車(chē)用雪崩整流二極管的現狀和發(fā)展

0 引言

中國汽車(chē)工業(yè)經(jīng)過(guò)數年快速發(fā)展，今年汽車(chē)總銷(xiāo)量已躍居世界第一。

中國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展階段，正如中國內燃機工業(yè)協(xié)會(huì )電機電器分會(huì )《協(xié)會(huì )通訊》所指出：“從千人汽車(chē)保有量、千人汽車(chē)銷(xiāo)量和汽車(chē)與平均GDP 的相對價(jià)格等各方面來(lái)看，中國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展階段，與日本1960 年代初期和韓國1980 年代中期相當。日本和韓國在其汽車(chē)工業(yè)發(fā)展初期以后，經(jīng)歷了10 年的高速發(fā)展，汽車(chē)銷(xiāo)量年度復合增長(cháng)率到20.9%和22.2%……中國汽車(chē)工業(yè)也將在10 年內保持15%以上的年度復合增長(cháng)率……”“即使考慮到當前經(jīng)濟衰退的影響，(最遲)2010 年開(kāi)始，我國汽車(chē)行業(yè)也必將進(jìn)入下個(gè)黃金10 年的高速增長(cháng)期。”[1]

“作為汽車(chē)核心零部件配套行業(yè)———車(chē)用整流二極管行業(yè)及其制造技術(shù)必將迎來(lái)快速發(fā)展的大好時(shí)期。”中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )政策研究會(huì )副主任陳炳炎認為，“只有零部件企業(yè)在研發(fā)上先走一步，帶動(dòng)整車(chē)企業(yè)的研發(fā)，才有可能縮小中國企業(yè)與世界先進(jìn)水平的差距。因此，未來(lái)20 年將是中國汽車(chē)零部件企業(yè)的創(chuàng )新發(fā)展階段。”[2]我們有理由相信，車(chē)用整流二極管行業(yè)必將迎來(lái)快速發(fā)展的新時(shí)期。

1 現狀和問(wèn)題

然而，我國汽車(chē)零部件的現狀不容樂(lè )觀(guān)。

正如中國內燃機電機電器行業(yè)協(xié)會(huì )秘書(shū)長(cháng)徐國昌的分析：“我國內燃機兩機(指發(fā)電機和起動(dòng)機)關(guān)鍵零部件的發(fā)展依然嚴重滯后，發(fā)電機電壓調節器、整流器、軸承、起動(dòng)機電磁開(kāi)關(guān)等部件的本土化制造跟不上需要，供中高檔乘用車(chē)配套的發(fā)電機電壓調節器和整流器等主要依靠進(jìn)口。”[3]內燃機電機電器主要指起動(dòng)機和發(fā)電機及其零部件，其中完全由整流二極管構成的整流器(無(wú)論是11 管還是17管的)是其主要零部件。

車(chē)用交流發(fā)電機的原理如圖1 所示。

圖1 中的(a)圖是車(chē)用交流發(fā)電機(含整流器和調節器)原理圖，(b)圖則是提取出來(lái)的11 管的整流器原理圖。

圖1 中，D1耀D6 是主整流二極管;D7耀D8 是中性點(diǎn)二極管，目的是利用發(fā)電機中性點(diǎn)的三次諧波電壓提高發(fā)電機的輸出效率;D9耀D11 是輔二極管，也叫勵磁二極管，容量稍小些。主整流二極管D1耀D6分別加倍為兩個(gè)管子并聯(lián)，就是功率偏大一些的17管整流橋。

顯然，這里所有二極管看上去都是非常簡(jiǎn)單的整流二極管。無(wú)論是(25~80)A/200 V，還是(25~45)A/(19~42)V的二極管器件，都是電壓、電流不大的一般型整流二極管，令人不可思議的是這么一些所謂簡(jiǎn)單的二極管多少年來(lái)卻都完全依靠進(jìn)口，幾乎被德國B(niǎo)OSCH、美國MOTOROLA(現為臺灣朋程Actron所取代)和日本電裝(Denso)等三大家所壟斷。

關(guān)于車(chē)用整流二極管行業(yè)的發(fā)展現狀，中國內燃機電機電器行業(yè)協(xié)會(huì )秘書(shū)長(cháng)徐國昌認為：“國外汽車(chē)零部件巨頭擠占我國內燃機汽車(chē)電機電器市場(chǎng)，以他們強大的技術(shù)、資金、管理以及與國外整車(chē)和整機廠(chǎng)商的特殊關(guān)系等優(yōu)勢，強勢侵入我國汽車(chē)電機電器市場(chǎng)，造成我國民族工業(yè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)極大困難。”[4]幾十年來(lái)，我國的車(chē)用整流二極管工廠(chǎng)是“主機市場(chǎng)進(jìn)不去，就去占領(lǐng)配件市場(chǎng)”，并造成“假冒偽劣產(chǎn)品充斥配件市場(chǎng)”[4]的局面，如此狀況不解決,發(fā)展我們民族汽車(chē)工業(yè)勢必只成為一句空話(huà)。中國制造的只能是貼牌汽車(chē)，核心技術(shù)仍然是外國的，我們照樣是給外國人打工。

嚴重的問(wèn)題早已擺在我國功率半導體事業(yè)的決策者和研究者面前，而我國的功率半導體事業(yè)的決策者和科技工作者都忙于新型器件的研究，無(wú)暇顧及這一所謂“特別簡(jiǎn)單”的領(lǐng)域。就像一談可控硅，馬上就有人出來(lái)說(shuō)：我們早在幾十年前就研究過(guò)了，然而每年當國外大量的所謂高檔普通可控硅、功率二極管大舉占領(lǐng)中國市場(chǎng)時(shí)，又有哪位決策者站出來(lái)，投入巨大資金好好干一番呢。如今當國際上再次提出“二極管在當今功率半導體中的作用總是被低估”的現狀必須要徹底改變，因此“現今功率半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商對生產(chǎn)質(zhì)量?jì)?yōu)良的二極管投入巨大”[5]時(shí)，我們該好好反思一下，不要輕視那些我們曾經(jīng)研究過(guò)然而卻沒(méi)有研究到底，并且沒(méi)有做出巨大經(jīng)濟效益的，時(shí)至今天發(fā)展仍然很大的那些基礎功率半導體器件吧。

臺灣朋程的經(jīng)驗從另一個(gè)角度給我們以啟示。臺灣光寶旗下的Actron(朋程)，1998 年11月才新成立，但他們看準美國MOTOROLA 想甩掉車(chē)用整流二極管的時(shí)機，果斷地買(mǎi)斷其技術(shù)，又集中公司技術(shù)力量，并在國際上聘請技術(shù)和管理精英，抓住機遇大上快上，使自己很快將成為超過(guò)德國B(niǎo)OSCH 的世界最大的車(chē)用雪崩整流二極管的生產(chǎn)基地。

德國B(niǎo)OSCH和日本電裝(Denso)更是我們學(xué)習和趕超的目標，而朋程現在做到的，我們何時(shí)能做到呢?這應該引起我們的深思。

2 重新認識并認真做好雪崩整流二極管

現代汽車(chē)工業(yè)大發(fā)展對車(chē)用整流二極管提出了全新的技術(shù)要求，原有的粗淺地對整流二極管的理解已非常不夠了，21 世紀的車(chē)用整流二極管都是高水平的雪崩整流二極管，擺在我們面前的不可回避的任務(wù)就是：重新認識并從頭開(kāi)始認真做好車(chē)用雪崩整流二極管。

2.1 雪崩整流二極管

任何學(xué)習過(guò)半導體知識的人都知道什么叫雪崩整流二極管，那就讓我們再一次地溫故知新吧。

首先從PiN 結構、空間電荷區寬度錐m、雪崩擊穿電壓VB和最大電場(chǎng)強度Em入手，由突變結近似下的VB、Em、Xm的關(guān)系如圖2 所示。

一般來(lái)講，當電場(chǎng)強度達到2伊105(V/ cm)時(shí)，二極管的雪崩特性都是很好的，顯然車(chē)用整流二極管無(wú)論是普通用200 V器件，還是先前稱(chēng)謂的雪崩(19耀42)V 器件，都應該是特性很好的雪崩整流二極管。

國內很早就有人對雪崩整流二極管特性進(jìn)行了詳細的研究[7]。顯然，簡(jiǎn)單的室溫硬轉折是不能稱(chēng)謂雪崩整流二極管的，一個(gè)標準的雪崩整流二極管至少應包含下列三個(gè)內容。

公式(4)，(5)定量地給出了溫度對雪崩電壓的影響。

2)雪崩擊穿后，仍能恢復阻斷特性，即雪崩特性是可逆的。

雪崩特性的可逆性及其嵌位作用能確保車(chē)上所有的用電器件都長(cháng)期安全可靠運行。車(chē)用整流二極管器件對雪崩特性是可逆的提出了更高要求：額定結溫(嚴格講是等效結溫)已提高到200益、215益，目前已達到225益。

車(chē)用整流二極管的耐熱疲勞能力要求也越來(lái)越高，熱疲勞試驗必須在一萬(wàn)次以上。

3)有足夠的反向過(guò)流能力和動(dòng)態(tài)雪崩能力。

雪崩整流二極管，不僅要有很高的耐正向通態(tài)浪涌電流的能力(IFSM)，而且還必須有很高的耐反向浪涌電流(IRSM)的能力，如規定在80 ms 的時(shí)間間隔內，反向浪涌電流IRSM在數值上和正向通態(tài)正弦半波平均值IFAV相當。

車(chē)用雪崩整流二極管的動(dòng)態(tài)雪崩能力(嚴格講，是動(dòng)態(tài)雪崩能量或叫功率)是重要的汽車(chē)電機電器的考核指標，因為它最能體現車(chē)用電器耐拋負載的能力。

如何提高整流二極管的反向過(guò)流能力和動(dòng)態(tài)雪崩能力，已是當今研究整流二極管的一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)。

以上三點(diǎn)說(shuō)明，現代的車(chē)用雪崩整流二極管早已不是我們最初認識的簡(jiǎn)單的二極管了，其動(dòng)態(tài)特性更是需要我們重新認識的。