Почему параллельные транзисторы без эмиттерных резисторов выгорают один за другим

Мощный усилитель собран аккуратно, транзисторы подобраны из одной партии, теплоотвод рассчитан с запасом. Схема включается, работает час, потом слышен характерный хлопок, и один из выходных транзисторов превращается в проводник между коллектором и эмиттером. Следом за ним, перегруженные возросшим током, сгорают остальные. Картина знакома каждому, кто разрабатывал или ремонтировал усилители мощности без балластных резисторов в эмиттерных цепях. Причина этой цепочки событий лежит в фундаментальных свойствах биполярного p-n-перехода, и понять её важно не ради теории, а ради того, чтобы подобная ситуация не повторилась.

Почему транзисторы из одной партии всё равно не одинаковые

Первый шаг к пониманию проблемы, это признание факта, который производители полупроводников указывают в даташитах, но который легко проигнорировать при проектировании. Коэффициент усиления по току hFE для силовых биполярных транзисторов одного типономинала гуляет в диапазоне от 20 до 50. У маломощных сигнальных транзисторов разброс ещё шире: от 100 до 300. Это не брак и не отклонение, это норма производственного процесса.

Из этого разброса вытекает прямое следствие. Если соединить несколько транзисторов параллельно, объединив их базы и коллекторы, напряжение база-эмиттер VBE у каждого из них при одинаковом токе будет немного различаться. Разница невелика: типично от 5 до 25 мВ между экземплярами из одной партии. Но именно этих милливольт достаточно, чтобы запустить механизм токового перекоса.

Чтобы понять, почему несколько милливольт имеют такое значение, стоит вспомнить уравнение Шокли, описывающее ток через p-n-переход. Зависимость тока от напряжения на переходе носит экспоненциальный характер. Небольшое увеличение VBE даёт непропорционально большой прирост коллекторного тока. Транзистор с чуть более низким пороговым напряжением VBE открывается сильнее при том же базовом смещении и берёт на себя непропорционально большую долю общего тока. Именно это и называется токовым перекосом, или по-английски current hogging: один транзистор "захватывает" ток, оставляя остальным меньше.

Как температура превращает небольшой перекос в лавину

Токовый перекос в состоянии покоя ещё не катастрофа. Он становится опасным, когда в игру вступает температура, а у биполярного транзистора с этим особые отношения.

Напряжение VBE кремниевого перехода снижается с ростом температуры примерно на 2 мВ на каждый градус Цельсия. Это фундаментальное свойство полупроводника, не зависящее от производителя или конструкции прибора. Что происходит с транзистором, который из-за перекоса тока несёт бо́льшую нагрузку? Он греется сильнее соседей. Его переход нагревается, VBE снижается. При той же общей точке смещения базы более низкое VBE означает более высокий коллекторный ток. Транзистор становится ещё горячее. Его VBE падает ещё сильнее. Ток растёт ещё больше.

Это классическая петля положительной обратной связи, в которой нет естественного механизма торможения. Нагрев усиливает ток, ток усиливает нагрев. Процесс самоускоряющийся: специалисты называют его тепловым разгоном, или thermal runaway. При отсутствии ограничивающего элемента в эмиттерной цепи единственным ограничителем становится физический предел самого прибора, то есть разрушение кристалла.

Температура внутри кристалла мощного транзистора способна нарасти с рабочей до критической за доли секунды при определённых условиях нагрузки. Внешний теплоотвод, каким бы массивным он ни был, просто не успевает отвести тепло от кристалла с такой скоростью. Тепловое сопротивление кристалл-корпус у типичного силового транзистора составляет от 0,5 до 2 К/Вт, и при росте мощности рассеивания даже на десятки ватт температура перехода взлетает за сотни миллисекунд.

Механизм выгорания и почему за первым транзистором следуют остальные

Финальная стадия теплового разгона в параллельной группе разворачивается предсказуемо. Транзистор с наименьшим VBE при данной температуре принял на себя основной ток. Его кристалл перегрелся и разрушился. В момент разрушения кристалл, как правило, переходит в режим короткого замыкания между коллектором и эмиттером. Ток, который раньше распределялся между несколькими параллельными транзисторами, теперь ещё и перераспределяется между уцелевшими, причём к ним добавляется ток, "провалившийся" через сгоревший прибор.

Нагрузка на оставшиеся транзисторы резко возрастает. Через несколько секунд или мгновений, в зависимости от нагрузки и схемы защиты, сгорает следующий. Потом ещё один. Цепная реакция останавливается либо срабатыванием защиты, либо полным выгоранием всей параллельной группы. В усилителях мощности без быстрой защиты по току и напряжению это нередко заканчивается заменой всей выходной ступени.

Интересная деталь: транзисторы, стоящие рядом с первым на общем теплоотводе, получают двойной удар. С одной стороны, возросший ток увеличивает их собственное тепловыделение. С другой стороны, соседний перегревшийся прибор начинает греть их через теплоотвод. Тепловая связь между параллельными транзисторами, смонтированными на одном радиаторе, при выгорании одного из них превращается из преимущества в дополнительный фактор риска для остальных.

Что делает балластный резистор и почему его сопротивление меньше одного ома

Решение задачи токового перекоса существует давно и реализуется последовательным включением резистора в каждую эмиттерную цепь. Такие резисторы называют балластными, или дегенеративными, подчёркивая их роль в ограничении усиления. При параллельном включении транзисторов каждый из них получает свой индивидуальный эмиттерный резистор, тогда как общая точка соединения этих резисторов уже идёт к шине питания или к нагрузке.

Принцип работы балластного резистора основан на отрицательной обратной связи по току. Если один транзистор начинает тянуть больший ток, падение напряжения на его эмиттерном резисторе возрастает. Напряжение база-эмиттер для этого транзистора снижается, поскольку эмиттер "поднимается" относительно общей точки. Это уменьшает ток через перегруженный транзистор и автоматически перераспределяет нагрузку в сторону соседних, менее нагруженных приборов. Петля отрицательной обратной связи замыкается, и система возвращается к равновесию.

Важен вопрос о величине этого сопротивления. Почему балластные резисторы выбираются в диапазоне от 0,1 до 0,68 Ом, а не в единицы или десятки Ом? Ответ лежит в компромиссе между двумя требованиями. С одной стороны, чем больше сопротивление, тем эффективнее балластирование и тем надёжнее выравнивание токов. С другой стороны, на резисторе рассеивается мощность, пропорциональная квадрату тока. При рабочем токе 5 А и резисторе 0,5 Ом потеря мощности составляет 12,5 Вт на каждый транзистор. В усилителе с шестью параллельными выходными транзисторами это уже 75 Вт только на балластных резисторах. Практически принято падение напряжения на балластном резисторе в рабочей точке от 0,5 до 1 В: это обеспечивает достаточную глубину обратной связи при умеренных потерях.

Дополнительный эффект правильно выбранного балластного резистора, снижение чувствительности схемы к разбросу параметров транзисторов. Если эмиттерные резисторы обеспечивают падение напряжения порядка 0,7 В, то разброс VBE в 10-20 мВ составляет всего 1-3% от общего напряжения управляющей цепи. Влияние разброса на распределение токов пропорционально уменьшается, и перекос между транзисторами оказывается в пределах нескольких процентов, а не в разы.

Практические решения и дополнительные меры по выравниванию токов

Балластные резисторы в эмиттерных цепях остаются основным и наиболее надёжным инструментом борьбы с токовым перекосом, однако грамотное проектирование параллельного каскада включает несколько дополнительных мер.

Монтаж всех параллельных транзисторов на одном теплоотводе преследует важную цель: выравнивание температур кристаллов. Если все транзисторы прогреты до одинаковой температуры, их VBE снижается одинаково, и тепловой дисбаланс не накапливается. Сосредоточить все транзисторы на одной алюминиевой пластине или на одном медном основании значительно надёжнее, чем дать им греться независимо.

В отдельных случаях применяют базовые балластные резисторы совместно с эмиттерными. Отдельные резисторы в цепи базы каждого транзистора вместо общей шины также вносят свой вклад в выравнивание: при перекосе базового тока падение напряжения на базовом резисторе перегруженного транзистора возрастает, что снижает его базовое смещение. Этот метод особенно актуален для гетеропереходных биполярных транзисторов HBT, у которых поведение VBE с температурой отличается от кремниевых приборов.

Приведём конкретные практические параметры для типового силового каскада:

• Номинал балластного резистора: 0,1-0,68 Ом, мощность рассеивания не менее 5 Вт на резистор при токе выходного каскада 3-5 А
• Тепловое сопротивление кристалл-радиатор: не хуже 1 К/Вт для каждого транзистора при мощности более 20 Вт на прибор
• Максимальный суммарный ток группы параллельных BJT: не более 1,6-1,7 от предельного тока одного транзистора
• Подбор транзисторов по VBE в пределах 5-10 мВ существенно снижает начальный перекос и позволяет уменьшить требуемое сопротивление балластных резисторов

Ещё один момент, о котором часто забывают: балластные резисторы должны быть проволочными или металлопленочными с низким температурным коэффициентом сопротивления. Углеродные резисторы с ТКС порядка нескольких сотен ppm/°C при нагреве изменяют своё сопротивление на несколько процентов, что частично нивелирует их балластирующий эффект именно тогда, когда он нужен больше всего.

Где эта проблема встречается за пределами аудиоусилителей

Токовый перекос в параллельных биполярных транзисторах не ограничивается миром высококачественного звука. Любой мощный каскад, в котором для увеличения нагрузочной способности применяются несколько BJT, сталкивается с этой проблемой.

Силовые инверторы, сварочные аппараты, импульсные источники питания с транзисторными ключами на биполярных транзисторах, стабилизаторы тока в промышленном оборудовании. Везде, где рабочие токи превышают возможности одного транзистора и конструктор принимает решение поставить несколько приборов в параллель, отсутствие балластирования несёт один и тот же риск.

Показателен пример силовой электроники железнодорожного транспорта, где в тяговых инверторах исторически применялись параллельные группы биполярных транзисторов до перехода на IGBT. Требования к балластированию там прописывались в конструкторской документации явно, с указанием расчётных методик и допустимых пределов перекоса. Цена отказа единственного транзистора в тяговом каскаде была слишком высока, чтобы игнорировать физику перехода.

Биполярный транзистор устроен так, что его порог открывания снижается при нагреве, а значит более горячий прибор всегда будет тянуть больший ток. Эта особенность не устраняется подбором транзисторов, не компенсируется мощным теплоотводом и не исчезает при тщательной разводке платы. Единственное, что надёжно разрывает петлю положительной обратной связи между температурой и током в параллельной группе BJT, это отрицательная обратная связь по эмиттерному резистору. Резистор меньше ома, стоимостью в несколько рублей, защищает транзисторы ценой в тысячи и предотвращает отказ всего каскада. Соотношение цена-защита трудно превзойти.