淺論汽車發電機用調節器失效模式分析和控制措施

胡云峰

（錦州東佑精工有限公司，遼寧 錦州 121007）

隨著汽車被越來越多地使用，人們對汽車內在功能的要求越來越電氣化、智能化。隨著汽車行業迅猛發展，對汽車發電機的輸出多功能要求也在不斷提高。調節器是車用發電機的重要核心部件，也是整體汽車工程中的電氣化、智能化功能實現的力量來源之一。發電機用調節器的安全問題是整體汽車驗收是否合格的重要前提之一，調節器出現功能失效模式不但影響汽車的整體性能，而且直接影響到顧客的使用感受和人身安全。針對汽車發電機用調節器失效模式進行分析，并執行有效的控制措施，是控制汽車電控系統安全輸出的重要環節。

1 汽車發電機用調節器的基本結構

汽車發電機系統主要由定子、轉子、調節器、整流橋等部件組成。轉子的功用是產生旋轉磁場，定子的功用是產生交流電，整流橋的功用是交流電轉化為直流電，調節器的功用是調節發電電壓在額定輸出值。

調節器在汽車用發電機系統中是一個非常關鍵的設備，它是該系統中唯一為發電機提供額定輸出電壓的系統。要想做好調節器失效模式分析和控制措施工作，就要了解調節器的基本結構、工作狀態、工作原理。目前很多汽車用發電機都已采用多功能電壓調節器，其基本結構是：采用多功能芯片為核心，散熱片起到為芯片散熱作用，碳刷作為連接轉子的電路連接通道，碳刷架承載各部件并和整流橋連接，防塵蓋對尾部端子、芯片進行覆蓋防塵和避免外力磕碰的作用，彈簧對碳刷自動伸出提供有力保證。

2 汽車發電機用調節器在發電機內工作原理

電壓調節器的主要功能是用來穩定發電機輸出額定電壓，因為車用發動機通過皮帶驅動旋轉發電機的轉子，而且發動機和交流發電機速度比是1.7︰3，所以造成轉子的轉速變化很大，導致輸出電壓不穩定，因此產生失效模式影響其正常工作。電壓調節器就是在發電機轉速變化時，自動控制交流發電機輸出電壓的穩定，把發電機輸出的電壓控制在一定范圍內，保持相對的恒定狀態。調節器工作過程原理如下。

1）汽車鑰匙門接通，調節器L端檢測到電壓超過0.9V，芯片內部線路開通F端 （碳刷）通過電流，發電機激磁線圈通過電流 （此時為蓄電池供電），發電機初始發電。電路原理見圖1。

2）隨著發電機轉速增高，調節器B+端電壓高于蓄電池電壓，此時發電機整流橋給激磁線圈提供電流。電路原理見圖2。

圖1 發電機他激磁狀態電路原理圖

圖2 發電機自激磁狀態電路原理圖

3 調節器常見失效模式分析和控制措施

3.1 調節器不能輸出電壓的失效模式分析

汽車發電機用調節器出現不能輸出電壓的現象，應該有以下幾種原因：一是調節器內部芯片PCB電路板上MOS管或二極管、三極管等部件失效，導致芯片失去正常調節電壓的功能。二是芯片內部線路短路或斷路，使調節電壓無法正常輸出。三是碳刷、導電片等部件問題，如導電片長時間未得到保養而氧化、臟化，碳刷折斷、損壞或卡住等，也會導致調節器不能正常輸出額定電壓。其中以芯片內部性能失效為例進行分析。

對調節器進行性能測試如圖3所示。

圖3 調節器性能測試

3.1.1 測試項目

1項，待機電流；2～10項，芯片功能代碼；11項，默認狀態自啟動轉速；12～31項，LIN功能參數；32～33項，內部開關管性能；34～37項，相關接觸項。

3.1.2 測試結果

1）LIN功能代碼顯示失效，無作用。

2）調節器LIN功能異常，調節器功能失效。

3.1.3 失效分析

如圖4所示，在PCB基板線路上存在C2（焊盤），此處正常為空點，不焊接。PCB基板由于焊錫導致C2焊盤兩處虛接短路，也就是LIN端和E端短路，LIN端子搭鐵導致LIN功能失效。

圖4 失效分析

圖4碳刷架芯片PCB上的中央芯片失效，原因為調節器散熱片和芯片基板粘貼硅膠層產生大量氣泡，增加了芯片和PCB基板的中間硅膠層厚度，致使芯片傳導溫度距離和時間增加，影響中央芯片的散熱效果，在中央芯片工作時由于長時間高溫得不到及時散發，碳刷架內部腔體持續高溫，造成芯片內部集成電路斷路，整體調節器芯片功能失效。

3.1.4 控制措施

1）針對短路連接，一是碳刷架焊接定位工裝定位銷設計尺寸改善，在保證定位不影響焊接同時，3個定位銷定位高度改變，放置過程更順暢，避免卡滯。二是烙鐵頭距離PCB版高度由5mm提高至8mm，避免因產品卡滯不水平，導致烙鐵頭和焊盤的異常接觸。焊接路徑進行調整，避免烙鐵從基板中間經過。

2）針對硅膠氣泡，一是改善芯片和散熱片粘貼工藝，在粘貼時，由原來的垂直放入PCB基板，變更為45度推入式粘貼，目的是在推入PCB基板時趕走已產生的硅膠氣泡，由原來容易產生45%的氣泡量，減小為5%以下。二是PCB基板和散熱片貼合硅膠層更加均勻。因此有效減少由于硅膠氣泡的大量產生造成PCB基板和散熱片之間的傳熱距離增大和傳熱時間過長等問題，避免了由于芯片散熱不良造成的調節器芯片功能失效等模式的產生。

3.2 調節器輸出電壓過大的失效模式分析

當調節器輸出電壓過大，說明發電機的發電量過大。在日常行駛中車輛轉速達到3000r／min以上時，汽車的照明系統和儀表指示燈比平時亮很多，會導致汽車燈泡、電路系統因大電流而損壞，也會為行車安全帶來較大安全隱患。

3.2.1 失效分析

對失效調節器首先采用X光機透射，檢查內部情況。在無異常情況下用萬用表對芯片PCB上的部件進行測量，顯示芯片表面三極管異常 （正常值二極管擋約0.6V左右），異常測試值0.917V。采用專業測試機測試后如圖5所示，測試結果為調節器芯片三極管功能失效。

圖5 專業測試

圖6為芯片電路圖分析：Q1為本次失效件三極管，M1為MOS管。Q1控制M1（MOS管）開關，MOS管開關控制發電機的轉子電流。當Q1失效時，導致MOS管柵極一直處于高電位 （即使MOS管一直導通），MOS管導通轉子電流流通，即發電機一直發電，所以出現發電電壓高的現象。

圖6 芯片電路圖

3.2.2 控制措施

1）根據三極管電特性對其進行單品性能測試，發現電特性NG，不能使用。

2）在芯片基板上焊接部件時，避免三極管外力磕碰。為避免人工誤操作，采用數控全自動焊接方式。

3）根據三極管等電子產品高溫老化特性，增加高溫放置，芯片烘箱加熱，溫度150℃，時間40min，冷卻后對調節器進行常溫復測，對高溫測試不合格的三極管進行替換，可有效控制調節器正常功能實現。

3.3 調節器漏電流大的失效模式分析

當調節器漏電流增大時，造成汽車在靜止狀態下蓄電池饋電，車輛無法正常起動。

3.3.1 失效分析

對調節器B+-E加電壓13.5V，F-E接線圈3ohm，其他端子均未接，測出B+-E漏電流由0.34mA變到380mA，看到EXC端進入預勵磁狀態。檢測結果初步判斷：①采樣電路失效；②IC內部其它部分電路燒毀，造成調節器無法進行電壓調節；③漏電流增大。

3.3.2 工作狀態原理分析

當B+對搭鐵供電，而其它端子無外電路時，漏電流應該在0.5mA內，EXC端關斷；當B+對搭鐵供電，L端接燈，而其它端子無外接電路時，B+電流應該是預勵磁電流和漏電電流的總和，EXC端為預勵磁波形。

目前出現異常的狀態是在B+對搭鐵供電，而其它端子無外電路時，芯片進入了預勵磁狀態，B+對搭鐵電流增大。調節器性能測試發現Istby項異常，測試性能狀態NG，芯片表面顯微鏡檢查未發現異常。漏電檢測時，EXC端待機時進入預勵磁狀態，B+對E漏電大，幾秒鐘內升到380mA。如圖7所示。最終結論是B+與L間的電路有軟損傷的現象，L端子前面邏輯電路部分出現問題。見圖8紅色區域。

圖7 發電機原理圖

圖8 芯片原理圖

3.3.3 控制措施

1）性能測試時，調節器的Istby測試值在0.5mA的上限左右浮動時，為了抑制調節器失效模式的產生，根據故障調節器Istby異常數據及正常芯片數據的正態分布，決定將Istby管理范圍由原來的0.2～0.5mA變更為0.2～0.4mA，測量精度提高有效地控制失效模式的識別。

2）加強芯片的單品檢驗測試，增加脈沖對L端子前面邏輯電路進行邏輯控制，阻斷邏輯問題電路出現。

4 結束語

當前，隨著科技的發展，汽車發電機用調節器多功能技術也在迅速的地提升，汽車發電機用調節器技術在汽車整體電氣系統領域中有著非常重要的地位，以上對調節器在實際工作中經常會出現的失效模式和控制措施進行了簡單分析論述，。對于調節器的設計、研發、售后等專業技術人員來說，這是一門兼具理論和實踐性融合的技術，既要對調節器的結構與工作原理進行完全掌握，又要對調節器出現的常見失效模式有快速分析和控制的能力。，以此提高車用多功能調節器的研發和控制失效模式處理速度，更好地為顧客提供可靠的產品和高效、便捷的服務。