车用雪崩整流二极管的现状和发展

0 引言

中国汽车工业经过数年快速发展，今年汽车总销量已跃居世界第一。

中国汽车工业发展阶段，正如中国内燃机工业协会电机电器分会《协会通讯》所指出：“从千人汽车保有量、千人汽车销量和汽车与平均GDP 的相对价格等各方面来看，中国汽车工业发展阶段，与日本1960 年代初期和韩国1980 年代中期相当。日本和韩国在其汽车工业发展初期以后，经历了10 年的高速发展，汽车销量年度复合增长率到20.9%和22.2%……中国汽车工业也将在10 年内保持15%以上的年度复合增长率……”“即使考虑到当前经济衰退的影响，(最迟)2010 年开始，我国汽车行业也必将进入下个黄金10 年的高速增长期。”[1]

“作为汽车核心零部件配套行业———车用整流二极管行业及其制造技术必将迎来快速发展的大好时期。”中国汽车工业协会政策研究会副主任陈炳炎认为，“只有零部件企业在研发上先走一步，带动整车企业的研发，才有可能缩小中国企业与世界先进水平的差距。因此，未来20 年将是中国汽车零部件企业的创新发展阶段。”[2]我们有理由相信，车用整流二极管行业必将迎来快速发展的新时期。

1 现状和问题

然而，我国汽车零部件的现状不容乐观。

正如中国内燃机电机电器行业协会秘书长徐国昌的分析：“我国内燃机两机(指发电机和起动机)关键零部件的发展依然严重滞后，发电机电压调节器、整流器、轴承、起动机电磁开关等部件的本土化制造跟不上需要，供中高档乘用车配套的发电机电压调节器和整流器等主要依靠进口。”[3]内燃机电机电器主要指起动机和发电机及其零部件，其中完全由整流二极管构成的整流器(无论是11 管还是17管的)是其主要零部件。

车用交流发电机的原理如图1 所示。

图1 中的(a)图是车用交流发电机(含整流器和调节器)原理图，(b)图则是提取出来的11 管的整流器原理图。

图1 中，D1耀D6 是主整流二极管;D7耀D8 是中性点二极管，目的是利用发电机中性点的三次谐波电压提高发电机的输出效率;D9耀D11 是辅二极管，也叫励磁二极管，容量稍小些。主整流二极管D1耀D6分别加倍为两个管子并联，就是功率偏大一些的17管整流桥。

显然，这里所有二极管看上去都是非常简单的整流二极管。无论是(25~80)A/200 V，还是(25~45)A/(19~42)V的二极管器件，都是电压、电流不大的一般型整流二极管，令人不可思议的是这么一些所谓简单的二极管多少年来却都完全依靠进口，几乎被德国BOSCH、美国MOTOROLA(现为台湾朋程Actron所取代)和日本电装(Denso)等三大家所垄断。

关于车用整流二极管行业的发展现状，中国内燃机电机电器行业协会秘书长徐国昌认为：“国外汽车零部件巨头挤占我国内燃机汽车电机电器市场，以他们强大的技术、资金、管理以及与国外整车和整机厂商的特殊关系等优势，强势侵入我国汽车电机电器市场，造成我国民族工业企业经营极大困难。”[4]几十年来，我国的车用整流二极管工厂是“主机市场进不去，就去占领配件市场”，并造成“假冒伪劣产品充斥配件市场”[4]的局面，如此状况不解决,发展我们民族汽车工业势必只成为一句空话。中国制造的只能是贴牌汽车，核心技术仍然是外国的，我们照样是给外国人打工。

严重的问题早已摆在我国功率半导体事业的决策者和研究者面前，而我国的功率半导体事业的决策者和科技工作者都忙于新型器件的研究，无暇顾及这一所谓“特别简单”的领域。就像一谈可控硅，马上就有人出来说：我们早在几十年前就研究过了，然而每年当国外大量的所谓高档普通可控硅、功率二极管大举占领中国市场时，又有哪位决策者站出来，投入巨大资金好好干一番呢。如今当国际上再次提出“二极管在当今功率半导体中的作用总是被低估”的现状必须要彻底改变，因此“现今功率半导体生产厂商对生产质量优良的二极管投入巨大”[5]时，我们该好好反思一下，不要轻视那些我们曾经研究过然而却没有研究到底，并且没有做出巨大经济效益的，时至今天发展仍然很大的那些基础功率半导体器件吧。

台湾朋程的经验从另一个角度给我们以启示。台湾光宝旗下的Actron(朋程)，1998 年11月才新成立，但他们看准美国MOTOROLA 想甩掉车用整流二极管的时机，果断地买断其技术，又集中公司技术力量，并在国际上聘请技术和管理精英，抓住机遇大上快上，使自己很快将成为超过德国BOSCH 的世界最大的车用雪崩整流二极管的生产基地。

德国BOSCH和日本电装(Denso)更是我们学习和赶超的目标，而朋程现在做到的，我们何时能做到呢?这应该引起我们的深思。

2 重新认识并认真做好雪崩整流二极管

现代汽车工业大发展对车用整流二极管提出了全新的技术要求，原有的粗浅地对整流二极管的理解已非常不够了，21 世纪的车用整流二极管都是高水平的雪崩整流二极管，摆在我们面前的不可回避的任务就是：重新认识并从头开始认真做好车用雪崩整流二极管。

2.1 雪崩整流二极管

任何学习过半导体知识的人都知道什么叫雪崩整流二极管，那就让我们再一次地温故知新吧。

首先从PiN 结构、空间电荷区宽度锥m、雪崩击穿电压VB和最大电场强度Em入手，由突变结近似下的VB、Em、Xm的关系如图2 所示。

一般来讲，当电场强度达到2伊105(V/ cm)时，二极管的雪崩特性都是很好的，显然车用整流二极管无论是普通用200 V器件，还是先前称谓的雪崩(19耀42)V 器件，都应该是特性很好的雪崩整流二极管。

国内很早就有人对雪崩整流二极管特性进行了详细的研究[7]。显然，简单的室温硬转折是不能称谓雪崩整流二极管的，一个标准的雪崩整流二极管至少应包含下列三个内容。

公式(4)，(5)定量地给出了温度对雪崩电压的影响。

2)雪崩击穿后，仍能恢复阻断特性，即雪崩特性是可逆的。

雪崩特性的可逆性及其嵌位作用能确保车上所有的用电器件都长期安全可靠运行。车用整流二极管器件对雪崩特性是可逆的提出了更高要求：额定结温(严格讲是等效结温)已提高到200益、215益，目前已达到225益。

车用整流二极管的耐热疲劳能力要求也越来越高，热疲劳试验必须在一万次以上。

3)有足够的反向过流能力和动态雪崩能力。

雪崩整流二极管，不仅要有很高的耐正向通态浪涌电流的能力(IFSM)，而且还必须有很高的耐反向浪涌电流(IRSM)的能力，如规定在80 ms 的时间间隔内，反向浪涌电流IRSM在数值上和正向通态正弦半波平均值IFAV相当。

车用雪崩整流二极管的动态雪崩能力(严格讲，是动态雪崩能量或叫功率)是重要的汽车电机电器的考核指标，因为它最能体现车用电器耐抛负载的能力。

如何提高整流二极管的反向过流能力和动态雪崩能力，已是当今研究整流二极管的一个新的科学技术。

以上三点说明，现代的车用雪崩整流二极管早已不是我们最初认识的简单的二极管了，其动态特性更是需要我们重新认识的。[!--empirenews.page--]

2.2 雪崩整流二极管的检测

2.2.1 雪崩整流二极管雪崩特性必要条件DVR

测试依据公式(4)(5)，按典型雪崩电压值，经计算得到的参数如表2 所列。

表2 中DVR判定值和DVR2判定值是这样确定的：对于雪崩型整流二极管，依据VB 随温度T升高而线性增高的原理，巧妙地将对温度的测试换成电流的测试，即给两个不同的漏电流(即两个不同的温度)，看对应的VB的差值，也就是看所谓DVR判定值。第一，驻VB 为正，即对应T高的VB也高，第二，驻VB

雪崩电压VB 和温度(即漏电流)的关系曲线如图3所示。

一般可以认为在两个不同漏电流(第一个漏电流取室温附近的常规漏电流，第二个漏电流取其100 倍或更大些时的漏电流)下测试造成的温差(如图3 中的T2 和T1)，例如为20益，不同的雪崩电压差的最大值就是DVR判定值，近似取DVR判定值

，表2 中的DVR 判定值就是这样估出来的。

DVR2判定值是这样确定的。DVR2 判定值对应的两个电压分别为：100 倍或更大些的漏电流对应的雪崩电压;再回到室温附近漏电流时的雪崩电压。由于再回到室温漏电流时并立即测试，余温还在(如图3 中的T3)，故雪崩电压比直接室温时测得的电压要高，当然两个电压差小些，因此取DVR2判定值为DVR判定值的一半。

如果是雪崩特性，则有：第一，DVR2 值>0;第二，DVR2值

加上DVR2 判定值是为了再一次验证雪崩特性，所以此方法简单方便。

DVR 判定是判定器件雪崩特性的必要条件,即若不满足DVR 和DVR2 判据，则一定不是雪崩器件，从而先期淘汰了部分不合格产品，这是DVR测试的本质意义。

雪崩整流二极管通过了DVR 和DVR2判据，且还必须要满足：雪崩击穿后，仍能恢复阻断特性且反向过流和动态雪崩能力强，这是判定雪崩特性器件的充分条件。

2.2.2 热敏电压△VF—等效瞬态热阻抗测试

通过结壳热阻测试功率半导体器件的稳态热阻和瞬态热阻抗是二极管标准规定的方法。由于该方法复杂，测试功率大、时间长，常常用于抽检。

对于要求如此严格的车用整流二极管，抽检肯定是不行的，必须实行严格地全检。否则，少了热特性的测试，还叫什么功率半导体器件?

采用热敏电流测试结温升是很早就有的方法。它也是巧妙地将热特性测试转变成电特性(通过热敏电流、电压)的测试。充分利用了二极管结压降、体压降和大小注入通态电流的不同关系，给出了热敏电压吟VF—等效瞬态热阻抗测试方法[8]。

热敏电压吟VF—等效瞬态热阻抗测试方法，虽然不是额定状态下的测试，但其等效作用是相当的，最大好处是可以实行全检。只有电热特性都好的器件，才能确保三年，十万公里安全运行。对此，参考文献[9]进行了详细介绍，这里不再赘述。

2.2.3 反向浪涌电流IRSM和动态雪崩能量(功率)

测试只有反复通过反向浪涌电流IRSM测试和动态雪崩能量(功率)测试的二极管，才是真正合格的车用雪崩二极管。

国际通用的反向浪涌电流IRSM测试条件为方波，脉宽80 ms。

所谓动态雪崩[10]是这样一个瞬态(或叫暂态)过程，瞬态加入器件的电压虽然还没有达到该器件的雪崩击穿电压，但是在过大的反向功率的加入后，两者对电场强度的贡献之和足以使器件瞬间达到雪崩。

2.2.4 二极管雪崩特性的完整测试体系

对于雪崩整流二极管的雪崩特性测试必须建立起一个完整的科学的测试体系。以下给出一个完整测试体系的实例。

显然，上述测试方法和体系是原整流二极管标准中所没有的，因此也是必须增加的。

2.3 如何形成雪崩整流二极管的规模经济

若要研制生产出像BOSCH、Denso、Actron 一样的车用整流二极管和整流桥，就必须充分借鉴他们成功的经验，走他们曾经走过的道路，投入大体同样的资金，进行同他们大体相同的技术研究和科学创新。

从硅单晶、芯片工艺、欧姆接触、台面保护胶、焊接工艺、底座到装配等，都要和BOSCH、Denso、Actron 同步接轨。

“底座设计要像BOSCH 一样科学合理”，在真空井式炉并氮气保护下进行氢气还原焊接，“要采用一次焊接(OJ)工艺”，并“扶植起一次焊接(OJ)工艺的车用整流二极管的规模化专业生产厂”，整流桥的装配结构也要进行根本性的改造，“为车用整流二极管在一类汽车厂替代进口、实现本土化作好技术准备”[11]。

要尽快建立起雪崩整流二极管的完整的测试体系，完善从高温交流反偏试验、热疲劳试验一直到上机运行试验等全部例行试验规程。

在我国建造国际一流的车用整流二极管生产基地是当前摆在我们功率半导体工作者面前的任务之一[12]。

3 结语

1)通过上述的讨论明确认识到，低端产品必须淘汰(非雪崩特性及雪崩特性不好的器件淘汰，检测条件不具备的企业停产，热疲劳水平低的产品不准流入市场)，产品升级势在必然。电子元器件“大进大出”的现象，即出口产品附加值低，而国内整机发展急需的高端核心元器件又长期依赖进口的局面必须结束[13]。

2)希望产、学、研各界的功率半导体科技工作者密切携起手来，对车用雪崩二极管这一特定的领域，按照完整的系统工程，首先从科学技术角度，面向基层、面向工业急需，迎头赶在世界的最前面。

3)政府的组织领导是必要的。相关主管部门认真搞好调查研究和经济分析，组织和引导车用半导体产业的改组、整合工作，真正实现零部件的产业化，尽快建立起我们中国自己的国际一流的车用雪崩整流二极管生产基地。汽车研发、生产已完全国际化，车用整流二极管的研发、生产也必须国际化。小舟小船、小打小闹自行发展的时代该结束了。

4)类似车用二极管这样的产业还有很多，如焊接专用二极管、高频电镀专用二极管等，关乎国计民生，绝不可小觑，也必须出重拳才能搞好。

注：本文曾在中国电工技术学会电力电子学会七届二次理事会暨报告会(连云港市，2009-9-12)上宣读，此次重发，作者做了些许修改。