摘 要：叙述了汽车抛负载电压的产生、危害及其抑制方法。在交流发电机专机上进行了抛负载试验的再研究，说明只有采用高雪崩性能的二极管整流组件，才能确保通过抛负载试验，满足交流发电机的应用要求。简述了制造车用高雪崩性能二极管的基本方法。新能源
一、何为抛负载试验?
在汽车用交流发电机和电子式电压调节器的国家标准都规定了必须进行抛负载试验[1][2]。
两个标准都明确规定：“在所配交流发电机额定转速及额定电流下10s，立即抛负载(包括蓄电池)转入空载运行15s，为一次抛负载，共进行100次。”
所谓抛负载，就是对正常运行的汽车交流发电机突然切断负载，这叫单抛。在切断负载的同时又切断蓄电池，叫做双抛。由于汽车运行过程的高可靠性，我国制定的抛负载试验，必然有其内在的合理性。不仅对交流发电机、电子电压调节器，而且对整流桥组件都是必须的试验。
不言而喻，抛负载试验是非常严酷的破坏性试验。
汽车上，很多地方的电器都要承受抛负载电压的冲击，如：点火模块、电子调节器等。为了汽车的安全性和使用寿命，这些关键件都必须进行抛负载电压的冲击试验。交流发电机的抛负载试验越来越成为被关注的试验项目。只有经得起抛负载试验的整流桥方能装在交流发电机组里。
二、抛负载电压的产生和危害[3][4][5]
抛负载试验中产生的抛负载瞬变电压主要产生于交流发电机[3]。包括①负载突然断开(负载单抛)，②蓄电池突然断开(蓄电池单抛)，③负载、蓄电池同时断开(双抛)，④调节器失效。
除去上述交流发电机断开负载所造成的抛负载瞬变电压外，汽车电路中还经常有其它类似的瞬态脉冲电压产生，现将所有这些常见的典型瞬态脉冲电压列表如下(见表1)[4]。
如上表所示：瞬态脉冲电压主要有三种[5]，即：
1、负载突变瞬态过电压，特别是在交流发电机满负载工作时，突然断开与蓄电池的连线而产生。这种瞬变过电压可以在100微秒内上升到25~125V。
2、磁场衰减过电压，如停车时，断开点火开关瞬间，此时磁场绕组产生的自感电动势可达50~100V，最大120V。
3、切换电感性负载过电压，汽车上的电感性负载有点火线圈、电磁继电器、空调离合器、雨刮器、电动机和电喇叭等，其最高峰值可达-300V，持续时间在300ms左右。
上述抛负载瞬变电压，如同功率器件的浪涌电流一样，是客观存在的，是经常发生的、甚至是双因素(双抛)多因素(多抛)的极端情况，即统称谓故障电压。
三、抛负载电压产生的理论[6][7]
汽车上广泛采用的是带硅二极管整流桥的三相同步交流发电机。交流发电机断开电阻性负载(即所谓抛负载)是正常现象。在断开负载时，交流发电机定子绕组中的电流会突然减小(即产生高di/dt)，而定子绕组具有一定的阻抗Z，这个阻抗Z是由绕组的电阻r和感抗Lx合成的，即：
四、以往的抛负载试验[5][3]及研究
以下是某一个试验的数据和图形[5]。图1、图2是普通整流桥与雪崩整流桥抛固定电阻负载的情况。
普通二极管整流桥将产生很高的抛负载电压，如试验中出现的90V，有时高达170V。这对交流发电机以及调节器等带来破坏，从而对调节器性能提出过高要求。
2显然这是很不利的。现在一般不再用指数波形来检验雪崩能力。
试验中出现的90V，有时高达170V。这对交流发电机以及调节器等带来破坏，从而对调节器性能提出过高要求。显然这是很不利的。现在一般不再用指数波形来检验雪崩能力。
图2为雪崩整流器桥，它能有效防止过高电压的生产，这得益于雪崩整流二极管的特别箝位功能，即车用雪崩整流二极管有抑制过大瞬态电压的作用。
如下图3，脉冲宽度为tW、电流为IPPM、及具有一定上升时间的方波电流时，相当于瞬时施加一个大电流，注入大量载流子，检验在这样短的时间段内，管子是否能够承受住雪崩电流的冲击。
所耗散的能量E或叫焦耳功：
E= PRSM × tW =1000×80×310−=80J。
以往的反向重复峰值浪涌电流IRSM的提法有些不妥，应改为脉冲方波最大峰值电流IPPM，因为IRSM容易和反向不重复峰值漏电流
相混淆。
现在一律采用方波测试。这样对雪崩能力的检测可以有以下三种表示方法，三种方法是等效的：
1、即在脉冲方波宽度、雪崩电压固定的情况下，用最大脉冲方波电流IPPM 来表示，如汽车用雪崩二极管，就用一个IPPM表示;此方法适用于长脉冲宽度的雪崩能力的检测，如脉宽80毫秒。
2、对一般雪崩二极管，通常都用雪崩耗散功率PRSM来表示雪崩能力;此表示方法适用于短脉冲宽度，如脉宽20微秒。
3、把雪崩电流、雪崩电压和脉冲持续时间都考虑进去，就是雪崩能量E，或叫焦耳功，这是最本质的表示方法。
五、抛负载试验研究
我们用无锡华胜动力测试仪器厂生产的HSFD-3型交流发电机性能测试仪、LDTQ-3型发电机调节器性能测试控制台对现在生产的车用整流桥组件和调节器进行抛负载试验。
汽车用交流发电机在启动过程中，当输出电压将要达到额定电压的瞬间，此时励磁开关管还处于饱和导通状态，输出电压(略小于额定电压)全部加在励磁线圈跟与之串联的励磁开关管两端。故励磁电流几乎达到最大值。
下面是一款汽车用交流发电机空载实验：
输出额定电压：U额=14.5v
励磁线圈的直流电阻：RF=3Ω
设：励磁开关管的饱和压降：U饱和=1V(一般，达林顿功率管的U饱和=1.2v左右，场效应功率管的 U饱和=0.4-----0.8v)
测得碳刷本体电阻+滑环接触电阻：R接=0.5Ω
励磁线圈上的电流强度为: IF =UF/R总
加在励磁电路两端的电压：UF=U额-U饱和=14.5v-1V=13.5V
又 R总=RF+R接=3Ω+0.5Ω=3.5Ω
∴ IF =UF/R总=13.5v/3.5Ω=3.86A
把该款发动机装在测试台上，拆除调节器，用外接恒流电源提供励磁电流把IF调到3.86A，然后，启动原动力机并逐渐加速测得下面一组数据：
显然，该发电机的转速、电压曲线近似一条直线。通过以上实例说明汽车用发电机的空载工作点没有像普通交流发电机那样工作在磁滞回线的弯曲部分，而是工作在直线部分，为了得到稳定的输出电压，只能靠调节器的陡峭的工作曲线进行调节。
当汽车用交流发电机在额定转速下满载运行时，励磁开关管全部导通，励磁电流达到最大值，产生的磁场变化增量(dΦ/dt)用以抵消电枢反应。此时如果突然卸去负载，即抛负载试验。，虽然励磁开关管关断，根据电感线圈上的电流不能突变的原理，激磁线圈中的电流不能立刻消失。它将按原来的方向通过续流二极管继续流动。在开关管关断的瞬间其电流并不减小。(经过一个τ=L/R的时间才减小到原来的37%)此瞬间相当于额定转速下的空载运行，产生的脉冲电压要达到额定电压的6.6倍左右。对于14V系列发电机，峰值电压U峰=14.5V×6.6=95.7V(跟上例十分接近)。同理28V系列发电机的峰值电压应在180V左右。
以上就是汽车用交流发电机，抛负载时产生高压脉冲的状态。上例的实验也有效的证明了这一结论。以下为我们做的抛负载试验的结果。
1、普通整流桥。抛负载电压，从示波器观察到，一般为小于140V，最高Vmax=145V。对普通整流桥，当调节器功率管反压低于145V，调节器被损坏。显然对调节器要求比较高，造成调节器成本提高;而当组成整流桥的二极管有软特性时，导致整流桥损坏。而严格了二极管的特性质量检查后，不再出现损坏现象。
2、对雪崩整流桥，从示波器观察到，一般小于40V，最高观察到Vmax=42V。当桥中某单管性能劣化，因击穿而使整流桥损坏;当组成桥的各雪崩二极管的雪崩电压分散较大时，如△VB≥1.0V后,也会出现整流桥损坏.
3、有的损坏发生在多次抛负载后，是可靠性不够引起。
总之，抛负载试验对剔除早期失效的整流桥有作用。特别是针对雪崩整流桥，对雪崩电压分散性大的整流桥有剔除作用。
六、对抛负载电压的抑制[4]
对抛负载电压的抑制办法，可以从线路保护入手，采用各种过电压的抑制电路如：电容器抑制电路、稳压管抑制电路、稳压管加继电器抑制电路、晶闸管抑制电路等，还有采用加压敏电阻或过压斩波器等。所有这些方法都只能解决表面问题，不能从根本上杜绝。前者反映速度慢，有时起不到保护作用;后者结构复杂、成本高、可靠性差。关键是增加这些额外重量，对高档轿车的发展更是相当不利的。
根本解决的方法是从提高二极管的性能入手，即采用信念优良的雪崩二极管。车用雪崩整流二极管具显然，该发电机的转速、电压曲线近似一条直线。通过以上实例说明汽车用发电机的空载工作点没有像普通交流发电机那样工作在磁滞回线的弯曲部分，而是工作在直线部分，为了得到稳定的输出电压，只能靠调节器的陡峭的工作曲线进行调节。
当汽车用交流发电机在额定转速下满载运行时，励磁开关管全部导通，励磁电流达到最大值，产生的磁场变化增量(dΦ/dt)用以抵消电枢反应。此时如果突然卸去负载，即抛负载试验。，虽然励磁开关管关断，根据电感线圈上的电流不能突变的原理，激磁线圈中的电流不能立刻消失。它将按原来的方向通过续流二极管继续流动。在开关管关断的瞬间其电流并不减小。(经过一个τ=L/R的时间才减小到原来的37%)此瞬间相当于额定转速下的空载运行，产生的脉冲电压要达到额定电压的6.6倍左右。对于14V系列发电机，峰值电压U峰=14.5V×6.6=95.7V(跟上例十分接近)。同理28V系列发电机的峰值电压应在180V左右。
以上就是汽车用交流发电机，抛负载时产生高压脉冲的状态。上例的实验也有效的证明了这一结论。以下为我们做的抛负载试验的结果。
1、普通整流桥。抛负载电压，从示波器观察到，一般为小于140V，最高Vmax=145V。对普通整流桥，当调节器功率管反压低于145V，调节器被损坏。显然对调节器要求比较高，造成调节器成本提高;而当组成整流桥的二极管有软特性时，导致整流桥损坏。而严格了二极管的特性质量检查后，不再出现损坏现象。
2、对雪崩整流桥，从示波器观察到，一般小于40V，最高观察到Vmax=42V。当桥中某单管性能劣化，因击穿而使整流桥损坏;当组成桥的各雪崩二极管的雪崩电压分散较大时，如△VB≥1.0V后,也会出现整流桥损坏.
3、有的损坏发生在多次抛负载后，是可靠性不够引起。
总之，抛负载试验对剔除早期失效的整流桥有作用。特别是针对雪崩整流桥，对雪崩电压分散性大的整流桥有剔除作用。
六、对抛负载电压的抑制[4]
对抛负载电压的抑制办法，可以从线路保护入手，采用各种过电压的抑制电路如：电容器抑制电路、稳压管抑制电路、稳压管加继电器抑制电路、晶闸管抑制电路等，还有采用加压敏电阻或过压斩波器等。所有这些方法都只能解决表面问题，不能从根本上杜绝。前者反映速度慢，有时起不到保护作用;后者结构复杂、成本高、可靠性差。关键是增加这些额外重量，对高档轿车的发展更是相当不利的。
根本解决的方法是从提高二极管的性能入手，即采用信念优良的雪崩二极管。车用雪崩整流二极管具有高雪崩性能、高反向软恢复性能、高耐温、对过压保护反映速度快(达9~10秒!)，是现在能找到的最快反映速度，能很好保护电子调节器和中央处理器ECU[3]。
高耐压的一般整流桥用二极管，只有阻挡高抛负载电压的能力，没有箝位功能，这个高抛负载电压照样存在，对其它用电器的破坏就是必然的。只有由雪崩二极管构成的整流桥，因其高箝位作用，故能彻底解决抛负载瞬变电压的破坏力，确保汽车调节器、中央处理器ECU的安全运转，确保汽车、特别是高档轿车的安全、长久、可靠运行。
七、提高雪崩二极管抗抛负载能力
提高雪崩二极管抗抛负载能力就是提高二极管器件的雪崩能力。
1、采用截面电阻率均匀的尽可能低电阻率的硅单晶，特别是采用电流扩展更快的(100)晶向的硅单晶。[8]
2、采用非穿通的雪崩结构，减少高温次数，即尽量采用一次全扩散工艺，确保整个加工过程的无应力操作[9][10]。在保证静态雪崩能力的同时，确保动态雪崩能力[11]。
3、严格按△VF→DVR→IPPM→△VF→DVR的综合测试程序进行测试;一定要通过1万次以上的热疲劳试验;严格按80ms脉宽下测IPPM 。只有严格按标准检测合格的OJ工艺的雪崩二极管，方可装配在整流桥组件上[9]。
4、在抛负载试验台上，按规定的程序规定的抽检数量，连续100次抛负载试验，没有任何变化，才可认为是合格整流桥产品。由于抛负载试验是破坏性试验，故严格讲，抛负载试验后的产品是不能再装到主机上的。为此对于有些发电机厂为了减少实验时间，采用快速抛负载实验(如啪啪啪几秒钟就十次试验)，显然是不妥当的。
八、结语
抛负载试验是我国汽车电机电器电子行业的一个特有的试验方法，它对抑制质量低劣的二极管流入交流发电机主机，起了重要阻挡作用。考虑到国外的交流发电机并没有这个试验项目，考虑到全抛负载的情况在汽车正常运行过程中，是一定不能出现的现实，积极探索一种更为有效、科学的试验方法取代抛负载试验是完全必要的。
参考文献：
[1]JB/T6710-2006 机动车及内燃机用交流发电机技术条件(S)4.8.5
[2]JB/T6709-2006 机动车及内燃机用交流发电机电子式电压调节器技术条件(S) 4.10 抛负荷试验
[3]周立敬：车用雪崩整流二极管反向浪涌电流的计算、
4
测试及应用(J)《汽车电器信息》2010第6期 45
[4]赵玉贵：车用雪崩整流二极管反向浪涌电流承受能力的测试验证(C)《车用电机电器电子技术论文集》第三集2006 101
[5]李俄收：汽车电气系统过电压的产生及其抑制分析(C)《车用电机电器电子技术论文集》第三集2006.10 P113
[6]邢艳云等编：汽车电器(M) 科学出版社2009.10 61
[7]姚亚夫，周海军：汽车抛负载电压的理论与试验研究(J) 《汽车工程》2002 24卷5
[8]关艳霞、潘福泉：(100)晶向硅片和功率半导体器件[J] 《变频技术应用》2011第3期
[9]张晓民等：车用雪崩整流二极管的现状和发展[J]《变频技术应用》第6期2009， 18
[10]关艳霞等：车用雪崩整流二极管反向过电流能力的研究[J]《变频技术应用》第1期2011 55
[11]游佩武等：二极管雪崩电压线性正温度特性研究[J]《变频技术应用》2010第5期 56
张晓民：徐州奥尼克汽车电器有限公司董事长，江苏省汽车整流桥工程技术研究中心主任，高级工程师。
潘福泉：徐州奥尼克汽车电器有限公司总工程师，江苏省汽车整流桥工程技术研究中心常务副主任。
