三極管并聯(lián)使用的分析

胡作平 李超

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

三極管并聯(lián)使用的分析

胡作平 李超

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

從目前空調(diào)實(shí)際應(yīng)用的角度，分析了ULN2003驅(qū)動(dòng)電路兩路并聯(lián)運(yùn)行時(shí)可能造成電流不均衡的各種因素。介紹了選擇三極管并聯(lián)運(yùn)行的思路和原則，提出了保證三極管并聯(lián)可靠運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法。

三極管并聯(lián)；均流

目前空調(diào)控制器上的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)（如：電子膨脹閥等），考慮設(shè)計(jì)余量的要求，無(wú)法使用ULN2003單路驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)會(huì)考慮用兩路或多路晶體管并聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)，多管并聯(lián)會(huì)帶來(lái)管子之間電流均衡的問(wèn)題，稱之為均流。若均流做得不好會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路因晶體管無(wú)法飽和而失效，極限情況下甚至可能會(huì)燒壞ULN2003芯片。

1 影響三極管均流的主要因素

采用晶體管并聯(lián)主要為提高驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流的定額，這就要求并聯(lián)的兩個(gè)或多個(gè)晶體管要盡量均勻地分擔(dān)電流，但是由于各晶體管的特性和參數(shù)不可能完全一致，這必將影響到并聯(lián)晶體管的均流。

1.1 靜態(tài)特性的離散性

晶體管靜態(tài)特性參數(shù)hFE、Ube(sat)、Uce(sat)和主回路布線電阻是影響靜態(tài)均流的主要原因。如圖1，曲線①和②表示不同hFE的兩條特性曲線，可以看出，當(dāng)晶體管進(jìn)入準(zhǔn)飽和態(tài)后，取相同的VNS值時(shí)，集電極電流IC將相差△IC。可見(jiàn)對(duì)不同hFE的晶體管來(lái)說(shuō)，只要深飽和態(tài)的特性相同，當(dāng)IC低于某個(gè)電流值IS時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)均流。因而較為深度的飽和有益于均流，當(dāng)然這會(huì)影響關(guān)斷特性。

④和⑤為VBE與IB的關(guān)系曲線，由于VBE特性的不同，會(huì)造成基極驅(qū)動(dòng)電流分配不均，從而引起IC的差異。同理比較②和④可知，當(dāng)VCE特性不同時(shí)，即使在深飽和態(tài)，IC也會(huì)相差△IC。

晶體管集電極和發(fā)射極側(cè)的布線電阻也會(huì)對(duì)靜態(tài)均流有較大的影響，尤其當(dāng)集電極電流較大時(shí)。但因布線的差異性布線電阻不同，且在三極管使用場(chǎng)合本身布線電阻較小，因此直接并聯(lián)時(shí)會(huì)受集射結(jié)的電阻影響較大。如圖2，當(dāng)兩只晶體管并聯(lián)連接時(shí)，具有相等的集射極電壓VCE。假如兩管電流分配不均衡，V1的集電極電流增加而提前進(jìn)入飽和，此時(shí)V1將有一個(gè)較小的集射結(jié)電阻。當(dāng)然由于集射結(jié)電阻具有正的溫度系數(shù)（當(dāng)IC1大于IC2時(shí)，V1的結(jié)溫將升高，其集射結(jié)電阻將增大，從而自動(dòng)減小V1的集電極電流），對(duì)電流分配不勻會(huì)起到一定自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔茫@種調(diào)節(jié)是非常弱的，尤其在PWM控制場(chǎng)合。

同樣，這樣并聯(lián)晶體管的基射結(jié)也能對(duì)電流的分配起自動(dòng)均流作用。基射結(jié)的等值電路可以看成是一個(gè)二極管和一個(gè)結(jié)電阻串聯(lián)。二極管正向電壓降的溫度系數(shù)是負(fù)的，結(jié)電阻的溫度系數(shù)則是正的。基射結(jié)的總溫度系數(shù)視基流的大小而定。當(dāng)基流較小時(shí)，結(jié)電阻上的壓降小于二極管上的壓降，故溫度系數(shù)是負(fù)的。相反，基流增大后，基射結(jié)的溫度系數(shù)變正。在這種并聯(lián)條件下，所有管子的基射極電壓相等，如果集電極電流較大會(huì)具有較高的結(jié)溫，此時(shí)基射結(jié)的正溫度系數(shù)會(huì)使基流減小，從而迫使它分擔(dān)較小的負(fù)載電流。

圖1 晶體管靜態(tài)綜合曲線

圖2 晶體管并聯(lián)電路

圖3 三極管并聯(lián)運(yùn)行基極直接相連圖

上述這兩種均流效應(yīng)僅對(duì)穩(wěn)態(tài)而言，為穩(wěn)態(tài)均流效應(yīng)，但其均流作用較弱，而且對(duì)PWM控制使用的場(chǎng)合調(diào)整非常有限，為達(dá)到滿意的均流效果，仍需采取必要的均流措施。

1.2 開(kāi)關(guān)特性的離散性

晶體管開(kāi)關(guān)特性(ton、tstg、tf)和主回路連線的分布電感是影響并聯(lián)時(shí)動(dòng)態(tài)均流的主要因素。其中存儲(chǔ)時(shí)間tstg長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)電流不均衡幅值最大，這是因?yàn)閠stg越長(zhǎng)，晶體管關(guān)斷得越慢，電流大部分從該管流過(guò)，造成電流分配不均。當(dāng)然，tstg短的元件，關(guān)斷時(shí)的基極反抽電流會(huì)迅速減少，使tstg長(zhǎng)的元件基極反抽電流增大，從而縮短tstg加快其關(guān)斷過(guò)程，有一定改善均流作用。

圖4 三極管并聯(lián)射極接均流電阻示意圖

主回路接線的分布電感對(duì)動(dòng)態(tài)均流的影響也不容忽視。發(fā)射極側(cè)連線的分布電感會(huì)影響到基極和集電極側(cè)的電流分配，因而在接線時(shí)使這些連線應(yīng)盡可能短，且保證一致。而基極分布電感的存在，對(duì)晶體管關(guān)斷時(shí)均流的自調(diào)整會(huì)有一定作用。

以上分析了影響晶體管并聯(lián)運(yùn)行均流的各種可能因素，下面討論三極管并聯(lián)使用時(shí)的具體設(shè)計(jì)方法。

2 并聯(lián)用三極管的設(shè)計(jì)

由上面的分析可知，引起電流不均衡的因素是hFE、Ube(sat)、Uce(sat)和ton、tstg、tf的離散性以及連接導(dǎo)線電阻和電感的不同。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中參數(shù)完全相同的晶體管是不存在的，只能針對(duì)其中某一特性(如hFE)進(jìn)行選擇，然后找出折衷方案并從設(shè)計(jì)上采取措施，使并聯(lián)運(yùn)行時(shí)IC盡可能一致。

2.1 獨(dú)立的基極電阻

按圖3方式連接時(shí)，一個(gè)控制口給兩個(gè)NPN管子的基極供電，由于每個(gè)管子VBE和HFE的初始值不相同，且隨著溫度變化相差更大，由此引發(fā)的問(wèn)題是可能在極限條件下其中一個(gè)管子不能正確的偏置，VBE比較低的管子偏置電阻的電流非常大，而另一個(gè)管子的偏置電流就顯得非常小。如果IB太小，假定IC一定的話H=IC/IB，在溫度低的情況下，很容進(jìn)入放大區(qū)，導(dǎo)致VCE較大，從而使管子無(wú)法進(jìn)入飽和而失效。

因此即使驅(qū)動(dòng)口可以偏置幾個(gè)NPN的管子，每個(gè)管子也要有獨(dú)立的基極電阻，這樣可實(shí)現(xiàn)在VBE存在差別的情況下，通過(guò)此電阻實(shí)現(xiàn)一定的均流，確保電流的獨(dú)立。

圖5 三極管集電極接均流電阻示意圖

2.2 接均流電阻

從2.1的分析我們知道，晶體管集電極和發(fā)射極側(cè)的布線電阻會(huì)對(duì)靜態(tài)均流有較大的影響，有一定自動(dòng)均流的作用，但效果較差，因此在實(shí)際使用中會(huì)人為在集電極或發(fā)射極增加均流電阻，使晶體管的均流主要受此電阻調(diào)節(jié)。

2.2.1 發(fā)射極回路里串入均流電阻

如圖4，其工作原理是利用射極電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔茫共⒙?lián)晶體管達(dá)到均流目的。顯然，均流精度與所串聯(lián)的均流電阻阻值有關(guān)，阻值越大均流效果會(huì)越好，但是阻值大能量消耗也大。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是均流效果好，缺點(diǎn)是均流電阻上要消耗能量，均流電阻要選擇較大功率的電阻，多路并聯(lián)時(shí)串入電阻數(shù)量較多。電阻的取值既要考慮均流效果，又不能使其損耗太大，通常取射極電阻壓降UReax＜lV。

2.2.2 集電極回路里串入均流電阻

目前空調(diào)外機(jī)控制器一般驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合大部分是使用ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)的，像2003這種達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，晶體管特性參數(shù)的離散性比單管還要大。但因2003芯片電路限制，無(wú)法在晶體管射極接入負(fù)反饋電阻，如圖5所示。我們通常采取的方法是在ULN2003的輸出口即集電極接入均流電阻，均流電阻阻值要大于集射結(jié)電阻，這樣并聯(lián)晶體管的集射極電壓將主要由均流電阻決定，從而改善ULN2003兩路并聯(lián)使用時(shí)晶體管的均流性。同時(shí)為保證電路的可靠性，三極管使用時(shí)應(yīng)留有一定余量，取最大工作電流為額定電流的70%左右，并聯(lián)時(shí)留取的余量一般為50%～60%，余量的大小要大于不均電流成分△IC，這樣即使在IC略有不均的情況下三極管仍然能夠安全地工作。

圖6 ULN2003兩路并聯(lián)使用時(shí)最大電流偏差

圖7 ULN2003輸出接入1Ω均流電阻后兩路輸出電流

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)ULN2003參數(shù)偏差模擬2003輸出電流IC最大偏差測(cè)試結(jié)果如圖6所示，晶體管飽和壓降UCE(sat)偏小的一路輸出電流為182m A，偏大的一路輸出電流為74mA，兩路相差108mA，我們可以看到由于晶體管靜態(tài)參數(shù)差異導(dǎo)致的輸出不均流是非常大。根據(jù)前面的分析方法，我們?cè)?003輸出集電極接入1Ω的均流電阻后測(cè)試兩路輸出電流如圖7所示，我們可以看到接入均流電阻后對(duì)2003兩路輸出的均流改善是非常大的。

本文對(duì)晶體管的并聯(lián)使用進(jìn)行了較為深入的分析和討論，介紹了晶體管并聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)試可以確認(rèn)按此方法使用三極管并聯(lián)時(shí)是安全可行的。

[1]華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．清華大學(xué)出版社，2006年

[2]劉宏，黃錦恩，王離九．大功率晶體管并聯(lián)研究．電力電子技術(shù)，1994

[3]童福堯．大功率晶體管GTR的并聯(lián)技術(shù)．電力電子技術(shù)，1993

Analysis of transistor used in parallel

HU Zuoping LI Chao
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

From the perspective of the current actual air-conditioning applications, and analyzes the current may cause uneven ULN2003 driver circuit when two parallel variety of factors. Select transistor parallel operation introduced ideas and principles of design method to ensure reliable operation of the transistor in parallel.

Transistors in parallel; Current uniformity