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。