三极管并联使用的分析

胡作平 李超

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

三极管并联使用的分析

胡作平 李超

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

从目前空调实际应用的角度，分析了ULN2003驱动电路两路并联运行时可能造成电流不均衡的各种因素。介绍了选择三极管并联运行的思路和原则，提出了保证三极管并联可靠运行的设计方法。

三极管并联；均流

目前空调控制器上的负载驱动电流较大时（如：电子膨胀阀等），考虑设计余量的要求，无法使用ULN2003单路驱动电路来驱动，此时会考虑用两路或多路晶体管并联来驱动，多管并联会带来管子之间电流均衡的问题，称之为均流。若均流做得不好会导致驱动电路因晶体管无法饱和而失效，极限情况下甚至可能会烧坏ULN2003芯片。

1 影响三极管均流的主要因素

采用晶体管并联主要为提高驱动电路驱动电流的定额，这就要求并联的两个或多个晶体管要尽量均匀地分担电流，但是由于各晶体管的特性和参数不可能完全一致，这必将影响到并联晶体管的均流。

1.1 静态特性的离散性

晶体管静态特性参数hFE、Ube(sat)、Uce(sat)和主回路布线电阻是影响静态均流的主要原因。如图1，曲线①和②表示不同hFE的两条特性曲线，可以看出，当晶体管进入准饱和态后，取相同的VNS值时，集电极电流IC将相差△IC。可见对不同hFE的晶体管来说，只要深饱和态的特性相同，当IC低于某个电流值IS时，就可以实现均流。因而较为深度的饱和有益于均流，当然这会影响关断特性。

④和⑤为VBE与IB的关系曲线，由于VBE特性的不同，会造成基极驱动电流分配不均，从而引起IC的差异。同理比较②和④可知，当VCE特性不同时，即使在深饱和态，IC也会相差△IC。

晶体管集电极和发射极侧的布线电阻也会对静态均流有较大的影响，尤其当集电极电流较大时。但因布线的差异性布线电阻不同，且在三极管使用场合本身布线电阻较小，因此直接并联时会受集射结的电阻影响较大。如图2，当两只晶体管并联连接时，具有相等的集射极电压VCE。假如两管电流分配不均衡，V1的集电极电流增加而提前进入饱和，此时V1将有一个较小的集射结电阻。当然由于集射结电阻具有正的温度系数（当IC1大于IC2时，V1的结温将升高，其集射结电阻将增大，从而自动减小V1的集电极电流），对电流分配不匀会起到一定自动补偿的作用，但这种调节是非常弱的，尤其在PWM控制场合。

同样，这样并联晶体管的基射结也能对电流的分配起自动均流作用。基射结的等值电路可以看成是一个二极管和一个结电阻串联。二极管正向电压降的温度系数是负的，结电阻的温度系数则是正的。基射结的总温度系数视基流的大小而定。当基流较小时，结电阻上的压降小于二极管上的压降，故温度系数是负的。相反，基流增大后，基射结的温度系数变正。在这种并联条件下，所有管子的基射极电压相等，如果集电极电流较大会具有较高的结温，此时基射结的正温度系数会使基流减小，从而迫使它分担较小的负载电流。

图1 晶体管静态综合曲线

图2 晶体管并联电路

图3 三极管并联运行基极直接相连图

上述这两种均流效应仅对稳态而言，为稳态均流效应，但其均流作用较弱，而且对PWM控制使用的场合调整非常有限，为达到满意的均流效果，仍需采取必要的均流措施。

1.2 开关特性的离散性

晶体管开关特性(ton、tstg、tf)和主回路连线的分布电感是影响并联时动态均流的主要因素。其中存储时间tstg长的关断时电流不均衡幅值最大，这是因为tstg越长，晶体管关断得越慢，电流大部分从该管流过，造成电流分配不均。当然，tstg短的元件，关断时的基极反抽电流会迅速减少，使tstg长的元件基极反抽电流增大，从而缩短tstg加快其关断过程，有一定改善均流作用。

图4 三极管并联射极接均流电阻示意图

主回路接线的分布电感对动态均流的影响也不容忽视。发射极侧连线的分布电感会影响到基极和集电极侧的电流分配，因而在接线时使这些连线应尽可能短，且保证一致。而基极分布电感的存在，对晶体管关断时均流的自调整会有一定作用。

以上分析了影响晶体管并联运行均流的各种可能因素，下面讨论三极管并联使用时的具体设计方法。

2 并联用三极管的设计

由上面的分析可知，引起电流不均衡的因素是hFE、Ube(sat)、Uce(sat)和ton、tstg、tf的离散性以及连接导线电阻和电感的不同。现实应用中参数完全相同的晶体管是不存在的，只能针对其中某一特性(如hFE)进行选择，然后找出折衷方案并从设计上采取措施，使并联运行时IC尽可能一致。

2.1 独立的基极电阻

按图3方式连接时，一个控制口给两个NPN管子的基极供电，由于每个管子VBE和HFE的初始值不相同，且随着温度变化相差更大，由此引发的问题是可能在极限条件下其中一个管子不能正确的偏置，VBE比较低的管子偏置电阻的电流非常大，而另一个管子的偏置电流就显得非常小。如果IB太小，假定IC一定的话H=IC/IB，在温度低的情况下，很容进入放大区，导致VCE较大，从而使管子无法进入饱和而失效。

因此即使驱动口可以偏置几个NPN的管子，每个管子也要有独立的基极电阻，这样可实现在VBE存在差别的情况下，通过此电阻实现一定的均流，确保电流的独立。

图5 三极管集电极接均流电阻示意图

2.2 接均流电阻

从2.1的分析我们知道，晶体管集电极和发射极侧的布线电阻会对静态均流有较大的影响，有一定自动均流的作用，但效果较差，因此在实际使用中会人为在集电极或发射极增加均流电阻，使晶体管的均流主要受此电阻调节。

2.2.1 发射极回路里串入均流电阻

如图4，其工作原理是利用射极电阻的负反馈作用，使并联晶体管达到均流目的。显然，均流精度与所串联的均流电阻阻值有关，阻值越大均流效果会越好，但是阻值大能量消耗也大。采用这种方法的优点是均流效果好，缺点是均流电阻上要消耗能量，均流电阻要选择较大功率的电阻，多路并联时串入电阻数量较多。电阻的取值既要考虑均流效果，又不能使其损耗太大，通常取射极电阻压降UReax＜lV。

2.2.2 集电极回路里串入均流电阻

目前空调外机控制器一般驱动场合大部分是使用ULN2003来驱动的，像2003这种达林顿结构，晶体管特性参数的离散性比单管还要大。但因2003芯片电路限制，无法在晶体管射极接入负反馈电阻，如图5所示。我们通常采取的方法是在ULN2003的输出口即集电极接入均流电阻，均流电阻阻值要大于集射结电阻，这样并联晶体管的集射极电压将主要由均流电阻决定，从而改善ULN2003两路并联使用时晶体管的均流性。同时为保证电路的可靠性，三极管使用时应留有一定余量，取最大工作电流为额定电流的70%左右，并联时留取的余量一般为50%～60%，余量的大小要大于不均电流成分△IC，这样即使在IC略有不均的情况下三极管仍然能够安全地工作。

图6 ULN2003两路并联使用时最大电流偏差

图7 ULN2003输出接入1Ω均流电阻后两路输出电流

3 实验结果与结论

根据ULN2003参数偏差模拟2003输出电流IC最大偏差测试结果如图6所示，晶体管饱和压降UCE(sat)偏小的一路输出电流为182m A，偏大的一路输出电流为74mA，两路相差108mA，我们可以看到由于晶体管静态参数差异导致的输出不均流是非常大。根据前面的分析方法，我们在2003输出集电极接入1Ω的均流电阻后测试两路输出电流如图7所示，我们可以看到接入均流电阻后对2003两路输出的均流改善是非常大的。

本文对晶体管的并联使用进行了较为深入的分析和讨论，介绍了晶体管并联的设计方法，通过测试可以确认按此方法使用三极管并联时是安全可行的。

[1]华成英．模拟电子技术基础．清华大学出版社，2006年

[2]刘宏，黄锦恩，王离九．大功率晶体管并联研究．电力电子技术，1994

[3]童福尧．大功率晶体管GTR的并联技术．电力电子技术，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