汽車發(fā)電機(jī)用整流橋失效模式研究

胡云峰

（錦州東佑精工有限公司，遼寧 錦州 121007）

目前隨著汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車已被越來(lái)越多的家庭所使用，人們除了對(duì)汽車動(dòng)力性能上的一貫要求外，還對(duì)汽車內(nèi)在的電器功能要求越來(lái)越網(wǎng)聯(lián)化、智能化。同時(shí)伴隨著汽車用電量消耗需求的不斷增大，對(duì)汽車提供電能的交流發(fā)電機(jī)輸出功率等性能指標(biāo)提出了更高的要求。整流橋是車用發(fā)電機(jī)的重要核心部件之一，是給整體汽車工程中的電氣化、智能化設(shè)備提供直流電的來(lái)源。在汽車整體功能中發(fā)電機(jī)用整流橋的功能直接影響用戶對(duì)于汽車整體的使用感受，發(fā)電機(jī)用整流橋的安全問(wèn)題是整體汽車驗(yàn)收是否合格的重要前提之一，整流橋出現(xiàn)功能失效不但影響發(fā)電機(jī)是否能輸出符合要求的直流電，而且直接影響到顧客使用電器的感受和駕駛安全。所以，針對(duì)汽車發(fā)電機(jī)用整流橋失效模式進(jìn)行分析研究，是進(jìn)行汽車工程品質(zhì)功能展開的必要前提，也是控制汽車電控系統(tǒng)安全輸出的重要環(huán)節(jié)。

1 汽車發(fā)電機(jī)用整流橋的基本結(jié)構(gòu)

1.1 常用整流橋

汽車用交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部最常用的是硅二極管進(jìn)行組合工作的整流單元，根據(jù)輸出功能的不同，常見的分為6管、8管、9管、11管、12管整流橋。以目前應(yīng)用比較廣泛的9管整流橋?yàn)槔?管的意思就是具有9個(gè)硅二極管的整流橋，其中6個(gè)硅二極管組成整流工作主單元，利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣靼l(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓，另外3個(gè)輔助二極管提供通過(guò)發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁繞阻的電流，稱為勵(lì)磁二極管。9管整流橋和配套的電壓調(diào)節(jié)器組合工作，不僅可以控制充電指示燈指示蓄電池的充電情況，指示充電系統(tǒng)是否發(fā)生故障，還可以在停車時(shí)，提醒駕駛員斷開點(diǎn)火開關(guān)。目前常見的6管、8管、12管整流橋已取消了電路板上勵(lì)磁二極管的電路而改為直接在調(diào)節(jié)器內(nèi)部芯片端進(jìn)行控制。

以常見的取消勵(lì)磁二極管的6管整流橋?yàn)槔?，其基本結(jié)構(gòu)包括正負(fù)極散熱片上分別焊接有正負(fù)極二極管，電路板位于絕緣罩和正極散熱片之間，正負(fù)極二極管合并安裝后垂直插入電路板的主二極管焊接孔位中。正極散熱片和負(fù)極散熱片之間有絕緣套管進(jìn)行隔離，防止正負(fù)極搭接短路。電容安裝在負(fù)極散熱片和電路板之間，用錫焊的方式把電容的端子和電路板B+點(diǎn)進(jìn)行連接。用花鍵螺栓壓入方式把絕緣罩、電路板、散熱片進(jìn)行壓緊連接。具體如圖1所示。

1.2 新式整流橋

圖1 6管整流橋

近些年隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化要求的不斷提高，研發(fā)出了在汽車高端發(fā)電機(jī)上已普遍應(yīng)用的新式整流橋產(chǎn)品，此整流橋負(fù)極散熱片直接采用發(fā)電機(jī)后殼替代，從而減少了產(chǎn)品部件數(shù)量和失效模式的產(chǎn)生。因此以車用發(fā)電機(jī)用9管整流橋?yàn)榇淼恼鳂蛞苍谥鸩奖恍率礁叨苏鳂蛉〈Ｒ猿Ｒ姷陌l(fā)電機(jī)一體式6管整流橋?yàn)槔?，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要包括正負(fù)極散熱片、正負(fù)極二極管、電路板。負(fù)極散熱片為發(fā)電機(jī)端蓋，電路板位于正負(fù)極散熱片之間，正負(fù)極散熱片、電路板通過(guò)絕緣連接座、螺栓固接在一起。其特征在于：正負(fù)極散熱片的二極管壓入孔分別為3個(gè)，且分別壓入二極管，二極管壓入孔沿所在散熱片徑向排布，正負(fù)極散熱片的二極管壓入孔交錯(cuò)排布，所述正負(fù)極二極管的引腳露出二極管壓入孔的部分垂直于水平面，電路板的預(yù)埋片對(duì)應(yīng)正負(fù)極二極管引腳的位置分別設(shè)有與水平面垂直的折彎，折彎與正負(fù)極二極管的引腳點(diǎn)焊連接。分體圖具體見圖2所示，組合圖見圖3。

圖2 分體圖

相對(duì)于圖1結(jié)構(gòu)的整流橋，圖3結(jié)構(gòu)整流橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、輸出功率高且穩(wěn)定、二極管使用壽命延長(zhǎng)、散熱性能好等特點(diǎn)。

圖3 組合圖

2 汽車交流發(fā)電機(jī)常見6管整流橋工作原理

1）發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的是交流電，是靠6支二極管組成的三相橋式整流電路變?yōu)橹绷麟姷摹Ｓ捎诙O管有0.6V的門坎電壓，所以汽車用交流發(fā)電機(jī)只有在發(fā)電機(jī)較高轉(zhuǎn)速的時(shí)候才能自己發(fā)電，稱為自勵(lì)過(guò)程。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由蓄電池供給電流，稱為他勵(lì)過(guò)程。因此，交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，要先經(jīng)過(guò)他勵(lì)過(guò)程，再經(jīng)過(guò)自勵(lì)過(guò)程。如圖4所示。

圖4 三相橋式整流電路及電壓波形

2）二極管具有單向?qū)щ娦?，?dāng)給二極管加上正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，當(dāng)給二極管加上反向電壓時(shí)，二極管截止。3只正極管中，在某一瞬間正極電位 （電壓）最高者導(dǎo)通。3只負(fù)極管中，在某一瞬間正極電位 （電壓）最低者導(dǎo)通，如圖5所示。

圖5 二極管單向?qū)щ娦?/p>

3）三相橋式整流電路中二極管的依次循環(huán)導(dǎo)通，使得負(fù)載RL兩端得到一個(gè)比較平穩(wěn)的脈動(dòng)直流電壓。對(duì)于三相正極二極管D1、D3、D5正極和發(fā)電機(jī)定子繞組始端相聯(lián)，在某瞬時(shí)，電壓最高一相的正極二極管導(dǎo)通。對(duì)于3個(gè)負(fù)極二極管D2、D4、D6負(fù)極和發(fā)電機(jī)定子繞組始端相聯(lián)，在某瞬時(shí)，電壓最低一相的負(fù)極二極管導(dǎo)通。電路中，同時(shí)導(dǎo)通的二極管總是2個(gè)，分別是正負(fù)極管子各1個(gè)。將定子的三相繞組和6只整流二極管按電路連接，發(fā)電機(jī)的輸出端B、E上就輸出一個(gè)脈動(dòng)直流電壓，如圖4b、4c所示，這就是汽車發(fā)電機(jī)用整流橋的基本工作原理。

3 汽車發(fā)電機(jī)用整流橋失效模式研究

3.1 整流橋整流功能失效導(dǎo)致發(fā)電機(jī)直接輸出交流電

3.1.1 整流橋失效狀態(tài)

整流橋的作用是把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)過(guò)整流變成直流電輸送給汽車電器系統(tǒng)。如果整流橋整流功能失效，發(fā)電機(jī)把未經(jīng)過(guò)整流的交流電直接輸送給汽車電器系統(tǒng)，會(huì)直接導(dǎo)致汽車電器發(fā)生故障，同時(shí)發(fā)電機(jī)會(huì)有異常噪音產(chǎn)生。

整流橋正常狀態(tài)電路板T點(diǎn)和二極管輸出點(diǎn)可測(cè)試輔助二極管壓降0.5V左右，用萬(wàn)用表測(cè)試T點(diǎn)呈現(xiàn)短路擊穿狀態(tài)時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)整流橋電路板上輔助二極管呈現(xiàn)炸裂現(xiàn)象 （圖6）。根據(jù)勵(lì)磁電流大小，勵(lì)磁二極管通常采用2A、2.5A、3A、6A塑封二極管。以規(guī)格為2A的勵(lì)磁二極管進(jìn)行以下分析。

1）同規(guī)格整流橋正常勵(lì)磁電流為：12V／（3）=4A左右，分配到3個(gè)輔助二極管時(shí)每個(gè)約為1.3A（所用），如果1支輔助二極管反向漏電流突然增大超出極限時(shí)，相當(dāng)于勵(lì)磁電流變?yōu)?支二極管承擔(dān)，勵(lì)磁時(shí)超載的勵(lì)磁二極管就會(huì)出現(xiàn)過(guò)流和擊穿現(xiàn)象。

2）當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器F端輸出高電壓形成超負(fù)載時(shí)，F(xiàn)N是二極管工作的上限頻率，超過(guò)此值時(shí)會(huì)因?yàn)榻Y(jié)電容的作用，二極管將不能正常工作。VPM是二極管工作允許外加的最大反向工作電壓，超過(guò)此值時(shí)其二極管有可能因反向擊穿而損壞。此時(shí)超過(guò)勵(lì)磁二極管耐受值后過(guò)載的二極管會(huì)形成反向過(guò)流炸裂。見圖7，X光顯示二極管內(nèi)部焊錫均出現(xiàn)過(guò)流導(dǎo)致的絮狀飛濺是典型的二極管過(guò)流現(xiàn)象。

圖6 二極管炸裂

圖7 二極管內(nèi)部過(guò)流

3.1.2 工作溫度過(guò)高導(dǎo)致二極管失效

1）整流二極管性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求：IR≤200nA（V=20V），實(shí)際為：VB=26.72V，IR=37nA，測(cè)試結(jié)果顯示符合標(biāo)準(zhǔn)要求。進(jìn)一步分析可能為外部原因?qū)е?，二極管工作環(huán)境產(chǎn)生異常因素導(dǎo)致整流過(guò)程中二極管工作溫度超過(guò)二極管最大工作溫度。整流二極管最大工作殼溫Tcmax=190℃，一旦超過(guò)最大殼溫時(shí)，整流二極管電性能將會(huì)發(fā)生變化，反向漏電增大、反向曲線變軟，反向功耗不斷增大，溫度不斷升高，此時(shí)所有正極二極管焊料呈現(xiàn)收縮現(xiàn)象，以上現(xiàn)象證明二極管在發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中暴露在高溫環(huán)境中，因此內(nèi)部焊料再熔化和焊料向下流動(dòng)到芯片的底側(cè)，造成芯片EOS被破壞，整流二極管性能失效。

2）整流二極管塑料環(huán)熔化溫度≥260℃、環(huán)氧碳化溫度超過(guò)300℃、芯片完全燒蝕熔化溫度1400℃、焊接面銅材熔化溫度1083℃。電性能VF@100A＜1140mV，Vz@100mA 24～29V，IR@20V＜0.2uA。由于整流橋輸出功率較大，二極管因此產(chǎn)生的總熱量較多，如不能及時(shí)把這些熱量散發(fā)出去就會(huì)在內(nèi)部形成偏大熱阻。當(dāng)有超過(guò)上值界限的大電流流經(jīng)二極管時(shí)，就極易造成二極管芯片內(nèi)部燒毀形成短路。由于短路后流續(xù)電流經(jīng)過(guò)二極管造成內(nèi)部繼續(xù)產(chǎn)生高溫，加劇芯片貫穿損毀并使芯片產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致二極管燒蝕。正極整流二極管失效后，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于空載轉(zhuǎn)速繼續(xù)正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)器形成高電位后保持恒定，會(huì)導(dǎo)致整流橋同組負(fù)極整流二極管擊穿、燒蝕。

3）進(jìn)一步對(duì)整流二極管生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行失效模式研究分析，從中了解到二極管焊接后導(dǎo)入下工序腐蝕模具時(shí)，有引線壓彎的現(xiàn)象，比例約為十萬(wàn)分之一。壓彎的引線會(huì)進(jìn)行校直，可能會(huì)使芯片受到應(yīng)力，在后續(xù)二極管壓裝時(shí)，機(jī)械應(yīng)力及發(fā)電機(jī)高溫工作時(shí)的熱應(yīng)力影響下，芯片產(chǎn)生裂紋，整流工作時(shí)芯片“打火”、短路，同時(shí)二極管產(chǎn)生高溫。IF是整流橋二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件有關(guān)。在外部規(guī)定散熱的條件下，整流時(shí)二極管正向平均電流若想超過(guò)此值，則會(huì)因溫度升高而燒蝕。因此不同型號(hào)的二極管有不同的最大整流電流。以35A整流二極管為例，高溫?zé)g現(xiàn)象見圖8。

圖8 高溫?zé)g的二極管

3.1.3 整流橋電容端正負(fù)極短路

對(duì)整流橋二極管壓降進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)要求0.5V，實(shí)際符合要求，表明二極管壓降正常。檢查整流橋電容殼體上端和電路板連接空隙處有焊錫流下，見圖9。萬(wàn)用表對(duì)電容的正負(fù)極進(jìn)行測(cè)量 （電容正負(fù)和散熱片正負(fù)極片是相連的），測(cè)試表顯示短路，見圖10。

圖9 焊錫搭接電容正負(fù)極

圖10 測(cè)量短路

用性能測(cè)試機(jī)對(duì)整流橋整體性能測(cè)試后，顯示見圖11。

圖11 整流橋整體性能測(cè)試

IR0測(cè)試值為105，初步斷定是典型的電容短路測(cè)試NG。造成電容短路的失效分析如下。

1）整流橋電路板和電容連接處多余焊錫成因：整流橋電容插入電路板焊接孔組裝完畢后，下一道用錫焊的方式進(jìn)行電容端子焊接，當(dāng)流水線工裝小車進(jìn)入焊接狀態(tài)時(shí)，如果此時(shí)正處于焊接，而前道工序工人按下釋放工裝的按鈕，上道工裝小車就會(huì)和正在焊接的工裝小車發(fā)生碰撞，此時(shí)電容端子和電路板孔焊接的焊錫未完全冷卻，導(dǎo)致整流橋受到撞擊之后焊錫就有輕微的流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。

2）焊接點(diǎn)流動(dòng)產(chǎn)生多余的焊錫部分與電容殼體并沒接觸上 （快接近碰上），所以性能測(cè)試機(jī)在測(cè)試時(shí)由于不存在電子線路短路，故無(wú)法檢測(cè)到性能NG。

3）發(fā)電機(jī)在整流橋組裝時(shí)由于有緊固螺釘打入電路板螺釘孔位，電路板受到擠壓，此時(shí)流動(dòng)移位的焊錫受擠壓和殼體產(chǎn)生搭接，整流橋電容正負(fù)極短路，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不發(fā)電。

3.2 整流橋B+端子短路導(dǎo)致整流功能失效

3.2.1 測(cè)試整流橋正極散熱片和發(fā)電機(jī)定子第三項(xiàng)間歇性短路

故障整流橋性能測(cè)試，VR項(xiàng)測(cè)試NG。整流橋外觀檢查發(fā)現(xiàn)電路板螺釘安裝孔位有不明金屬片外露。如圖12所示。

圖12 電路板螺釘安裝孔位有不明金屬片外露

用X光機(jī)進(jìn)行檢查對(duì)比發(fā)現(xiàn)，短路整流橋在X光下可見電路板預(yù)埋片上有異常金屬片 （圖13，正常品整流橋X光下電路板預(yù)埋片不存在金屬片。

圖13 X光檢查對(duì)比

由于異常金屬部分在電路板注塑過(guò)程中殘留在電路板螺釘安裝孔處，導(dǎo)致不明預(yù)埋片部分外露，電路板在組裝成整流橋后，在緊固螺釘較緊狀態(tài)或振動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致B+端子和正極散熱片出現(xiàn)虛接，由此產(chǎn)生整流橋B+端子短路失效模式。

3.2.2 電路板焊接端子和正極散熱片搭接導(dǎo)致整流失效

電路板上二極管焊接端子，在發(fā)電機(jī)安裝整流橋過(guò)程中，緊固螺栓擰緊時(shí)，電路板和正極散熱片壓緊后，電路板焊接端子和正極散熱片距離過(guò)近產(chǎn)生搭接。二極管焊接端子和正極散熱片搭接后直接導(dǎo)致整流橋電子線路短路，整流性能失效，發(fā)電機(jī)容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。如圖14所示。

圖14 焊接端子測(cè)量短路

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代汽車采用交流發(fā)電機(jī)作為主要電源，蓄電池作為輔助電源，由發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備提供電源并向蓄電池充電。在汽車交流發(fā)電機(jī)中，整流橋是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵部件之一。因此，要想提升汽車交流發(fā)電機(jī)的高性能和高品質(zhì)，除了提高定子、轉(zhuǎn)子和電壓調(diào)節(jié)器的性能之外，提高發(fā)電機(jī)用整流橋的性能和品質(zhì)是必須采取的措施之一。因此對(duì)整流橋在實(shí)際工作中經(jīng)常出現(xiàn)的失效模式進(jìn)行了分析研究。以上的研究對(duì)于整流橋的設(shè)計(jì)、研發(fā)、品質(zhì)管理等專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這是一種兼具理論和實(shí)踐相融合的技術(shù)總結(jié)。相關(guān)人員既要對(duì)整流橋的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行掌握，又要對(duì)整流橋出現(xiàn)的常見失效模式有快速分析和掌控的能力。通過(guò)對(duì)汽車發(fā)電機(jī)用整流橋失效模式的研究，以此提高車用多功能發(fā)電機(jī)的研發(fā)和失效模式控制的速度，才能更好地為顧客提供可靠的產(chǎn)品和高效、便捷的服務(wù)。