摘 要：敘述了汽車拋負載電壓的產(chǎn)生、危害及其抑制方法。在交流發(fā)電機專機上進行了拋負載試驗的再研究，說明只有采用高雪崩性能的二極管整流組件，才能確保通過拋負載試驗，滿足交流發(fā)電機的應用要求。簡述了制造車用高雪崩性能二極管的基本方法。新能源

　　關鍵詞：汽車,拋負載試驗,雪崩二極管,脈沖方波

　　一、何為拋負載試驗?

　　在汽車用交流發(fā)電機和電子式電壓調節(jié)器的國家標準都規(guī)定了必須進行拋負載試驗[1][2]。

　　兩個標準都明確規(guī)定：“在所配交流發(fā)電機額定轉速及額定電流下10s，立即拋負載(包括蓄電池)轉入空載運行15s，為一次拋負載，共進行100次?！?/P>

　　所謂拋負載，就是對正常運行的汽車交流發(fā)電機突然切斷負載，這叫單拋。在切斷負載的同時又切斷蓄電池，叫做雙拋。由于汽車運行過程的高可靠性，我國制定的拋負載試驗，必然有其內在的合理性。不僅對交流發(fā)電機、電子電壓調節(jié)器，而且對整流橋組件都是必須的試驗。

　　不言而喻，拋負載試驗是非常嚴酷的破壞性試驗。

　　汽車上，很多地方的電器都要承受拋負載電壓的沖擊，如：點火模塊、電子調節(jié)器等。為了汽車的安全性和使用壽命，這些關鍵件都必須進行拋負載電壓的沖擊試驗。交流發(fā)電機的拋負載試驗越來越成為被關注的試驗項目。只有經(jīng)得起拋負載試驗的整流橋方能裝在交流發(fā)電機組里。

　　二、拋負載電壓的產(chǎn)生和危害[3][4][5]

　　拋負載試驗中產(chǎn)生的拋負載瞬變電壓主要產(chǎn)生于交流發(fā)電機[3]。包括①負載突然斷開(負載單拋)，②蓄電池突然斷開(蓄電池單拋)，③負載、蓄電池同時斷開(雙拋)，④調節(jié)器失效。

　　除去上述交流發(fā)電機斷開負載所造成的拋負載瞬變電壓外，汽車電路中還經(jīng)常有其它類似的瞬態(tài)脈沖電壓產(chǎn)生，現(xiàn)將所有這些常見的典型瞬態(tài)脈沖電壓列表如下(見表1)[4]。

　　

　　如上表所示：瞬態(tài)脈沖電壓主要有三種[5]，即：

　　1、負載突變瞬態(tài)過電壓，特別是在交流發(fā)電機滿負載工作時，突然斷開與蓄電池的連線而產(chǎn)生。這種瞬變過電壓可以在100微秒內上升到25~125V。

　　2、磁場衰減過電壓，如停車時，斷開點火開關瞬間，此時磁場繞組產(chǎn)生的自感電動勢可達50~100V，最大120V。

　　3、切換電感性負載過電壓，汽車上的電感性負載有點火線圈、電磁繼電器、空調離合器、雨刮器、電動機和電喇叭等，其最高峰值可達-300V，持續(xù)時間在300ms左右。

　　上述拋負載瞬變電壓，如同功率器件的浪涌電流一樣，是客觀存在的，是經(jīng)常發(fā)生的、甚至是雙因素(雙拋)多因素(多拋)的極端情況，即統(tǒng)稱謂故障電壓。

　　三、拋負載電壓產(chǎn)生的理論[6][7]

　　汽車上廣泛采用的是帶硅二極管整流橋的三相同步交流發(fā)電機。交流發(fā)電機斷開電阻性負載(即所謂拋負載)是正?，F(xiàn)象。在斷開負載時，交流發(fā)電機定子繞組中的電流會突然減小(即產(chǎn)生高di/dt)，而定子繞組具有一定的阻抗Z，這個阻抗Z是由繞組的電阻r和感抗Lx合成的，即：

　　

　　四、以往的拋負載試驗[5][3]及研究

　　以下是某一個試驗的數(shù)據(jù)和圖形[5]。圖1、圖2是普通整流橋與雪崩整流橋拋固定電阻負載的情況。

　　普通二極管整流橋將產(chǎn)生很高的拋負載電壓，如試驗中出現(xiàn)的90V，有時高達170V。這對交流發(fā)電機以及調節(jié)器等帶來破壞，從而對調節(jié)器性能提出過高要求。

　　2顯然這是很不利的?，F(xiàn)在一般不再用指數(shù)波形來檢驗雪崩能力。

　　

　　試驗中出現(xiàn)的90V，有時高達170V。這對交流發(fā)電機以及調節(jié)器等帶來破壞，從而對調節(jié)器性能提出過高要求。顯然這是很不利的?，F(xiàn)在一般不再用指數(shù)波形來檢驗雪崩能力。

　　圖2為雪崩整流器橋，它能有效防止過高電壓的生產(chǎn)，這得益于雪崩整流二極管的特別箝位功能，即車用雪崩整流二極管有抑制過大瞬態(tài)電壓的作用。

　　如下圖3，脈沖寬度為tW、電流為IPPM、及具有一定上升時間的方波電流時，相當于瞬時施加一個大電流，注入大量載流子，檢驗在這樣短的時間段內，管子是否能夠承受住雪崩電流的沖擊。

　　

　　所耗散的能量E或叫焦耳功：

　　E= PRSM × tW =1000×80×310−=80J。

　　以往的反向重復峰值浪涌電流IRSM的提法有些不妥，應改為脈沖方波最大峰值電流IPPM，因為IRSM容易和反向不重復峰值漏電流

　　相混淆。

　　現(xiàn)在一律采用方波測試。這樣對雪崩能力的檢測可以有以下三種表示方法，三種方法是等效的：

　　1、即在脈沖方波寬度、雪崩電壓固定的情況下，用最大脈沖方波電流IPPM 來表示，如汽車用雪崩二極管，就用一個IPPM表示;此方法適用于長脈沖寬度的雪崩能力的檢測，如脈寬80毫秒。

　　2、對一般雪崩二極管，通常都用雪崩耗散功率PRSM來表示雪崩能力;此表示方法適用于短脈沖寬度，如脈寬20微秒。

　　3、把雪崩電流、雪崩電壓和脈沖持續(xù)時間都考慮進去，就是雪崩能量E，或叫焦耳功，這是最本質的表示方法。

　　五、拋負載試驗研究

　　我們用無錫華勝動力測試儀器廠生產(chǎn)的HSFD-3型交流發(fā)電機性能測試儀、LDTQ-3型發(fā)電機調節(jié)器性能測試控制臺對現(xiàn)在生產(chǎn)的車用整流橋組件和調節(jié)器進行拋負載試驗。

　　汽車用交流發(fā)電機在啟動過程中，當輸出電壓將要達到額定電壓的瞬間，此時勵磁開關管還處于飽和導通狀態(tài)，輸出電壓(略小于額定電壓)全部加在勵磁線圈跟與之串聯(lián)的勵磁開關管兩端。故勵磁電流幾乎達到最大值。

　　下面是一款汽車用交流發(fā)電機空載實驗：

　　輸出額定電壓：U額=14.5v

　　勵磁線圈的直流電阻：RF=3Ω

　　設：勵磁開關管的飽和壓降：U飽和=1V(一般，達林頓功率管的U飽和=1.2v左右，場效應功率管的 U飽和=0.4-----0.8v)

　　測得碳刷本體電阻+滑環(huán)接觸電阻：R接=0.5Ω

　　勵磁線圈上的電流強度為: IF =UF/R總

　　加在勵磁電路兩端的電壓：UF=U額-U飽和=14.5v-1V=13.5V

　　又 R總=RF+R接=3Ω+0.5Ω=3.5Ω

　　∴ IF =UF/R總=13.5v/3.5Ω=3.86A

　　把該款發(fā)動機裝在測試臺上，拆除調節(jié)器，用外接恒流電源提供勵磁電流把IF調到3.86A，然后，啟動原動力機并逐漸加速測得下面一組數(shù)據(jù)：

　　

　　顯然，該發(fā)電機的轉速、電壓曲線近似一條直線。通過以上實例說明汽車用發(fā)電機的空載工作點沒有像普通交流發(fā)電機那樣工作在磁滯回線的彎曲部分，而是工作在直線部分，為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，只能靠調節(jié)器的陡峭的工作曲線進行調節(jié)。

　　當汽車用交流發(fā)電機在額定轉速下滿載運行時，勵磁開關管全部導通，勵磁電流達到最大值，產(chǎn)生的磁場變化增量(dΦ/dt)用以抵消電樞反應。此時如果突然卸去負載，即拋負載試驗。，雖然勵磁開關管關斷，根據(jù)電感線圈上的電流不能突變的原理，激磁線圈中的電流不能立刻消失。它將按原來的方向通過續(xù)流二極管繼續(xù)流動。在開關管關斷的瞬間其電流并不減小。(經(jīng)過一個τ=L/R的時間才減小到原來的37%)此瞬間相當于額定轉速下的空載運行，產(chǎn)生的脈沖電壓要達到額定電壓的6.6倍左右。對于14V系列發(fā)電機，峰值電壓U峰=14.5V×6.6=95.7V(跟上例十分接近)。同理28V系列發(fā)電機的峰值電壓應在180V左右。

　　以上就是汽車用交流發(fā)電機，拋負載時產(chǎn)生高壓脈沖的狀態(tài)。上例的實驗也有效的證明了這一結論。以下為我們做的拋負載試驗的結果。

　　1、普通整流橋。拋負載電壓，從示波器觀察到，一般為小于140V，最高Vmax=145V。對普通整流橋，當調節(jié)器功率管反壓低于145V，調節(jié)器被損壞。顯然對調節(jié)器要求比較高，造成調節(jié)器成本提高;而當組成整流橋的二極管有軟特性時，導致整流橋損壞。而嚴格了二極管的特性質量檢查后，不再出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

　　2、對雪崩整流橋，從示波器觀察到，一般小于40V，最高觀察到Vmax=42V。當橋中某單管性能劣化，因擊穿而使整流橋損壞;當組成橋的各雪崩二極管的雪崩電壓分散較大時，如△VB≥1.0V后,也會出現(xiàn)整流橋損壞.

　　3、有的損壞發(fā)生在多次拋負載后，是可靠性不夠引起。

　　總之，拋負載試驗對剔除早期失效的整流橋有作用。特別是針對雪崩整流橋，對雪崩電壓分散性大的整流橋有剔除作用。

　　六、對拋負載電壓的抑制[4]

　　對拋負載電壓的抑制辦法，可以從線路保護入手，采用各種過電壓的抑制電路如：電容器抑制電路、穩(wěn)壓管抑制電路、穩(wěn)壓管加繼電器抑制電路、晶閘管抑制電路等，還有采用加壓敏電阻或過壓斬波器等。所有這些方法都只能解決表面問題，不能從根本上杜絕。前者反映速度慢，有時起不到保護作用;后者結構復雜、成本高、可靠性差。關鍵是增加這些額外重量，對高檔轎車的發(fā)展更是相當不利的。

　　根本解決的方法是從提高二極管的性能入手，即采用信念優(yōu)良的雪崩二極管。車用雪崩整流二極管具顯然，該發(fā)電機的轉速、電壓曲線近似一條直線。通過以上實例說明汽車用發(fā)電機的空載工作點沒有像普通交流發(fā)電機那樣工作在磁滯回線的彎曲部分，而是工作在直線部分，為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，只能靠調節(jié)器的陡峭的工作曲線進行調節(jié)。

　　當汽車用交流發(fā)電機在額定轉速下滿載運行時，勵磁開關管全部導通，勵磁電流達到最大值，產(chǎn)生的磁場變化增量(dΦ/dt)用以抵消電樞反應。此時如果突然卸去負載，即拋負載試驗。，雖然勵磁開關管關斷，根據(jù)電感線圈上的電流不能突變的原理，激磁線圈中的電流不能立刻消失。它將按原來的方向通過續(xù)流二極管繼續(xù)流動。在開關管關斷的瞬間其電流并不減小。(經(jīng)過一個τ=L/R的時間才減小到原來的37%)此瞬間相當于額定轉速下的空載運行，產(chǎn)生的脈沖電壓要達到額定電壓的6.6倍左右。對于14V系列發(fā)電機，峰值電壓U峰=14.5V×6.6=95.7V(跟上例十分接近)。同理28V系列發(fā)電機的峰值電壓應在180V左右。

　　以上就是汽車用交流發(fā)電機，拋負載時產(chǎn)生高壓脈沖的狀態(tài)。上例的實驗也有效的證明了這一結論。以下為我們做的拋負載試驗的結果。

　　1、普通整流橋。拋負載電壓，從示波器觀察到，一般為小于140V，最高Vmax=145V。對普通整流橋，當調節(jié)器功率管反壓低于145V，調節(jié)器被損壞。顯然對調節(jié)器要求比較高，造成調節(jié)器成本提高;而當組成整流橋的二極管有軟特性時，導致整流橋損壞。而嚴格了二極管的特性質量檢查后，不再出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

　　2、對雪崩整流橋，從示波器觀察到，一般小于40V，最高觀察到Vmax=42V。當橋中某單管性能劣化，因擊穿而使整流橋損壞;當組成橋的各雪崩二極管的雪崩電壓分散較大時，如△VB≥1.0V后,也會出現(xiàn)整流橋損壞.

　　3、有的損壞發(fā)生在多次拋負載后，是可靠性不夠引起。

　　總之，拋負載試驗對剔除早期失效的整流橋有作用。特別是針對雪崩整流橋，對雪崩電壓分散性大的整流橋有剔除作用。

　　六、對拋負載電壓的抑制[4]

　　對拋負載電壓的抑制辦法，可以從線路保護入手，采用各種過電壓的抑制電路如：電容器抑制電路、穩(wěn)壓管抑制電路、穩(wěn)壓管加繼電器抑制電路、晶閘管抑制電路等，還有采用加壓敏電阻或過壓斬波器等。所有這些方法都只能解決表面問題，不能從根本上杜絕。前者反映速度慢，有時起不到保護作用;后者結構復雜、成本高、可靠性差。關鍵是增加這些額外重量，對高檔轎車的發(fā)展更是相當不利的。

　　根本解決的方法是從提高二極管的性能入手，即采用信念優(yōu)良的雪崩二極管。車用雪崩整流二極管具有高雪崩性能、高反向軟恢復性能、高耐溫、對過壓保護反映速度快(達9~10秒!)，是現(xiàn)在能找到的最快反映速度，能很好保護電子調節(jié)器和中央處理器ECU[3]。

　　高耐壓的一般整流橋用二極管，只有阻擋高拋負載電壓的能力，沒有箝位功能，這個高拋負載電壓照樣存在，對其它用電器的破壞就是必然的。只有由雪崩二極管構成的整流橋，因其高箝位作用，故能徹底解決拋負載瞬變電壓的破壞力，確保汽車調節(jié)器、中央處理器ECU的安全運轉，確保汽車、特別是高檔轎車的安全、長久、可靠運行。

　　七、提高雪崩二極管抗拋負載能力

　　提高雪崩二極管抗拋負載能力就是提高二極管器件的雪崩能力。

　　1、采用截面電阻率均勻的盡可能低電阻率的硅單晶，特別是采用電流擴展更快的(100)晶向的硅單晶。[8]

　　2、采用非穿通的雪崩結構，減少高溫次數(shù)，即盡量采用一次全擴散工藝，確保整個加工過程的無應力操作[9][10]。在保證靜態(tài)雪崩能力的同時，確保動態(tài)雪崩能力[11]。

　　3、嚴格按△VF→DVR→IPPM→△VF→DVR的綜合測試程序進行測試;一定要通過1萬次以上的熱疲勞試驗;嚴格按80ms脈寬下測IPPM 。只有嚴格按標準檢測合格的OJ工藝的雪崩二極管，方可裝配在整流橋組件上[9]。

　　4、在拋負載試驗臺上，按規(guī)定的程序規(guī)定的抽檢數(shù)量，連續(xù)100次拋負載試驗，沒有任何變化，才可認為是合格整流橋產(chǎn)品。由于拋負載試驗是破壞性試驗，故嚴格講，拋負載試驗后的產(chǎn)品是不能再裝到主機上的。為此對于有些發(fā)電機廠為了減少實驗時間，采用快速拋負載實驗(如啪啪啪幾秒鐘就十次試驗)，顯然是不妥當?shù)摹?/P>

　　八、結語

　　拋負載試驗是我國汽車電機電器電子行業(yè)的一個特有的試驗方法，它對抑制質量低劣的二極管流入交流發(fā)電機主機，起了重要阻擋作用。考慮到國外的交流發(fā)電機并沒有這個試驗項目，考慮到全拋負載的情況在汽車正常運行過程中，是一定不能出現(xiàn)的現(xiàn)實，積極探索一種更為有效、科學的試驗方法取代拋負載試驗是完全必要的。

　　參考文獻：

　　[1]JB/T6710-2006 機動車及內燃機用交流發(fā)電機技術條件(S)4.8.5

　　[2]JB/T6709-2006 機動車及內燃機用交流發(fā)電機電子式電壓調節(jié)器技術條件(S) 4.10 拋負荷試驗

　　[3]周立敬：車用雪崩整流二極管反向浪涌電流的計算、

　　4

　　測試及應用(J)《汽車電器信息》2010第6期 45

　　[4]趙玉貴：車用雪崩整流二極管反向浪涌電流承受能力的測試驗證(C)《車用電機電器電子技術論文集》第三集2006 101

　　[5]李俄收：汽車電氣系統(tǒng)過電壓的產(chǎn)生及其抑制分析(C)《車用電機電器電子技術論文集》第三集2006.10 P113

　　[6]邢艷云等編：汽車電器(M) 科學出版社2009.10 61

　　[7]姚亞夫，周海軍：汽車拋負載電壓的理論與試驗研究(J) 《汽車工程》2002 24卷5

　　[8]關艷霞、潘福泉：(100)晶向硅片和功率半導體器件[J] 《變頻技術應用》2011第3期

　　[9]張曉民等：車用雪崩整流二極管的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]《變頻技術應用》第6期2009， 18

　　[10]關艷霞等：車用雪崩整流二極管反向過電流能力的研究[J]《變頻技術應用》第1期2011 55

　　[11]游佩武等：二極管雪崩電壓線性正溫度特性研究[J]《變頻技術應用》2010第5期 56

　　張曉民：徐州奧尼克汽車電器有限公司董事長，江蘇省汽車整流橋工程技術研究中心主任，高級工程師。

　　潘福泉：徐州奧尼克汽車電器有限公司總工程師，江蘇省汽車整流橋工程技術研究中心常務副主任。