汽车发电机用整流桥失效模式研究

胡云峰

（锦州东佑精工有限公司，辽宁 锦州 121007）

目前随着汽车行业迅猛发展，汽车已被越来越多的家庭所使用，人们除了对汽车动力性能上的一贯要求外，还对汽车内在的电器功能要求越来越网联化、智能化。同时伴随着汽车用电量消耗需求的不断增大，对汽车提供电能的交流发电机输出功率等性能指标提出了更高的要求。整流桥是车用发电机的重要核心部件之一，是给整体汽车工程中的电气化、智能化设备提供直流电的来源。在汽车整体功能中发电机用整流桥的功能直接影响用户对于汽车整体的使用感受，发电机用整流桥的安全问题是整体汽车验收是否合格的重要前提之一，整流桥出现功能失效不但影响发电机是否能输出符合要求的直流电，而且直接影响到顾客使用电器的感受和驾驶安全。所以，针对汽车发电机用整流桥失效模式进行分析研究，是进行汽车工程品质功能展开的必要前提，也是控制汽车电控系统安全输出的重要环节。

1 汽车发电机用整流桥的基本结构

1.1 常用整流桥

汽车用交流发电机内部最常用的是硅二极管进行组合工作的整流单元，根据输出功能的不同，常见的分为6管、8管、9管、11管、12管整流桥。以目前应用比较广泛的9管整流桥为例，9管的意思就是具有9个硅二极管的整流桥，其中6个硅二极管组成整流工作主单元，利用二极管的单向导电性将交流发电机产生的交流电压转变成直流电压，另外3个辅助二极管提供通过发电机中的励磁绕阻的电流，称为励磁二极管。9管整流桥和配套的电压调节器组合工作，不仅可以控制充电指示灯指示蓄电池的充电情况，指示充电系统是否发生故障，还可以在停车时，提醒驾驶员断开点火开关。目前常见的6管、8管、12管整流桥已取消了电路板上励磁二极管的电路而改为直接在调节器内部芯片端进行控制。

以常见的取消励磁二极管的6管整流桥为例，其基本结构包括正负极散热片上分别焊接有正负极二极管，电路板位于绝缘罩和正极散热片之间，正负极二极管合并安装后垂直插入电路板的主二极管焊接孔位中。正极散热片和负极散热片之间有绝缘套管进行隔离，防止正负极搭接短路。电容安装在负极散热片和电路板之间，用锡焊的方式把电容的端子和电路板B+点进行连接。用花键螺栓压入方式把绝缘罩、电路板、散热片进行压紧连接。具体如图1所示。

1.2 新式整流桥

图1 6管整流桥

近些年随着汽车智能化、网联化要求的不断提高，研发出了在汽车高端发电机上已普遍应用的新式整流桥产品，此整流桥负极散热片直接采用发电机后壳替代，从而减少了产品部件数量和失效模式的产生。因此以车用发电机用9管整流桥为代表的整流桥也在逐步被新式高端整流桥取代。以常见的发电机一体式6管整流桥为例，其产品结构主要包括正负极散热片、正负极二极管、电路板。负极散热片为发电机端盖，电路板位于正负极散热片之间，正负极散热片、电路板通过绝缘连接座、螺栓固接在一起。其特征在于：正负极散热片的二极管压入孔分别为3个，且分别压入二极管，二极管压入孔沿所在散热片径向排布，正负极散热片的二极管压入孔交错排布，所述正负极二极管的引脚露出二极管压入孔的部分垂直于水平面，电路板的预埋片对应正负极二极管引脚的位置分别设有与水平面垂直的折弯，折弯与正负极二极管的引脚点焊连接。分体图具体见图2所示，组合图见图3。

图2 分体图

相对于图1结构的整流桥，图3结构整流桥具有结构简单、使用可靠、输出功率高且稳定、二极管使用寿命延长、散热性能好等特点。

图3 组合图

2 汽车交流发电机常见6管整流桥工作原理

1）发电机定子绕组中感应产生的是交流电，是靠6支二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。由于二极管有0.6V的门坎电压，所以汽车用交流发电机只有在发电机较高转速的时候才能自己发电，称为自励过程。当发电机的转速较低时，由蓄电池供给电流，称为他励过程。因此，交流发电机发电，要先经过他励过程，再经过自励过程。如图4所示。

图4 三相桥式整流电路及电压波形

2）二极管具有单向导电性，当给二极管加上正向电压时，二极管导通，当给二极管加上反向电压时，二极管截止。3只正极管中，在某一瞬间正极电位 （电压）最高者导通。3只负极管中，在某一瞬间正极电位 （电压）最低者导通，如图5所示。

图5 二极管单向导电性

3）三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通，使得负载RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压。对于三相正极二极管D1、D3、D5正极和发电机定子绕组始端相联，在某瞬时，电压最高一相的正极二极管导通。对于3个负极二极管D2、D4、D6负极和发电机定子绕组始端相联，在某瞬时，电压最低一相的负极二极管导通。电路中，同时导通的二极管总是2个，分别是正负极管子各1个。将定子的三相绕组和6只整流二极管按电路连接，发电机的输出端B、E上就输出一个脉动直流电压，如图4b、4c所示，这就是汽车发电机用整流桥的基本工作原理。

3 汽车发电机用整流桥失效模式研究

3.1 整流桥整流功能失效导致发电机直接输出交流电

3.1.1 整流桥失效状态

整流桥的作用是把发电机产生的交流电经过整流变成直流电输送给汽车电器系统。如果整流桥整流功能失效，发电机把未经过整流的交流电直接输送给汽车电器系统，会直接导致汽车电器发生故障，同时发电机会有异常噪音产生。

整流桥正常状态电路板T点和二极管输出点可测试辅助二极管压降0.5V左右，用万用表测试T点呈现短路击穿状态时，检查发现整流桥电路板上辅助二极管呈现炸裂现象 （图6）。根据励磁电流大小，励磁二极管通常采用2A、2.5A、3A、6A塑封二极管。以规格为2A的励磁二极管进行以下分析。

1）同规格整流桥正常励磁电流为：12V／（3）=4A左右，分配到3个辅助二极管时每个约为1.3A（所用），如果1支辅助二极管反向漏电流突然增大超出极限时，相当于励磁电流变为2支二极管承担，励磁时超载的励磁二极管就会出现过流和击穿现象。

2）当电压调节器F端输出高电压形成超负载时，FN是二极管工作的上限频率，超过此值时会因为结电容的作用，二极管将不能正常工作。VPM是二极管工作允许外加的最大反向工作电压，超过此值时其二极管有可能因反向击穿而损坏。此时超过励磁二极管耐受值后过载的二极管会形成反向过流炸裂。见图7，X光显示二极管内部焊锡均出现过流导致的絮状飞溅是典型的二极管过流现象。

图6 二极管炸裂

图7 二极管内部过流

3.1.2 工作温度过高导致二极管失效

1）整流二极管性能测试标准要求：IR≤200nA（V=20V），实际为：VB=26.72V，IR=37nA，测试结果显示符合标准要求。进一步分析可能为外部原因导致，二极管工作环境产生异常因素导致整流过程中二极管工作温度超过二极管最大工作温度。整流二极管最大工作壳温Tcmax=190℃，一旦超过最大壳温时，整流二极管电性能将会发生变化，反向漏电增大、反向曲线变软，反向功耗不断增大，温度不断升高，此时所有正极二极管焊料呈现收缩现象，以上现象证明二极管在发电机运转过程中暴露在高温环境中，因此内部焊料再熔化和焊料向下流动到芯片的底侧，造成芯片EOS被破坏，整流二极管性能失效。

2）整流二极管塑料环熔化温度≥260℃、环氧碳化温度超过300℃、芯片完全烧蚀熔化温度1400℃、焊接面铜材熔化温度1083℃。电性能VF@100A＜1140mV，Vz@100mA 24～29V，IR@20V＜0.2uA。由于整流桥输出功率较大，二极管因此产生的总热量较多，如不能及时把这些热量散发出去就会在内部形成偏大热阻。当有超过上值界限的大电流流经二极管时，就极易造成二极管芯片内部烧毁形成短路。由于短路后流续电流经过二极管造成内部继续产生高温，加剧芯片贯穿损毁并使芯片产生裂纹，最终导致二极管烧蚀。正极整流二极管失效后，当发电机转速高于空载转速继续正常工作时，调节器形成高电位后保持恒定，会导致整流桥同组负极整流二极管击穿、烧蚀。

3）进一步对整流二极管生产过程进行失效模式研究分析，从中了解到二极管焊接后导入下工序腐蚀模具时，有引线压弯的现象，比例约为十万分之一。压弯的引线会进行校直，可能会使芯片受到应力，在后续二极管压装时，机械应力及发电机高温工作时的热应力影响下，芯片产生裂纹，整流工作时芯片“打火”、短路，同时二极管产生高温。IF是整流桥二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件有关。在外部规定散热的条件下，整流时二极管正向平均电流若想超过此值，则会因温度升高而烧蚀。因此不同型号的二极管有不同的最大整流电流。以35A整流二极管为例，高温烧蚀现象见图8。

图8 高温烧蚀的二极管

3.1.3 整流桥电容端正负极短路

对整流桥二极管压降进行测试，标准要求0.5V，实际符合要求，表明二极管压降正常。检查整流桥电容壳体上端和电路板连接空隙处有焊锡流下，见图9。万用表对电容的正负极进行测量 （电容正负和散热片正负极片是相连的），测试表显示短路，见图10。

图9 焊锡搭接电容正负极

图10 测量短路

用性能测试机对整流桥整体性能测试后，显示见图11。

图11 整流桥整体性能测试

IR0测试值为105，初步断定是典型的电容短路测试NG。造成电容短路的失效分析如下。

1）整流桥电路板和电容连接处多余焊锡成因：整流桥电容插入电路板焊接孔组装完毕后，下一道用锡焊的方式进行电容端子焊接，当流水线工装小车进入焊接状态时，如果此时正处于焊接，而前道工序工人按下释放工装的按钮，上道工装小车就会和正在焊接的工装小车发生碰撞，此时电容端子和电路板孔焊接的焊锡未完全冷却，导致整流桥受到撞击之后焊锡就有轻微的流动现象产生。

2）焊接点流动产生多余的焊锡部分与电容壳体并没接触上 （快接近碰上），所以性能测试机在测试时由于不存在电子线路短路，故无法检测到性能NG。

3）发电机在整流桥组装时由于有紧固螺钉打入电路板螺钉孔位，电路板受到挤压，此时流动移位的焊锡受挤压和壳体产生搭接，整流桥电容正负极短路，导致发电机不发电。

3.2 整流桥B+端子短路导致整流功能失效

3.2.1 测试整流桥正极散热片和发电机定子第三项间歇性短路

故障整流桥性能测试，VR项测试NG。整流桥外观检查发现电路板螺钉安装孔位有不明金属片外露。如图12所示。

图12 电路板螺钉安装孔位有不明金属片外露

用X光机进行检查对比发现，短路整流桥在X光下可见电路板预埋片上有异常金属片 （图13，正常品整流桥X光下电路板预埋片不存在金属片。

图13 X光检查对比

由于异常金属部分在电路板注塑过程中残留在电路板螺钉安装孔处，导致不明预埋片部分外露，电路板在组装成整流桥后，在紧固螺钉较紧状态或振动时会导致B+端子和正极散热片出现虚接，由此产生整流桥B+端子短路失效模式。

3.2.2 电路板焊接端子和正极散热片搭接导致整流失效

电路板上二极管焊接端子，在发电机安装整流桥过程中，紧固螺栓拧紧时，电路板和正极散热片压紧后，电路板焊接端子和正极散热片距离过近产生搭接。二极管焊接端子和正极散热片搭接后直接导致整流桥电子线路短路，整流性能失效，发电机容易出现烧蚀现象。如图14所示。

图14 焊接端子测量短路

4 结束语

现代汽车采用交流发电机作为主要电源，蓄电池作为辅助电源，由发电机向用电设备提供电源并向蓄电池充电。在汽车交流发电机中，整流桥是整个发电系统中不可缺少的关键部件之一。因此，要想提升汽车交流发电机的高性能和高品质，除了提高定子、转子和电压调节器的性能之外，提高发电机用整流桥的性能和品质是必须采取的措施之一。因此对整流桥在实际工作中经常出现的失效模式进行了分析研究。以上的研究对于整流桥的设计、研发、品质管理等专业技术人员来说，这是一种兼具理论和实践相融合的技术总结。相关人员既要对整流桥的结构与工作原理进行掌握，又要对整流桥出现的常见失效模式有快速分析和掌控的能力。通过对汽车发电机用整流桥失效模式的研究，以此提高车用多功能发电机的研发和失效模式控制的速度，才能更好地为顾客提供可靠的产品和高效、便捷的服务。