車用雪崩整流二極管的現(xiàn)狀和發(fā)展

0 引言

中國汽車工業(yè)經(jīng)過數(shù)年快速發(fā)展，今年汽車總銷量已躍居世界第一。

中國汽車工業(yè)發(fā)展階段，正如中國內(nèi)燃機工業(yè)協(xié)會電機電器分會《協(xié)會通訊》所指出：“從千人汽車保有量、千人汽車銷量和汽車與平均GDP 的相對價格等各方面來看，中國汽車工業(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工業(yè)發(fā)展初期以后，經(jīng)歷了10 年的高速發(fā)展，汽車銷量年度復合增長率到20.9%和22.2%……中國汽車工業(yè)也將在10 年內(nèi)保持15%以上的年度復合增長率……”“即使考慮到當前經(jīng)濟衰退的影響，(最遲)2010 年開始，我國汽車行業(yè)也必將進入下個黃金10 年的高速增長期。”[1]

“作為汽車核心零部件配套行業(yè)———車用整流二極管行業(yè)及其制造技術(shù)必將迎來快速發(fā)展的大好時期。”中國汽車工業(yè)協(xié)會政策研究會副主任陳炳炎認為，“只有零部件企業(yè)在研發(fā)上先走一步，帶動整車企業(yè)的研發(fā)，才有可能縮小中國企業(yè)與世界先進水平的差距。因此，未來20 年將是中國汽車零部件企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展階段。”[2]我們有理由相信，車用整流二極管行業(yè)必將迎來快速發(fā)展的新時期。

1 現(xiàn)狀和問題

然而，我國汽車零部件的現(xiàn)狀不容樂觀。

正如中國內(nèi)燃機電機電器行業(yè)協(xié)會秘書長徐國昌的分析：“我國內(nèi)燃機兩機(指發(fā)電機和起動機)關(guān)鍵零部件的發(fā)展依然嚴重滯后，發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器、整流器、軸承、起動機電磁開關(guān)等部件的本土化制造跟不上需要，供中高檔乘用車配套的發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器和整流器等主要依靠進口。”[3]內(nèi)燃機電機電器主要指起動機和發(fā)電機及其零部件，其中完全由整流二極管構(gòu)成的整流器(無論是11 管還是17管的)是其主要零部件。

車用交流發(fā)電機的原理如圖1 所示。

圖1 中的(a)圖是車用交流發(fā)電機(含整流器和調(diào)節(jié)器)原理圖，(b)圖則是提取出來的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 是中性點二極管，目的是利用發(fā)電機中性點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單的整流二極管。無論是(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單的二極管多少年來卻都完全依靠進口，幾乎被德國BOSCH、美國MOTOROLA(現(xiàn)為臺灣朋程Actron所取代)和日本電裝(Denso)等三大家所壟斷。

關(guān)于車用整流二極管行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，中國內(nèi)燃機電機電器行業(yè)協(xié)會秘書長徐國昌認為：“國外汽車零部件巨頭擠占我國內(nèi)燃機汽車電機電器市場，以他們強大的技術(shù)、資金、管理以及與國外整車和整機廠商的特殊關(guān)系等優(yōu)勢，強勢侵入我國汽車電機電器市場，造成我國民族工業(yè)企業(yè)經(jīng)營極大困難。”[4]幾十年來，我國的車用整流二極管工廠是“主機市場進不去，就去占領(lǐng)配件市場”，并造成“假冒偽劣產(chǎn)品充斥配件市場”[4]的局面，如此狀況不解決,發(fā)展我們民族汽車工業(yè)勢必只成為一句空話。中國制造的只能是貼牌汽車，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，無暇顧及這一所謂“特別簡單”的領(lǐng)域。就像一談可控硅，馬上就有人出來說：我們早在幾十年前就研究過了，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)中國市場時，又有哪位決策者站出來，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(xiàn)狀必須要徹底改變，因此“現(xiàn)今功率半導體生產(chǎn)廠商對生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的二極管投入巨大”[5]時，我們該好好反思一下，不要輕視那些我們曾經(jīng)研究過然而卻沒有研究到底，并且沒有做出巨大經(jīng)濟效益的，時至今天發(fā)展仍然很大的那些基礎(chǔ)功率半導體器件吧。

臺灣朋程的經(jīng)驗從另一個角度給我們以啟示。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 想甩掉車用整流二極管的時機，果斷地買斷其技術(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德國BOSCH 的世界最大的車用雪崩整流二極管的生產(chǎn)基地。

德國BOSCH和日本電裝(Denso)更是我們學習和趕超的目標，而朋程現(xiàn)在做到的，我們何時能做到呢?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(xiàn)代汽車工業(yè)大發(fā)展對車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就是：重新認識并從頭開始認真做好車用雪崩整流二極管。

2.1 雪崩整流二極管

任何學習過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(jié)構(gòu)、空間電荷區(qū)寬度錐m、雪崩擊穿電壓VB和最大電場強度Em入手，由突變結(jié)近似下的VB、Em、Xm的關(guān)系如圖2 所示。

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

國內(nèi)很早就有人對雪崩整流二極管特性進行了詳細的研究[7]。顯然，簡單的室溫硬轉(zhuǎn)折是不能稱謂雪崩整流二極管的，一個標準的雪崩整流二極管至少應包含下列三個內(nèi)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上所有的用電器件都長期安全可靠運行。車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(jié)溫(嚴格講是等效結(jié)溫)已提高到200益、215益，目前已達到225益。

車用整流二極管的耐熱疲勞能力要求也越來越高，熱疲勞試驗必須在一萬次以上。

3)有足夠的反向過流能力和動態(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(guī)定在80 ms 的時間間隔內(nèi)，反向浪涌電流IRSM在數(shù)值上和正向通態(tài)正弦半波平均值IFAV相當。

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

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

以上三點說明，現(xiàn)代的車用雪崩整流二極管早已不是我們最初認識的簡單的二極管了，其動態(tài)特性更是需要我們重新認識的。