程德明 汪瑞昌 汪 駿 江文資

（黃山市瑞宏電器有限公司，安徽黃山245600）

0 引言

對(duì)負(fù)荷工作中的汽車(chē)發(fā)電機(jī)，人為突然切斷其負(fù)載的試驗(yàn)，稱為汽車(chē)發(fā)電機(jī)拋負(fù)載試驗(yàn)。只切斷用電設(shè)備負(fù)載、不切斷蓄電池，稱負(fù)載單拋；只切斷蓄電池、不切斷用電設(shè)備負(fù)載，稱蓄電池單拋；切斷用電設(shè)備負(fù)載、同時(shí)又切斷蓄電池，稱雙拋。顯見(jiàn)，雙拋比單拋嚴(yán)厲得多。

之所以要進(jìn)行拋負(fù)載試驗(yàn)研究，是考慮到汽車(chē)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，其用電負(fù)載會(huì)大幅度波動(dòng)，負(fù)載單拋就是其極端情況；發(fā)電機(jī)到蓄電池的連線意外中斷，蓄電池本身電極的斷裂斷路，會(huì)形成蓄電池單拋；兩種單拋情況同時(shí)出現(xiàn)，概率雖然極小，但就制造商而言，應(yīng)從萬(wàn)全出發(fā)進(jìn)行試驗(yàn)，本文研究的就是雙拋模型。

發(fā)電機(jī)在拋負(fù)載時(shí)，其與負(fù)載之間的電路上電流突然中斷為零，電路中的電流變化率di/dt很大，發(fā)電機(jī)定子線圈的電感量為L(zhǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為V=L×di/dt，其感生電動(dòng)勢(shì)方向與原電極方向相同。根據(jù)電機(jī)與電路結(jié)構(gòu)不同，L的值在幾至數(shù)十毫亨之間，電流di約為數(shù)十安培左右，斷電時(shí)間dt約為數(shù)十微秒級(jí)，代入上式可知，感應(yīng)電壓V值最高可達(dá)數(shù)百至數(shù)千伏特。如此高的感應(yīng)電壓，將對(duì)電氣線路、用電設(shè)備及發(fā)電機(jī)造成不可逆的損害。因此，開(kāi)展發(fā)電機(jī)拋負(fù)載的研究有著非常重要的實(shí)際意義。

解決發(fā)電機(jī)拋負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)高電壓，目前國(guó)內(nèi)有多種技術(shù)方案，本文介紹的是在發(fā)電機(jī)直流輸出端并聯(lián)所謂“瞬態(tài)抑制二極管”（Transient Voltage Suppressor）的技術(shù)方案。該管有正負(fù)兩個(gè)電極，使用中，將管子的正極與發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)極相連，管子的負(fù)極與發(fā)電機(jī)輸出的正極相連，管子的反向耐壓略高于發(fā)電機(jī)輸出電壓。在正常發(fā)電供電情況下，該管正向處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)電流流過(guò)，管子的反向耐壓因高于發(fā)電機(jī)輸出的電壓，也沒(méi)有反向電流流過(guò)。但發(fā)生發(fā)電機(jī)拋負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電壓升高，一旦達(dá)到了瞬態(tài)抑制二極管的反向擊穿電壓，該管中即發(fā)生了雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生了反向雪崩電流，當(dāng)反向電流值等于原發(fā)電機(jī)輸出電流值時(shí)，發(fā)電機(jī)中的電流變化值di=0，感應(yīng)電壓V=L×di/dt=0，發(fā)電機(jī)及用電線路就得到了保護(hù)。管子中的反向電流流動(dòng)時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，一般為數(shù)十毫秒，這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓升高到管子的反向擊穿電壓后，該電壓值被發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器電路采樣得到，電壓調(diào)節(jié)器電路內(nèi)部將發(fā)生反饋動(dòng)作，將發(fā)電機(jī)輸出的直流電壓調(diào)回到正常設(shè)定值，瞬態(tài)抑制二極管中的反向電流也就會(huì)相應(yīng)停止了。瞬態(tài)抑制二極管只在發(fā)電機(jī)拋負(fù)載后的瞬間通電，其因起到抑制感應(yīng)高電壓的作用而得名。

黃山市瑞宏電器有限公司是國(guó)內(nèi)一家專業(yè)生產(chǎn)半導(dǎo)體功率器件及功率模塊的制造商，根據(jù)市場(chǎng)反饋，較早開(kāi)始了瞬態(tài)抑制二極管的研發(fā)及生產(chǎn)，已取得了多項(xiàng)技術(shù)成果，產(chǎn)品受到市場(chǎng)歡迎，本文介紹了研發(fā)工作中的相關(guān)資料。

1 瞬態(tài)抑制二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

為方便計(jì)算，以下采用以一臺(tái)汽車(chē)發(fā)電機(jī)輸出電路只并接一只瞬態(tài)抑制二極管的模型。

所述瞬態(tài)抑制二極管，其核心部分芯片由單晶硅經(jīng)擴(kuò)散成PN結(jié)制成，硅的密度為2.34g/cm3，硅的導(dǎo)熱系數(shù)為150W/（m·℃），硅的比熱容為0.7 J/（g·℃）。硅芯片的厚度通常取0.2 mm，外型通常為圓形，其圓的面積按每平方毫米通過(guò)1 A電流取值。圓形硅芯片的兩側(cè)用高溫纖料各焊上一片圓形的金屬電極，可選用的金屬有銅、鐵、鉬、柯伐合金等，本文通過(guò)計(jì)算，來(lái)優(yōu)選金屬電極的材質(zhì)及考察各元素在發(fā)生拋負(fù)載時(shí)的表現(xiàn)。

以汽車(chē)發(fā)電機(jī)輸出額定直流電壓24 V、輸出額定電流50 A為模型，配接的瞬態(tài)抑制二極管反向擊穿電壓為27 V，瞬態(tài)抑制二極管反向電流時(shí)間使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80 ms模型。

有關(guān)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算如下：

1.1 發(fā)電機(jī)拋負(fù)載時(shí)在芯片內(nèi)產(chǎn)生反向電流的功率及能量

功率：P=27×50=1 350 W；

能量：E=1 350×80×10-3=108 J。

1.2 硅芯片的熱容量

芯片面積：S=50mm2；芯片直徑：D=8mm；芯片厚度：d=0.2mm。

硅芯片的質(zhì)量：m=0.2×50×2.34×10-3=0.023 4 g。

硅芯片的熱容量：Q=0.023 4×180×0.7=2.948 4 J。

這里是按硅芯片的最高耐熱溫度180℃計(jì)算的?？梢钥闯?，硅芯片在溫升180℃時(shí)的熱容量為2.948 4 J，與抑制拋負(fù)載所產(chǎn)生的總熱量108 J相比，可以忽略。

1.3 硅芯片通過(guò)電流時(shí)中心部位與表面的溫差

拋負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的反向電流流過(guò)PN結(jié)，發(fā)熱量近似看作發(fā)生在硅芯片的中部，其能量的一半分別流向兩個(gè)側(cè)面。則：

中心部位與表面的溫差：

在忽略硅芯片本身熱容量情況下，設(shè)芯片所產(chǎn)生熱量全部外傳，硅芯片中心部位與其二表面的溫差為9℃。硅芯片中心溫度為180℃時(shí)，其表面溫度為171℃。

1.4 金屬電極的熱容量

設(shè)金屬電極的厚度：d=1 mm；電極面積：S=50 mm2；電極直徑：D=8 mm。采用不同金屬制成電極后其參數(shù)如表1所示。

分析表1可知，鐵與柯伐合金材質(zhì)做的金屬電極儲(chǔ)熱能力較好。硅芯片兩側(cè)所附的兩片電極在171℃條件下，無(wú)論材質(zhì)如何，其吸收的總熱量均小于抑制所產(chǎn)生的總熱量108 J。換言之，瞬態(tài)抑制二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用一片硅芯片加兩片金屬電極，其合成熱容量不能吸儲(chǔ)抑制所產(chǎn)生的總熱量，必須再增加另外吸儲(chǔ)熱量的金屬物，例如金屬管座。

表1 幾種金屬電極的質(zhì)量及熱容量

1.5 金屬電極雙面的溫差

從上述分析知，必須在芯片的某片金屬電極外再增設(shè)金屬物，以協(xié)助儲(chǔ)藏抑制熱量，該熱將通過(guò)某片金屬電極，在其雙面形成溫差。為簡(jiǎn)化計(jì)算，近似取抑制熱量108 J的50%——54 J，被硅芯片和兩電極所吸儲(chǔ)；另有抑制熱量54 J，以發(fā)熱功率1 350 W的50%等于675 W的熱量流的形式，通過(guò)某單側(cè)金屬電極傳向外接金屬物儲(chǔ)存。上述熱量流流過(guò)單側(cè)電極后在電極兩側(cè)形成的溫差如表2所示。

表2 幾種金屬電極流過(guò)熱量后的溫差及電極外側(cè)溫度

分析表2可知，鐵與柯伐合金材質(zhì)做的金屬電極，其電極雙面的溫差很大。換言之，這兩種材料不能用于制造瞬態(tài)抑制二極管的金屬電極，否則會(huì)發(fā)生抑制所產(chǎn)生的熱量被“悶”在芯片內(nèi)部，傳導(dǎo)不出去，燒毀硅芯片的事故。銅與鉬材質(zhì)，都可制造抑制二極管的金屬電極。額定電流較小、電極面積較小時(shí)，優(yōu)選銅；額定電流較大、電極面積較大時(shí)，為避免銅電極與硅的熱脹系數(shù)差異較大形成應(yīng)力，優(yōu)選鉬。

1.6 外接金屬銅管座

芯片的外接金屬物一般都取銅材質(zhì)，做成管座型式，既可以吸儲(chǔ)熱量，又可以支撐芯片，還可以作為一個(gè)引出電極。在汽車(chē)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，負(fù)極多為搭鐵，所以大功率的瞬態(tài)抑制二極管的正極與銅管座相接，負(fù)極引出線與發(fā)電機(jī)的正極相連；小功率的瞬態(tài)抑制二極管的正極、負(fù)極各一半數(shù)量與銅管座相接。

銅管座的質(zhì)量決定了吸儲(chǔ)熱量的能力，將銅管座近似看成圓柱體，一端與芯片電極相焊連，其溫度等于芯片的外側(cè)溫度，另一端與環(huán)境相連，取25℃，則吸儲(chǔ)54 J熱量時(shí)所需的最小質(zhì)量：

計(jì)算得到本模型瞬態(tài)抑制二極管的銅底座重量條件不小于2.4 g或3.7 g，這在生產(chǎn)中極易滿足，因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)上的功率半導(dǎo)體銅管座，其重量都不小于5 g。

2 商品形式的瞬態(tài)抑制二極管

瞬態(tài)抑制二極管目前常見(jiàn)的商品形式有兩種。第一種如本文模式，每臺(tái)汽車(chē)發(fā)電機(jī)只用一只瞬態(tài)抑制二極管，吸收功率較大，能承受發(fā)電機(jī)重復(fù)拋負(fù)載的沖擊。因瞬態(tài)抑制二極管是獨(dú)立設(shè)計(jì)，參數(shù)余量大，無(wú)需配對(duì)配組使用，所以可靠性高，易于量產(chǎn)。這種形式多用于輸出功率較大的汽車(chē)發(fā)電機(jī)，采用的銅管座如圖1所示，座重11 g。

圖1 形式一采用的銅管座

第二種形式是將發(fā)電機(jī)橋式整流器上的普通整流二極管，做成瞬態(tài)抑制二極管，利用其正向進(jìn)行整流，利用其反向抑制發(fā)電機(jī)的拋負(fù)載沖擊。汽車(chē)發(fā)電機(jī)多為三相交流電，使用三相全波整流電路，計(jì)用六只普通整流二極管，如將六只管子都做成瞬態(tài)抑制二極管，無(wú)論何時(shí)發(fā)生拋負(fù)載現(xiàn)象，至少有兩只處于反向狀態(tài)的管子同時(shí)承受拋負(fù)載的沖擊。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是不需另外設(shè)立獨(dú)立的功率較大的瞬態(tài)抑制二極管，簡(jiǎn)化了電路；缺點(diǎn)是六只二極管的反向雪崩電壓值需要配組齊整，誤差≤±0.1 V，誤差超過(guò)此范圍，在承受拋負(fù)載沖擊時(shí)，反向擊穿電壓偏低的管子容易受到損壞。因?yàn)閷?duì)反向擊穿電壓參數(shù)值要求較嚴(yán)，制造成本間接提高。這種形式多用于輸出功率較小的汽車(chē)發(fā)電機(jī)，采用的銅底座如圖2所示，座重5 g。

圖2 形式二采用的銅管座

3 結(jié)語(yǔ)

瞬態(tài)抑制二極管能有效吸收汽車(chē)發(fā)電機(jī)拋負(fù)載時(shí)的沖擊能量，且可靠性高、體積小、制造成本低，是一種優(yōu)良的新型電力電子器件。