车用硅整流二极管及整流桥.doc

车用硅整流二极管及整流桥目 录第一节 车用硅整流二极管 第二节 三相桥式整流电路 第三节 VF参数的定义及其应用第四节 交流发电机使用雪崩整流二极管的目的及其作用第五节 雪崩整流二极管的选择与使用第六节 整流桥二极管压装工序作业指导书第七节 整流桥设计的验证第一节 车用硅整流二极管一、 车用硅整流二极管的符号及命名1、正管：车用整流桥上正极板上的二极管称为正管。图一、正管2、负管：车用整流桥上负极板上的二极管称为负管。图二、负管3、正、负管标识方法 一般红色标志表示是正管，黑色标志表示是负管4、用万用表区分正、负管的方法 在用万用表区分正、负管时要注意：所用万用表是指針式还是数字式万用表，二者得出的结论是相反的。在这里我们用数字式万用表来举例说明：把旋扭调到“”档，此时万用表显示“O.L” (或“OF.” 、或“1”)在检测二极管时只能用这一档来检测，用电阻挡是测不出的。此时红表棒是正电位，黑表棒是负电位。（如果用指針式万用表时，表棒的电极性相反。）把红表棒与二极管的引线接触，把黑表棒与二极管的底座接触。此时万用表显示0。45至0。65之间数值（不同型号的数字万用表数值略有差异），此二极管为正管。若此时万用表显示为“O.L” (或“OF.” 、或“1”)，此二极管为负管二、 车用硅整流二极管的正向导电特性二极管的单向导电性是二极管独有功能。 图三、 二极管的正向伏安特性曲线图三中：VD为二极管的阀值电压，对于硅整流二极管来讲为0。7V左右。在阀值电压以下，二极管正向通过的电流很小。当二极管的正向电压超过阀值电压时二极管的正向电流迅速增加。VFM为二极管的正向峰值电压。对于大于30A的二极管用100A测试；对于25A以下的二极管用正向额定平均电流值IF(AV)的倍值测试。VFM值的大小决定了二极管在使用时发热量的大小。正向平均功秏PAV0.785VFMIF(AV)0.215VDIF(AV) 一般VD0.72VFM 所以 PAV0.94VFMIF(AV) (1)三、 车用硅整流二极管的反向伏安特性： 图四、二极管的反向伏安特性曲线 VR表示反向击穿电压。 VRRM表示反向重复峰值电压。这个电压是给用户使用时的最高电压。 VRRM0.9VRSM(反向不重复峰值电压) VRVRSM1.11VRRM这是二极管制造厂家出厂时的最低电压。四、 反向重复峰值电压VRRM和正向峰值压降VFM之间关系： 二极管的正向峰值压降VFM随着反向重复峰值电压VRRM的提高而升高。因此选择适当低的、满足使用要求的反向重复峰值电压VRRM的值可以使二极管的正向峰值压降保持在较低的水平。尽量降低二极管的正向平均功耗。第二节 三相桥式整流电路一、三相桥式整流电路图 二、三相整流桥各点电压波形及二极管正向导通时序图 从三相整流电路波形图及二极管正向导通时序图中我们可以得出以下几点：1、 任一时刻只有正极板上一只正管和负极板上一只负管同时正向导通。2、 在一个周期内每个管子正向导通轮流工作了三分之一个周期。3、 每个二极管正向流过的最大峰值电流就是桥的输出最大电流。 第三节 VF参数的定义及其应用一、小电流下整流二极管的正向压降VF 是一个很理想的热敏参数在做试验时我们会发现：整流二极管的正向压降数值随着通正向电流时间的增加在缓慢下降，当达到温度平衡时二极管的正向压降值也稳定下来。二极管的正向压降的负温度系数的特性给二极管并联运行带来一定困难，实际使用时要求对整流二极管的正向峰值压降进行挑选配对，并在计算并联后的电流容量时只能取较小的均流系数。进一步试验时会发现：二极管通过一定数值范围(一般在50mA-250mA)内的小电流时，它的正向压降VF 与结温TJ 的关系曲线是一条直线, 它的斜率为-1.8mv/-2.0mv/。对于同一批材料、同一种工艺做的一批二极管，它们的正向压降VF 与结温TJ 的关系曲线是一簇具有相同斜率的直线簇。因此小电流下的二极管的正向压降VF 是一个很理想的热敏参数，理由是：一是小电流产生附加温升小，能提高测试精度；二是VF这个参数测试方便；三是它与温度变化的关系曲线线性好，使测试温度变化的计算简单化。二、VF参数的定义 VF参数的测试条件见图1：图1 VF参数的测试原理图 在上图中：100mA是测试热敏电压VF 的热敏电流 100A/100ms方波脉冲电流是加热源 VF1 是加方波脉冲电流前0.5ms测的常态热敏电压 VF2 是加方波脉冲电流后0.5ms测的瞬态热敏电压 VF VF1VF2三、VF参数的物理意义 VF的数值的大小反映了在加规定的方波脉冲电流前后二极管结温TJ 的变化。VF数值小则结温TJ增加量小，说明二极管芯片（硅片）产生的热量瞬间散热快，也表示二极管的瞬态热阻小；VF数值大则结温TJ 增加量大，说明二极管芯片（硅片）产生的热量瞬间散热慢，也表示二极管的瞬态热阻大。四、热阻与瞬态热阻的概念热阻是功率半导体器件的重要技术指标和特性，是器件热特性的特征参数，它与器件的电特性和机械特性相关，与器件的额定电流(IF(AV)、峰值压降(VFM)和最高结温(Tjm)等基本参数有定量关系。热阻是模拟电网络的热网络的主参数，是分析器件质量和应用进行诸多计算不可缺少的参数。但前提是通过测试确定正确的主热阻值，而正确的测试方法建立在热阻完整概念基础上，因此本节主要内容是热阻的完整概念。 1、热阻的概念 按标准，热阻(Rth)的一般定义是： 在热平衡条件下，两规定点(或区域)温度差与产生这两点温度差的耗散功率之比(单位为 W)： R(T1T2)P - - - - - - - - - - - - - - (1) 定义假定了器件耗散功率产生的全部热流流经热阻。热阻作为指标给出时，其耗散功率是直流功率或近似为正弦半波电流在一个周期内的平均功率。 常用的器件热阻有结到管壳基准点热阻(结壳热阻Rjc)、结到散热器基准点热阻(结散热阻 Rjs)、结到环境规定点的热阻(总热阻Rja)，与器件热阻有关的散热器热阻Rsa和接触热阻Rcs。Rsa是散热器基准点到环境规定点的热阻，Rcs是管壳基准点到散热器基准点的热阻，这些热阻的关系如图2所示并满足： RjaRjc+Rcs+Rsa - - - - - - - - - - - - - - (2) 图2 单路等效热网络2、瞬态热阻抗的概念 瞬态热阻抗作为技术参数和物理量，实质也是一种热阻，量的单位也是w，只不过是非稳态时的热阻，即器件在通电流加热或截断电流冷却过程、未达到热平衡前的热阻。在这个过程热阻不是常数、而随时间变化，至热平衡时达到最大值并与稳态热阻相等。由于瞬态热阻抗值随时间变化，一般以与时间关系的瞬态热阻抗曲线给出，个别也有以数学解析式给出的。 瞬态热阻抗是为计算开通、关断、浪涌等瞬态时的结温、功耗或负载能力而引入的概念和特性。瞬态热阻抗特性曲线是器件基本特性曲线之一，是计算浪涌电流与周波数和I2t与t两条曲线的试验曲线。瞬态热阻抗Z(t)按标准定义为：在某一时间间隔末，结温Tj和基准点温度Tr之差的变化量，与在引起该温差变化的阶跃变化耗散功率P之比(见图4)：Z(t)Tj(0)Tr(0)Tj(t)Tr(t)P - - - - - (4) 图3 瞬态热阻抗的热敏电流If、热敏电压Vf和结温Tj示意图图中：Vf是测量结温Tj的热敏电压If是对应热敏电压Vf的热敏电流 瞬态热阻抗的定义需要强调的是按直流方波电流定义的。 对于管壳额定的器件，常用而最有意义的是结壳瞬态热阻抗Zjc（t）。瞬态热阻抗的定义假定了：紧接该时间间隔之前，器件内部的温度分布不随时间变化。若定义中的耗散功率阶跃变化前为零，则式(4)有类似式(1)的形式，即为：Z(t)Tj(t)Tr(t)P - - - - - - - - - - -(5)在电阻抗系统中有电容C的概念，它在稳态直流回路中不起作用。在瞬态、交变电回路中会产生一与电流频率有关的容抗；同样在热阻抗系统中有热容C 的概念,在热稳态回路中它不起作用(或者影响很小)。在瞬态热阻抗的测试中我们发现它的效应是不可忽视的，增加热容C会降低瞬态热阻抗，会降低二极管在承受正向或反向浪涌功耗时结温的升高值,即会提高器件承受正向或反向瞬间浪涌功率的能力。对于管壳温度TC、结温TJm 、稳态热阻 RJC 规定的器件通过正向功耗的计算，可以确定二极管的额定正向平均电流IF(AV) 的容量。在正向导通角为180、工作频率为50HZ 、电阻性负载的正弦波整流电路中,二极管中通过正向平均电流为IF(AV) 时它的正向功耗可以用下式来计算：PAV 0.785VFM IF(AV) 0.215VD IF(AV) - - - - - - - - -(6)式中：VFM 为二极管正向峰值电压 VD 为二极管开始导通的阀值电压，对於汽车用二极管其阀值电压一般不大於0.72VFMPAV 0.94VFMIF(AV) - - - - - - - - - - - - - - - (7)在式(1)中：把R=RJC 、T1 =TJM 、T2 =TC 与式(6)代入,得到RJC (TJM TC )/ 0.94VFMIF(AV)IF(AV)(TJM TC )/ 0.94VFMRJC1.06(TJM TC )/ VFMRJC - - - - - - - - - - - - - (8)从式(8)中知稳态热阻RJC 与结温TJM 、管壳温度TC 、正向峰值压降VFM 一起决定了二极管的正向平均电流IF(AV) 的容量大小,因此，它是一个很重要的参数。五、VF 与瞬态结壳热阻抗ZJC(t)的关系 从图1与图3中我们可以得出这么一个概念：VF 是瞬态结壳热阻抗ZJC(t)中的一个特殊的点,它是在规定的脉冲方波峰值电流IM =100A、脉冲宽度为100ms的条件下,在间隔0.5ms的时间点测得的反映结温变化的热敏电压差值，它能间接反映这一特殊点的瞬态结壳热阻抗的大小，这样可以省却每次的计算,使参数更直观。六、VF 实际使用价值 1、VF 数值的平均值(中心值)决定於二极管的结构设计，因此不同的设计可以通过VF 的平均值的测试来评价其设计的合理性和先进性；通过不断改进与优化设计把VF 的平均值降低到合理的数值，能有效提高二极管承受正向或反向浪涌功耗的能力； 结构变化稳压结壳热阻RJCVF瞬态结壳热阻抗ZJC1增加硅片面积等比减小等比减小等比减小2增加硅片厚度增加增加增加3减小焊料量减小减小减小4增加底座厚度略有减小明显减小明显减小5内引线变化变化不大明显变化明显变化变化等级：等比减小减小明显减小略有减小 2、VF 百分比偏差反映了工艺的控制能力与合理性，它能直接反映出焊接工艺中缺陷，因此通过VF 百分比偏差的计算能对焊接工艺进行评估、监控与筛选不良品； 3、VF 数值能反映瞬态结壳热阻抗的特性，因此在一定程度上也能反映出稳态结壳热阻RJC 的大小或变化趋势,但它不能代替稳态结壳热阻RJC 的测试。第四节 交流发电机使用雪崩整流二极管的目的及其作用一、雪崩整流二极管的特性1、正向单向导电，具有整流作用。其作用与普通整流二极管相同。2、反向具有稳压管稳压特性。具有一定的反向浪涌功率的吸收能力，使系统的过电压控制在一定的电压值以下。图一是雪崩整流二极管的伏安特性曲线。二、交流发电机使用雪崩整流二极管是汽车整车系统的要求随着环境保护对汽车排放要求的提高，从欧标准提高到欧、欧标准，要达到环境保护的要求，就要求整车系统对空气的压力和流量、进油量状态、点火时序、尾气排放状态等发动机工况和交流发电机工况进行检测和控制，一般通常用ECU来控制。ECU通过多功能调节器的DF端的信号来了解发电机的工况。整车采用ECU控制后带来了一个新的问题，ECU的耐压很低，它自身的保护电路是采用一个MR2535L瞬态浪涌吸收雪崩二极管，它选用的击穿电压是2732V(对14V系统讲)，所以它要求交流发电机也要采用雪崩整流二极管，并且它的雪崩击穿电压V(BR)小于27V(对14V系统讲)，这样使交流发电机的故障电压控制在一定数值以下，达到保护ECU的目的。多功能调节器的使用同样带来了耐压问题，14伏系列多功能调节器对系统故障电压的幅值要求控制在37V，也同样要求交流发电机要采用雪崩整流二极管，并且它的雪崩击穿电压V(BR)小于27V(对14V系统讲)。三、雪崩整流二极管在汽车整车系统的作用1、在发生抛负载故障时雪崩整流二极管要能吸收故障电压，保护ECU和多功能调节器不受损伤；2、在多功能调节器失控或由外界原因造成调节器短路失控时雪崩整流二极管要立即击穿，使交流发电机不发电，起到保险丝作用，保护车内ECU不受损伤，把恶性事故化成一般故障。3、由于雪崩整流二极管的采用，使多功能调节器在交流发电机上的使用成为现实。四、交流发电机使用多功能调节器对整车带来的好处：1、多功能调节器IC芯片设计时巳考虑到在汽车上使用时的恶劣条件，已加进多重的过压、超温保护电路，并采用了先进的过流保护技术，使调节器可靠性有了进一步提高。2、由于多功能调节器引入切入频率的功能，使交流发电机进入正常工作状态的转速控制在一定的范围内(如9RC7129C最低正常发电转速控制在1400转/分)。在发动机起动过程中，交流发电机处在无输出状态，减少了起动过程中发动机的负载，使发动机起动成功率大大提高。3、由于多功能调节器引入软加载的功能，使整车的舒适性得到了提高。4、由于多功能调节器引入了DF功能，可以向ECU提供发电机的工况，使整车工作在更理想状态。进一步的发展可实现双向通信。5、使用多功能调节器后可省掉三只励磁二极管，减少一个交流发电机重要的失效故障模式-励滋二极管的失效。第五节 雪崩整流二极管的选择与使用一、雪崩整流二极管额定正向平均电流IF(AV)的选择 雪崩整流二极管额定正向平均电流IF(AV)选择原则与普通整流二极管一样，对於三相全波整流桥来讲每个整流二极管通过正向平均电流是交流发电机额定输出电流I0的1/3，在实际使用中都留有一定的裕量，取 IF(AV)=(0.40.5)I0 -(1) 这样选择后同样要保证雪崩整流二极管的外壳温度TC低于170。 图1、交流发电机应用电原理图 图2、交流发电机三相整流电压、电流波形图二、雪崩击穿电压V(BR)的选择 交流发电机所用雪崩整流二极管的雪崩击穿电压选择要根据其作用耒选择。它的主要作用是当发生故障时：在抛负载时雪崩整流二极管要能吸收故障浪涌电压，保护ECU和调节器不受损伤；在调节器失控时雪崩整流二极管要立即击穿使交流发电机不发电，起到保险丝作用，保护车内ECU不受损伤，把恶性事故化成一般故障。 汽车上ECU内在输入端接了一个MR2535L瞬态浪涌吸收雪崩二极管，它选用的击穿电压是2732V(对14V系统讲)，所以它要求交流发电机所用的雪崩整流二极管的雪崩击穿电压V(BR)小于27V，原配套的交流发电机所选用的雪崩击穿电压为2024V，这一点希望大家注意。三、反向重复峰值浪涌电流IRSM的选择从图1、图2中我们可以看到在任一时刻三相整流桥中只有一对桥臂中有电流，即只有两根相线中有电流通过，通过的电流波形是带馒头形的近似矩形波电流。为了估算方便我们把它看成一个矩形波电流，峰值电流为发电机输出电流I0 。如果我们假设每相线圈的电感为L、直流电阻为零，此时发电机绕组具有能量为2I0L2，绕组具有的能量与抛负载后产生的峰值电压与抛负载时的电流成正比、与发电机绕组电感的平方成正比。L值的大小决定抛负载后雪崩击穿的持续时间。图3、抛负载后能量泄放示意图我们为了估算方便，假设抛负载前后交流发电机的输出功率不变，抛负载前交流发电机输出电压为VR0、电流为I0，则输出功率为VR0I0。从图3我们可以看到：抛负载后D1与D4处于正向导通状态，D2与D3处于反向雪崩击穿状态。如果我们假设D1、D2、D3与D4具有相同的正向峰值压降VF、反向雪崩击穿电压VB，则流过D2、D3的反向雪崩击穿电流相同为IRSM。我们就可以得到下面一组等式： Vab=VF+VB=VR VR(i1+i2)=VR0I0 2IRSMVR=VR0I0 IRSM=(VR0I0)/(2VR) IRSM=(I0/2)(VR0/VR) -(2)我们把不同的VR0与VR数据代入(2)式可以得到下面的一个关系式： IRSM=(0.250.32)I0 -(3)对於规范设汁的交流发电机在抛负载时雪崩整流二极管反向雪崩击穿的持续时间约在75ms左右，因此雪崩整流二极管反向重复峰值浪涌电流IRSM选择为发电机额定电流(抛负载前电流)的0.4倍是合适的。 图4、带有雪崩整流桥交流发电机抛负载电压波形图四、雪崩整流桥对雪崩整流二极管雪崩电压离散性的要求从图3中我们可以看到当发生抛负载时有如下的关系式： VFD1+VBD3=VFD2+VBD4=Vab -(4)在组装整流挢时，我们为了降低二极管的正向发热功率和三相绕组的不平衡性把整流二极管的正向压降和它的离散性控制在很小的范围内，例如离散性控制0.05V以内。因此在这里为了便於把问题讲清楚，我们把VFD1与VFD2看成是相等的。即 VFD1=VFD2 -(5)对於某一个雪崩整流二极管它有一个V(BR)值，它的测试条件是IR=100mA。当它通过不同数值的反向雪崩浪涌电流IR1IR2IR3100mA时就得到一组VR值： VR1VR2VR3V(BR)下面我们来看几组实际测试数据：测 试 报 告 2-1 Apr-04-2006制造单位： 昆山市XX半导体厂 试品名称：雪崩管 型号：DB50-19 数量：60 只 极性：正、负各环境温度 = 28.1 主要设测试备：YH-3201A 编号：13218AA YH-5001A编号：13218F3 Time:15to18极性与编号100A 100MSDC18VIRRM1(NA)100MA300SVBR(V)80A80SVBR(V)PEAK REPETITIVE SURGE CURRENT 10 ms （ Time Constant ） 80 msVMFmVVFmV110AVBR40AVBR.V45AVBR50AVBR55AVBR60AVBR65AVBRA 01961243321.323.227.025.626.026.526.827.477msA 02965245421.323.226.825.525.926.426.827.227.6A 03964235621.623.527.225.926.326.827.227.628.0A 04968255821.523.427.326.026.426.927.327.676msA 05959244321.523.426.925.726.126.627.027.427.8A 06958243621.723.727.626.226.727.227.527.973msA 07964244621.623.827.826.326.827.327.728.167msA 08970245521.823.827.626.326.727.327.628.176msA 09960255121.223.026.925.526.026.526.827.270msA 10966255021.924.027.926.526.927.527.828.2V 78msA 11964254721.823.527.126.026.426.927.327.728.0A 1296824615*21.623.627.426.026.427.027.327.7V 77msA023.827.726.326.827.327.828.178msA523.427.325.926.326.827.227.627.9A023.828.126.627.027.527.928.278msA 16963245921.823.427.626.226.727.227.527.928.3A523.727.426.226.627.127.527.8V 78msA924.027.926.527.027.527.928.373msA 19964244621.924.128.026.627.127.628.028.467msA 20961233721.623.627.326.026.426.927.327.774msA 21961232921.423.427.225.826.326.827.126.3V 38msA 22960243721.823.727.626.226.727.227.628.073msA 23956253021.623.727.626.326.827.327.628.067msA 24960243121.723.427.426.026.527.027.327.776msA 25962243421.923.827.626.426.827.327.728.174ms 从以上几组测试数据中我得到这样一个规律：IR增加5A，VR增加0.5V。从上面规律中我们可以计算出雪崩整流二极管反向雪崩击穿时的动态电阻： rBR=0.5V/0.5A=0.1 (雪崩整流二极管反向雪崩击穿时的动态电阻 rBR是一个很重要的参数，希望生产厂与应用厂要引起重视。) 在一个整流桥上如果D2与D3(见图3)的雪崩击穿电压V(BR)不相同，即： V(BR)D2V(BR)D3 那末 I1I2 如果 V(BR)D2与V(BR)D3相差1V，则I1与I2就相差10A。因此我们希望同一个整流桥上的雪崩整流二极管雪崩击穿电压V(BR)的差异要尽量小，从而来提高整流桥的承受反向浪涌电流的能力。OEM交流发电机厂同一个整流桥上的雪崩整流二极管雪崩击穿电压V(BR)的差异控制在1V以下，这就是BOSCH公司雪崩整流二极管雪崩击穿电压V(BR)的电压分挡为1V一档的原因。这一点希望发电机厂要引起重视，否则的话用了好的雪崩整流二极管但不能制造出好的雪崩整流桥。第六章 整流桥二极管压装工序作业指导书一、 压装工序目的把压装式车用二极管压入整流桥的正、负极板指定的孔内。保证压入二极管电特性不变，保证压入二极管与正、负极板之间电接触和热传导良好，考核方法是压入二极管从极板上压出静推力大于50kg，小於100kg。过大的压出静推力容易在压装工序中使压入二极管电特性变环。压出静推力的大小和范围可根据二极管的结构和散热板的材质和结构作适当的调正。二、 几种压入方法 1、 手板压机；效率低。2、 油压机；效率低。3、 气动压机；4、 气、油压混合压机；5、 冲床；效率高。整流桥厂大多采用冲床、气动压机与气、油压混合压机的压入方法。三、 压机、冲床吨位的选择根据BOSCH公司的资料二极管的压入为1.5KN9KN(约为150kg900kg)，三个二极管同时压入时的力为900kg32700kg，设备的系数取为2.5，则设备的吨位为：27002.56750kg我们一般取610吨。四、过盈量的选择控制二极管与极板孔径之间的过盈量是控制二极管压入力和压出静推力的唯一手段。过盈量的大小决定於：1、极板的材质和硬度；极板的硬度越大，允许过盈量越小2、极板上孔的二次加工方法不同，使孔的內表面光洁度和硬度不同；孔的内表面光洁度越高和硬度越高，允许过盈量越小。3与二极管管座的结构、材质和硬度有关；二极管管座的硬度越小允许的过盈量越小。二极管管座的结构合理使二极管耐压装能力提高，可允许过盈量适当大一点。4、与二极管管座的齿形结构有关：、粗齿、尖齿，可允许过盈量最大。、细齿（78齿）、尖齿，、细齿（78齿）、平齿，这是BOSCH公司产品釆用的齿形，可允许过盈量最小。这种齿形使二极管外径容易控制、并可使压入后二极管与正、负极板之间电接触和热传导良好。五、 极板孔径的测量一般极板孔径测量用带表的游标卡尺测量，其读数精度为2。测量孔的内径时，应在孔的小头处测量，卡尺在孔内轻微摆动得到最大的读数即为该测量点的直径。一个孔的内径应每转动60度角测得一个读数，共得三个读数1、2、3。则孔的内径(123)3(maxmin)为孔的惰园度。惰园度应小于0.02mm对于压铸件极板的孔，应规定最大脱模角度。六、 二极管外径的测量一般二极管外径测量用外径千分尺测量，其读数精度为2。测量二极管外径时，应轻微摆动外径千分尺得到最小的读数即为该测量点的外径。二极管外径应每转动60度角测得一个读数，共得三个读数1、2、3。则二极管的外径(123)3(maxmin)为二极管外径的惰园度。惰园度应小于0.02mm。应规定冲制时最大锥度。七、二极管铜底座的硬度二极管铜底座的硬度是指铜底座底面中间4.5mm范围内的硬度。测硬度时应去除表面的镀鎳层。二极管铜底座的硬度在二极管制造过程中是变化的，这一点请注意。BOSCH公司规定二极管铜底座的硬度是维氏硬度3272，我们推荐二极管铜底座的硬度：60(维氏硬度)72。八 、纯铝板冲制的极板上二极管压装 纯铝板冲制的极板它的维氏硬度为38HVO.2左右。在纯铝板冲制的极板上压装BOSCH结构二极管时，极板上孔的内径取12.68+0