電晶體與MOSFET電流共享的秘訣：告別元件過載的設計藝術

核心亮點

均流的必要性：在高電流應用中，透過並聯多個電晶體或MOSFET來分攤電流，可防止單一元件過載、過熱甚至損壞，並提升系統整體電流處理能力。
BJT的對策：主要利用在每個BJT的射極(Emitter)串聯一個小電阻（射極平衡電阻），形成負回饋機制，自動調節電流分配。
MOSFET的策略：可採用源極(Source)平衡電阻、閘極(Gate)電阻（抑制震盪並確保同步開關），並可利用MOSFET本身R_DS(on)的正溫度係數特性輔助均流，或採用主動式均流控制IC以達更精確控制。

電流共享：為何如此重要？

在許多電力電子應用中，單個功率半導體元件（如雙極性接面電晶體BJT或金屬氧化物半導體場效電晶體MOSFET）可能無法承受系統所需的全部電流。一個直接的解決方案是將多個相同的元件並聯使用，以期共同分擔負載電流。然而，僅僅將它們直接並聯並不能保證電流會平均分配。由於製造公差，每個元件的電氣特性（如BJT的電流增益h_FE或MOSFET的導通電阻R_DS(on)和閾值電壓V_th）都會有微小差異。這些差異會導致某些元件承載的電流遠大於其他元件，形成「電流集中」現象。這不僅會降低系統效率，更可能導致過載的元件過熱、壽命縮短，甚至燒毀，進而引發整個系統的故障。因此，設計有效的電流共享（Current Sharing）線路至關重要，它能確保並聯的元件能夠相對均勻地分配負載電流，從而提高系統的整體可靠性、效率和壽命。

電流共享面臨的挑戰

實現理想的電流共享並非易事，主要挑戰包括：

元件參數差異：即使是同一批次的元件，其電氣參數（如BJT的V_BE、h_FE；MOSFET的V_th、R_DS(on)）也不可能完全一致。
溫度效應：半導體元件的特性對溫度敏感。例如，BJT的h_FE隨溫度升高而增加，可能導致熱失控；MOSFET的R_DS(on)通常具有正溫度係數，溫度升高R_DS(on)增大，這在一定程度上有助於均流，但V_th則通常有負溫度係數。不均勻的散熱會加劇電流不平衡。
動態響應：在開關應用中，元件的開關速度、閘極/基極驅動電路的差異，以及佈線寄生電感和電容，都會影響動態電流共享的性能。

雙極性接面電晶體 (BJT) 的電流共享策略

對於BJT而言，最常用且有效的電流共享方法是在每個並聯BJT的射極（Emitter）路徑中串聯一個小阻值的電阻，稱為射極平衡電阻（Emitter Ballast Resistor）。

BJT內部電流流動示意圖（注意：此圖非並聯均流電路圖）

射極平衡電阻的運作原理

其原理是利用負回饋機制：

當某個BJT試圖流過較大電流時，其射極電阻上的壓降（V = I × R）也會相應增大。
這個增大的壓降會使得該BJT的基極-射極電壓 V_BE 相對減小（因為基極電壓通常由共同驅動源提供）。
V_BE的減小會限制該BJT的集極電流，從而抑制其過度導通。
反之，若某BJT電流較小，其射極電阻壓降小，V_BE相對較大，促使其導通更多電流。

透過這種自動調節作用，電流會在並聯的BJT之間達到一個相對平衡的狀態。

設計考量：

電阻值選擇：電阻值不宜過大，否則會增加額外的功率損耗和電壓降，降低效率；電阻值過小，則均流效果不明顯。通常選擇能產生幾百毫伏壓降的阻值。
元件匹配：儘管有平衡電阻，選用h_FE和V_BE特性相近的BJT仍然有助於改善均流效果。
散熱設計：良好的散熱對於所有並聯元件至關重要，以避免溫度差異加劇電流不平衡，甚至引發熱失控（Thermal Runaway），特別是BJT的h_FE隨溫度上升而增加的特性。
基極驅動：確保所有並聯BJT的基極獲得均勻且足夠的驅動。

在某些特定或較舊的設計中，也可能見到使用變壓器耦合射極來實現均流，如專利US3699358A所述，但這在現代設計中較不常見。

MOSFET 的電流共享技術

MOSFET因其低導通電阻和電壓驅動特性，在高頻開關電源等應用中被廣泛使用。其並聯均流方法與BJT有所不同，但基本思想仍然是平衡各個元件的負擔。

典型的並聯MOSFET均流電路，包含閘極電阻和源極電阻。

被動式電流共享方法

1. 源極平衡電阻 (Source Ballast Resistors)

與BJT的射極電阻類似，可以在每個MOSFET的源極（Source）串聯一個小電阻。當某個MOSFET電流增大時，源極電阻上的壓降增加，使得該MOSFET的閘源電壓 V_GS 相對減小（假設閘極電壓由共同驅動源提供），從而限制其導通電流。然而，由於MOSFET的導通電阻 R_DS(on) 本身已經很小，額外串聯電阻會增加損耗，因此這種方法在追求極致效率的場合需謹慎評估。

2. 閘極電阻 (Gate Resistors)

在每個並聯MOSFET的閘極（Gate）獨立串聯一個小電阻（通常幾歐姆到幾十歐姆）是至關重要的。這些閘極電阻主要功能並非直接用於靜態均流，而是：

抑制寄生震盪：並聯MOSFET時，由於佈線電感和MOSFET輸入電容（C_iss）的相互作用，容易產生高頻震盪。閘極電阻可以有效阻尼這些震盪。
確保同步開關：閘極電阻與MOSFET的輸入電容形成RC網絡，可以幫助平衡不同MOSFET開關時間的微小差異，使得它們更趨於同步導通和關斷，這對動態均流非常重要。

3. 利用 R_DS(on) 的正溫度係數

大多數功率MOSFET的導通電阻 R_DS(on) 具有正溫度係數（Positive Temperature Coefficient, PTC），即溫度升高時，R_DS(on) 會增大。這個特性本身對靜態均流有一定的自調節作用：如果某個MOSFET因承載較大電流而溫度升高，其R_DS(on) 會隨之增大，從而限制流過它的電流，促使電流轉向其他溫度較低的MOSFET。然而，閾值電壓 V_th 通常具有負溫度係數，這可能會部分抵消R_DS(on)的PTC效應，尤其是在V_GS接近V_th的區域。因此，不能單獨依賴此特性來完美均流，但它可以作為一個有利因素。

主動式電流共享方法

為了實現更精確的電流共享，特別是在要求較高的應用中，可以採用主動式均流電路。這類電路通常包括：

電流感測：透過在每個MOSFET路徑中放置感測電阻（shunt resistor）或使用其他電流感測技術（如霍爾效應感測器）來監測流過每個元件的電流。
回饋控制：將感測到的電流訊號與一個參考值（如平均電流）進行比較，然後透過控制電路（如使用運算放大器組成的誤差放大器）調整每個MOSFET的閘極驅動電壓，從而強制電流均勻分配。
專用控制器IC：市場上有多種專用的電流共享控制器IC（例如 Analog Devices LTC4370、Texas Instruments LM5050等），它們集成了電流感測、比較和控制邏輯，可以簡化設計並提供高效能的均流控制。

MOSFET均流設計考量：

元件匹配：選擇R_DS(on)和V_th盡可能一致的MOSFET。
PCB佈局：對稱的PCB佈局對於均流至關重要。確保每個並聯MOSFET的閘極驅動路徑、功率路徑的長度和阻抗盡可能一致，以減少寄生電感和電容不平衡帶來的影響。
熱管理：即使有均流措施，良好的散熱設計（如共用散熱片、合理的元件佈局以利通風）也是必須的，以維持各元件溫度接近，有助於均流。

電流共享特性比較：雷達圖分析

為了更直觀地比較不同電流共享方案的特性，下方的雷達圖展示了針對BJT（被動式，使用射極電阻）、MOSFET（被動式，使用源極/閘極電阻）以及MOSFET（主動式控制）在均流精度、設計簡易性、成本效益、整體效率、熱穩定性和適用開關速度等方面的相對評估。圖中數值越大代表該方面表現越佳（例如，設計簡易性數值大代表更容易設計）。

此雷達圖為概念性比較，實際表現會因具體電路設計、元件選型和工作條件而異。例如，「設計簡易性」和「成本效益」對於主動式控制方案評分較低，是因為它們通常需要更複雜的電路和額外的控制晶片，導致設計難度和成本上升。

電流共享技術心智圖

以下心智圖概括了電晶體與MOSFET實現電流共享的關鍵概念、方法和考量因素，幫助您快速掌握核心架構。

mindmap root["電流共享電路
Current Sharing Circuits"] Why["為何需要? Why Needed?"] IncCurrent["提升電流處理能力
Increase Current Capacity"] Reliability["增強系統可靠性
Enhance Reliability"] Redundancy["提供冗餘
Redundancy"] Challenges["挑戰 Challenges"] Mismatch["元件參數差異
Device Mismatch
(hFE, R_DS(on), V_th)"] Thermal["溫度效應
Thermal Effects"] Dynamic["動態響應
Dynamic Response"] BJT["雙極性接面電晶體 (BJT)"] EmitterRes["發射極電阻
Emitter Ballast Resistors
(負回饋 Negative Feedback)"] BJTCons["設計考量
Design Considerations
(電阻值, 散熱, 匹配)"] MOSFET["金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)"] Passive["被動式均流 Passive Sharing"] SourceRes["源極電阻
Source Ballast Resistors"] GateRes["閘極電阻
Gate Resistors
(防震盪, 均勻開關)"] PositiveTC["R_DS(on)正溫度係數
Positive TC of R_DS(on)"] Active["主動式均流 Active Sharing"] ControllerIC["專用控制器IC
Controller ICs"] OpAmp["運算放大器回饋
Op-Amp Feedback"] MOSFETCons["設計考量
Design Considerations
(R_DS(on), V_th匹配, 散熱, PCB佈局)"] General["通用考量
General Considerations"] DeviceMatching["元件匹配
Device Matching"] ThermalMan["熱管理
Thermal Management"] PCBLayout["PCB佈局
PCB Layout"] Testing["測試驗證
Testing & Verification"]

此心智圖清晰地展示了從需求、挑戰到針對BJT和MOSFET的具體均流技術，以及共通的設計要點。

BJT 與 MOSFET 電流共享方法比較

下表總結了使用BJT和MOSFET實現電流共享時的主要方法、機制和特性差異：

特性	BJT (雙極性接面電晶體)	MOSFET (金屬氧化物半導體場效電晶體)
主要被動均流元件	射極平衡電阻 (Emitter Ballast Resistor)	源極平衡電阻 (Source Ballast Resistor), 閘極電阻 (Gate Resistor)
主要均流機制 (被動)	V_BE 改變引起的負回饋	V_GS 改變引起的負回饋 (源極電阻); R_DS(on) 的正溫度係數特性輔助; 閘極電阻改善動態均流
驅動方式	電流驅動 (基極電流控制集極電流)	電壓驅動 (閘極電壓控制汲極電流)
熱失控風險	較高 (h_FE 隨溫度增加而增加，可能導致惡性循環，需良好散熱和平衡電阻)	相對較低 (R_DS(on) 的正溫度係數有助於抑制熱失控，但V_th的負溫度係數需注意)
開關速度	相對較慢	相對較快 (特別適用於高頻開關)
導通損耗	V_CE(sat) 壓降導致，相對較高	R_DS(on) 導致，可以做到很低，效率較高
主動均流	可實現，但較少見專用IC	常見，有多種專用控制器IC可選
設計複雜度 (被動)	相對簡單	略複雜 (需考慮閘極電阻、PCB佈局對動態特性影響)
典型應用	線性電源、音頻放大器、部分直流馬達驅動	開關電源 (SMPS)、DC-DC轉換器、逆變器、馬達驅動

選擇BJT或MOSFET以及具體的均流策略，取決於應用的具體需求，如成本、效率、開關頻率、均流精度和設計複雜度等。

觀看影片：MOSFET並聯均流的實際考量

以下影片深入探討了並聯MOSFET時電流共享的實際情況和相關技術細節，對於理解MOSFET均流的挑戰與解決方案非常有幫助。影片中討論了影響MOSFET均流的各種因素，以及如何透過設計來優化均流效果。

影片："Current sharing of parallel connected MOSFETs: The facts" 提供了關於MOSFET並聯均流的深入見解。

這段影片強調了諸如元件參數（如R_DS(on)和V_GS(th)）的匹配、溫度效應、PCB佈局對稱性以及閘極驅動設計等因素對實現有效均流的重要性。它也可能涵蓋靜態均流和動態均流的區別，以及如何透過選擇合適的元件和精心設計的電路來克服常見的均流問題。觀看此影片能讓您更全面地理解在實際應用中並聯MOSFET時需要注意的關鍵點，從而設計出更可靠、高效的電力電子系統。