热，最终导致失效。

对于mosfet或氮化镓高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)这类栅极控制器件，其稳定参数是随温度升高而增加的导通电阻;导通电流更大的器件温度更高，其导通电阻增加也更多，这有利于实现自然的漏极电流平衡。

虽然氮化镓场效应晶体管这类器件易于并联，但并非没有隐患，因为阈值电压和跨导的工艺偏差会产生不平衡，必须在设计阶段加以考虑。另一个难题是过流和过压检测电路的嵌入。

并联连接中的瞬态研究

去年，都灵理工大学能源系与EPC意大利公司联合发表的一项研究[1]，为理解并联开关配置中的开关瞬态做出了重要贡献。作者提出了两种方法来评估电流瞬态事件期间的电流不平衡。

在第一块测试板上，他们重点关注了在感性负载下晶体管寄生电容的影响。第二块测试板则评估了不同负载下开关栅极延迟时间的影响。这两块测试板有一些共同特征：每个氮化镓场效应晶体管被独立驱动，并使用源极分流电阻来监测晶体管电流。研究通过比较仿真数据和测试结果，来探究由栅极驱动相关不同延迟时间引起的器件间不平衡。基于对寄生元件的分析以及负载电流对开关瞬态的影响，作者为优化氮化镓场效应晶体管的并联提出了一些建议。这些建议，连同改进的布局规则，对于构建基于氮化镓的功率模块至关重要。

作为单个开关的并联连接

第一块测试板(图1)将多个并联的氮化镓场效应晶体管(EPC2302：100V/101A @ 25°C)组合成一个单个开关，旨在将由寄生电容引起的瞬态电流行为的影响，与由布线和电路板布局决定的杂散电感效应分离开来。特别地，该测试经过优化，用于测量开通后瞬间的最大峰值电流，并将其与器件的寄生电容(COSS)以及PCB布局电容(CPCB)关联起来。

图1

独立的栅极驱动允许在晶体管之间设置合适的开通和关断延迟。该电路包含一个100 μH的负载电感、一个续流超快二极管和一个电压源。

开通是最关键的换流事件，因为COSS会产生可能超过负载电流的电流过冲。此外，COSS的充放电会产生损耗，且损耗随并联晶体管数量的增加而增加。

针对不同的LCD、Ldiode和负载电感Lload值进行了LTSpice仿真。第一个电感值源自晶体管与二极管之间的连接;第二个电感值则代表二极管连接本身。仿真中并联了八个器件，仅第一个器件被开通，以产生最严苛的电流峰值条件。通过施加负载电感的0.1%至100%范围内的阶跃变化，量化了LCD+Ldiode所产生的效应。

仿真得到的波形包括公共漏极电流Ia、漏源电压VDS、已导通氮化镓场效应晶体管的漏极电流(IDSa)，以及未驱动晶体管的漏极电流(IDSn)。我们注意到，LCD+Ldiode的增加会影响Ia的上升沿，但不会影响VDS的下降沿。此外，增加这些电感会使上升的Ia变化更为平缓。

当VDS下降时，所有寄生电容(COSS和CPCB)分别通过电流ICOSS和ICPDB放电。两股放电电流之和流过已导通的晶体管，导致IDSa出现一个峰值，该峰值也包含了Ia的贡献。在LCD+Ldiode值较高时，峰值电流主要取决于两股放电电流;而在这些电感值较低时，寄生电容放电的同时Ia上升，导致IDSa峰值电流更为显著。

为了测试使用大电感进行Iload解耦的方法，在保持Lload = LCD+Ldiode的条件下，负载电流从0A到30A以10A的步进变化。可以得出以下观察结果：

当Iload = 0A时，测得的IDSa峰值几乎完全由寄生放电电流组成。这构成了一个基线瞬态。

当Iload > 0A时，IDSa峰值是该基线瞬态与负载电流(Ia)上升沿之和。

通过使用大的解耦电感LCD+Ldiode，研究人员确保了负载电流缓慢上升(即di/dt受限)。这种时间常数的分离使他们能够确认“寄生尖峰”是一个恒定的硬件特性，从而能够表征氮化镓场效应晶体管的开通行为，而数据不受负载大小的影响。运用这种方法，可以研究由寄生电容引起的开通均流情况。

栅极延迟时间对瞬态均流的影响

时序不匹配对瞬态事件的影响可以通过仅驱动两个晶体管导通、保持其他六个关断来评估。这两个晶体管以预设的延迟进行驱动，模拟不同栅极回路电感和栅极阈值电压自然偏差的实际影响。

在无延迟开通时，瞬态电流在两个晶体管之间均匀分配。强制引入延迟会导致先开通的晶体管比另一个承受更高的电流峰值。

在无延迟关断时，两个晶体管同时开关，使得负载电流在它们之间均匀分配。如果，比方说，GaN1的关断比GaN2延迟5纳秒，那么前者会持续导通负载电流直到它关断。在这种情况下，电流峰值等于负载电流，没有寄生电容的贡献。

在逆变器桥臂中并联氮化镓场效应晶体管

第二块测试板(图2)再现了一个逆变器桥臂，其中四个高边和四个低边氮化镓开关并联，每个开关由独立的栅极驱动器驱动，可以设置开通和关断的延迟时间。该测试板旨在研究不同负载电流下开关延迟时间的影响。

图2

该电路通过将晶体管排列成半桥配置进行了优化，以最小化连接长度和寄生电容。与第一块测试板相比，这导致了更陡峭的电流变化。

与解耦技术不同，采用半桥配置和多重脉冲测试的第二块测试板表明，Iload直接影响电流峰值：Iload越高，峰值水平越显著。此外，开通产生的电流峰值高于关断。值得注意的是，晶体管之间仅4纳秒的开通不匹配，就可能导致峰值电流比无不匹配时增加10安培。为减轻与延迟时间变化相关的影响，用于并联的晶体管应选用同一生产批次的器件。最近提出的替代策略包括控制并联器件的占空比以保持外壳温度相等。

开关能量

由开通或关断时的延迟时间引起的并联器件均流不均会影响开关损耗。例如，如果GaN2的开通相对于GaN1延迟，则GaN1的开关能量增加，GaN2的开关能量减少，而它们的总和保持不变。对于给定的负载电流，两个能量之间的差值随着延迟时间的增加而增大。特别地，在某些延迟时间值下，GaN2的开关能量为正，对应于GaN2有效地与GaN1一起导通开通电容电流和负载电流的工作状态。如果GaN2的开关能量为负，则情况相反，此时GaN1导通大部分电流。

最终考量

氮化镓场效应晶体管的静态和动态参数是实现器件高效并联的基础。值得注意的是，由于制造工艺公差导致的寄生电容和参数偏差(阈值电压和跨导)无法确保同步开关事件，因此也无法确保开关之间的电流均匀分配。

正如作者通过仿真和验证所证明的，寄生电容和电感显著影响电流峰值，尤其是在开通期间。因此，通过优化布局和精确设计驱动电路，可以减轻电流不平衡和高电流过冲。