多顆MOS并聯(lián)時熱分布不均，導(dǎo)致個別器件過熱失效的原因與對策

在高功率應(yīng)用中，為了分擔(dān)電流、降低損耗，工程師往往會將多顆MOSFET并聯(lián)使用。例如在DC-DC電源、馬達(dá)驅(qū)動或逆變器電路中，通過并聯(lián)MOS實現(xiàn)更大的電流承載能力與更低的導(dǎo)通阻抗。然而，MDD FAE在現(xiàn)場常遇到這樣的問題：雖然設(shè)計理論上電流均分，但實測發(fā)現(xiàn)某顆MOS溫度明顯偏高，最終提前熱失效。這種“熱分布不均”的現(xiàn)象是并聯(lián)設(shè)計中最常見、也最容易被忽視的隱患之一。

一、問題現(xiàn)象與現(xiàn)場特征

某一顆MOS溫度明顯高于其他并聯(lián)器件，熱像圖呈“熱點”；

長時間運行后，該顆MOS首先擊穿或漏電流急劇上升；

整個并聯(lián)模塊電流不平衡，波形畸變或效率下降；

測得的結(jié)溫變化率明顯偏高，存在熱-電雙向正反饋現(xiàn)象；

更換新器件后仍復(fù)現(xiàn)問題，說明根因不在單顆MOS，而在系統(tǒng)設(shè)計。

二、熱分布不均的根本原因

1. 參數(shù)不一致導(dǎo)致電流不均

即使同型號MOS，導(dǎo)通電阻Rds(on)、閾值電壓Vth、反向恢復(fù)特性等也存在批次差異。導(dǎo)通電阻略低的那顆MOS在通電后先承擔(dān)更多電流，發(fā)熱更多；而Rds(on)又隨溫度上升而增大，形成動態(tài)不平衡。長此以往，該器件結(jié)溫不斷上升，最先達(dá)到熱失效點。

2. 布局與走線差異

PCB走線電阻或銅箔寬度稍有不同，都會影響電流分配。靠近輸入端的MOS電流路徑更短，流過的電流更大，功耗更高。如果散熱設(shè)計未能均衡，局部器件會持續(xù)過熱。

3. 散熱路徑不對稱

在多顆MOS安裝于同一散熱片的情況下，若某顆器件下方導(dǎo)熱界面（TIM）厚度不均，或散熱片接觸面不平整，會導(dǎo)致熱阻增大，結(jié)溫上升更快。這種熱不均進(jìn)一步加劇電流偏流。

4. 驅(qū)動信號不對稱

并聯(lián)MOS需要同步驅(qū)動。若柵極走線長度不同、驅(qū)動電阻不匹配、或信號分布不均，就會導(dǎo)致部分MOS導(dǎo)通更快或關(guān)斷更慢，從而承擔(dān)額外的開關(guān)應(yīng)力與損耗。

5. 熱-電正反饋效應(yīng)

MOSFET的導(dǎo)通電阻隨溫度上升而增加，這原本有助于電流均分。但在高頻、高壓應(yīng)用中，寄生參數(shù)和封裝熱阻的差異反而會使“熱得更熱、冷的更冷”——形成正反饋。最終，個別MOS率先過熱擊穿。

三、FAE診斷與分析方法

熱像儀掃描：通電后測量各MOS表面溫度分布，觀察是否存在明顯溫差。

電流分流測試：在每顆MOS源極串接小電阻，監(jiān)測實際電流分配。

波形對比分析：用示波器檢測各MOS柵極波形，確認(rèn)導(dǎo)通、關(guān)斷同步性。

結(jié)溫評估：通過紅外或熱模擬工具估算每顆MOS的Tj變化趨勢。

這些方法可快速識別出問題集中在熱路徑、電流路徑或驅(qū)動路徑中哪一環(huán)節(jié)。

四、FAE建議與優(yōu)化措施

選用參數(shù)一致性高的MOS

優(yōu)先選擇同一批次、同一封裝型號的MOS；

對關(guān)鍵應(yīng)用可進(jìn)行分選，控制Vth與Rds(on)偏差在±5%以內(nèi)。

優(yōu)化PCB走線與布局

保證每顆MOS的電流路徑長度和銅箔寬度一致；

對稱布線、對稱散熱，源極與漏極回路盡量等電阻。

合理設(shè)計驅(qū)動電路

柵極電阻一致、走線等長；

對多顆并聯(lián)MOS，可采用分布式驅(qū)動或緩沖電路。

強(qiáng)化散熱均衡

確保所有器件接觸散熱片良好，導(dǎo)熱界面厚度一致；

對大功率應(yīng)用可考慮使用熱仿真軟件（如FloTHERM）優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

實時溫度監(jiān)控與保護(hù)

加裝熱敏檢測點，實時監(jiān)控各通道溫度差；

控制系統(tǒng)中設(shè)置過溫降載或關(guān)斷保護(hù)邏輯。

多顆MOS并聯(lián)本意是為分?jǐn)傠娏鳌⑻嵘到y(tǒng)可靠性，但如果熱、電、驅(qū)動設(shè)計不均衡，反而會造成個別器件過熱失效，牽連整個系統(tǒng)。FAE在現(xiàn)場分析時，應(yīng)綜合考量電氣參數(shù)、PCB布局與散熱結(jié)構(gòu)，確保并聯(lián)MOS在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)真正的電流均分與熱平衡。只有這樣，才能讓功率系統(tǒng)既高效又可靠，避免“最熱那顆MOS先倒下”的尷尬局面。