关键词：风水冷换热方式；水电隔离；散热系统；大功率半导体组件；散热冷却系统 文献标识码：A
中图分类号：U665 文章编号：1009-2374（2017）11-0035-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.11.018
随着电力电子技术的快速发展，其应用的范围越来越广泛，电力电子装置（如舰载电源、电力机车等）的功率密度越来越大、变流器的容量和损耗也随之增大，对半导体组件的可靠性要求也越来越高。采取一定的散热措施，半导体的管芯问题在允许的范围内，器件不易损坏，因此散热系统设计的合理性将直接影响大功率电力电子装置工作的稳定性，特别是对于某些高功率密度、应用环境受限等特殊应用场合，充分考虑半导体组件的热损耗，设计有效的散热系统，把热源的热量能顺利及时的排放出去，使电力电子器件的结温控制在允许范围内显得更为重要。本文将以高功率密度、封闭应用环境的半导体组件散热系统设计为例进行说明。
1 散热系统的具体设计
该半导体组件通常在高压舰载电源系统中使用，要求半导体组件产生的热量不影响电源系统的环境温升，当环境初始温度为55℃时，温升要求控制在25～32K。本半导体组件需要安装在长、宽、高分别为520mm、255mm、245mm的机箱中，最大损耗为763W，其热流密度为0.93W/cm2。
目前，电子设备的散热方式主要有：水冷、强迫风冷和自然对流等散热；其中的自然对流散热方式主要适用于热密度1W/cm2的情况下，一般风冷散热方式作用甚微。
因为该半导体组件通常应用于高压舰载电源系统，其自身损耗所产生的热量不会对电源系统的环境温度造成影响，所以按照该半导体组件的热流密度和温升标准，决定对该散热系统采用散热器与强风冷相结合的散热方式，即将半导体组件安装于一个四周封闭的机箱中，在机箱的一端安装抽风机，另一端开适当数量的孔，在组件与抽风机之间安装水风换热器。由于组件与水风换热器间留有一定的空气间隙，从而形成了绝缘距离，不但有效实现了水电分离，而且避免了大电流对冷却介质造成电解。采用水电隔离设置，不但能够确保即使在漏水的情况下也不会发生漏电或者放电现象，而且会对水质的要求显著降低（普通的自来水和海水均能够作为冷却水进行使用），所以其具有维护简便、可靠性高等优点。
该散热系统的热流路径为：半导体上产生的热量传到散热器并由散热器传到空气中，被加热的空气流经水风换热器，并通过轴流风机抽出（轴流风机所抽出的空气实际已通过了水风换热器的冷却），由此可见，半导体组件所产生的热量基本不会影响电源系统周围的环境温度。
强迫风冷分为鼓风、抽风两种冷却形式，鼓风冷却的风压大，风量集中，通常用在单元内热量分布不匀称，风阻较大情况，而抽风冷却多用于热量相对分散的整机机箱条件下，热量是通过风道抽送走的，其最大的特点就是风量大而风压小。因为半导体上面的热量基本上分散在铝型材散热器的各部件上，当抽风冷却时，通过散热器各部件的风量较为适中，从而使散热器能够得到充分冷却，所以选择使用水电隔离的水风冷却方式。
1.1 散热器的设计和计算
半导体所产生的热量一般是按照以下途径传递的：内部散热组件外壳散热器上空气中。以强制风冷为主，传热遵守热路欧母定律：
式中：
ΔT――热路始末温度差，℃
P――损耗，W
Rth――传热过程热阻，℃/W
半导体组件在传热的过程中，其热阻是由以下部分组成的：一是半导体中的PN结与外壳间的传递热阻，简称Rjc；二是半导体外壳与散热器间的接触热阻，简称Rcs；三是散热器向空气中传递形成的热阻，简称Rsa。
其总热阻为：
式中：
Ptot――半导体总损耗
Ta――环境温度
Tj――半导体允许结温
则散热器热阻为：
式中：
Tj――半导体PN结允许温度，取125℃温度
Ta――散热器表面温度，单位℃
Rjc――PNY到半导体外壳接壳热阻，单位为℃/W
Rcs――半导体外壳到散热器接触热阻，单位为℃/W
Rsa――散热器传递到空气中的换热热阻，单位为℃/W
半导体的最高允许结温通常与硅半导体的掺杂浓度和工艺水平等关系密切，普通功率的半导体结温≤200℃，由于半导体芯片的面积大、温度分布不均，因此当器件遇到过载、浪涌和结构问题时，芯片就会出现过热，甚至导致局部穿孔问题的发生，所以考虑上述因素，半导体器件的最高工作结温一般应控制在125℃～135℃。
在进行散热器设计的过程中，需要对半导体的结构、散热功率和加工工艺等因素进行综合分析，主要需要注意以下事项：一是增加肋片的高度实际等于增大了散热器的散热面积，从而提高了散热能力，然而当肋片高度增加到一定程度时，散热量将不会继续增加，相反，若肋片高度继续增加，则散热量不增反减；二是散热器的肋片越薄说明散热性能越好，然而若太薄又会对加工工艺提出更高的难度；三是挑选导热系数较高的型材，能够显著降低散热器的热阻。因铝的导热系数高且重量轻，使其成为最常用的散热材料；四是对散热器表面经过氧化和喷砂处理，能够在很大程度上改善热辐射的性能。特别是当散热器表面温度与环境温度差距达到50℃的情况下，经过氧化的散热器热阻能够有效降低15%左右。此外，因该半导体组件是通过双面进行散热，所以只有散热器和半导体间达到一定程度的压装力，才能够使散热器和半导体接触位置的热阻减小。另外，散热器和半导体接触面的光滑度也会减少接触热阻。通过对以上因素的权衡，该散热器选择了铝材作为原材料，散热器的肋片被设计成高低不同的样式，且为了满足散热器压装强度需要，散热器被设计成了很厚的基板。
1.2 板翅水风换热器设计
半导体组件工作时经散热器加热的热空气采用水风换热器冷却，冷却后的空气不会对电源系统的环境温度产生影响，其优点是：水电的有效隔离不但对冷却水的水质要求显著降低，而且不会因半导体通电而导致电腐蚀现象的发生。此水风换换热器由两块平板中夹着一块波纹形状的导热翅片，流体就从波纹形状的导热翅片中流过，两层这样的基本换热单元焊接在一起，并使两流道相互交错，供冷热流体换热，此水风换热器是由许多层这样的换热单元叠合而成，作为水风换热器，传热系数可达到达350W/（m2・K）。
换热器的传热计算有两种方法：平均温差法（LMDT法）和效能-传热单元数法（ε-NTU法）。本文是利用平均温差法进行计算。平均温差法主要依据的是传热公式Φ=kAΔtm，在设计换热器的过程中，需要按照要求首先确定换热器的形式，然后利用给定的换热量以及冷热流体中的进出口三个温度，根据热平衡定律，计算出冷流体或者热流体的出口温度，同时计算出平均的温度差，接着利用传热公式计算出换热面积，即F=1.01m2，在实际的应用中，采用了平直形状的板翅水冷散热器肋片，其参数为：高度为9.5mm，厚度为0.2mm，间距为2mm，单位宽通截面S2=8.37m2，单位传热面积S1=11.1m2，若量直径为3.016mm时，则肋面积和传热面积的比将会是：Af/A=0.838，换热器的肋片总共设计有18行，每行18片，每片的长度为174mm，深度为60mm，由此可计算出其总换热面积应是A=BLS1=2.859m2，其明显高于理论传热公式计算出的面积1.01m2，散热满足系统要求。
1.3 抽风机的选择
此散热系统中抽风机的通风量由下式计算：
式中：
qf――通风量，单位为m3/s
――空气的密度，单位为kg/m3
Cp――空气的比热，单位为J/kg・℃
Φ――总损耗功率，单位为W
Δt――冷却空气的进出口温差，单位为℃，Δt大部分取10℃左右
取Δt=5℃，计算得抽风机的风量约450m3/s，由于该半导体组件周围的风道材料具有绝热和绝缘的性能，因此在风量的计算过程中可忽略半导体组件对大气的辐射和对流的影响。
2 散热系统的仿真分析
该例借助相关技术对散热系统进行了仿真，以下属于仿真的结果：
第一，将环境最高温度设置为55℃，然后向外进行抽风，这时半导体器件的功率为763W，半导体两端增加两个接触热阻0.0025℃/W。这时在半导体中心位置出现的最高温度为84.75℃，因为在仿真环境下会忽略水冷换热器对散热系统产生的影响作用，特别是利用Icepak分析软件时，两种流态数据信息的计算量非常大。而本文只是对水冷换热器进行了计算分析，并确定了水冷换热器的换热面积和风阻大小，以此作为风机选型的主要依据。
第二，环温：55℃，风机向内吹风，半导体功率：763W，在半导体两端加两个接触热阻0.0025℃/W，最高温度出现在半导体中心，最高温度85.72℃。
通过仿真从半导体组件的表面温度分布和速度矢量分布图能够发现，利用风机抽风式进行散热，具有更加理想的效果，并使最高温度出现了明显的下降。由于抽风机在抽风的过程中，每一个部分的风量都较均匀，从而使散热器能够得到充分的冷却，所以最后选择了散热器与抽风冷却相结合的散热方式。
另外，还对不同风速条件下的半导体组件的散热情况进行了仿真。其中将环境温度设为20℃，风速分别设为4m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s，通过仿真半导体组件的最高温分别为46.88℃、44.76℃、42.00℃、40.255℃、39.03℃，则最高温度与风速的曲线如图1
所示。
由图1能够发现，随着经过散热器半导体组件的空气流速增大，半导体组件的最高温度持续降低，然而当空气流速达到9m/s，半导体组件的温度基本处于稳定，当继续增加空气流速时，半导体组件的温度并未出现明显的变化，但却增加了系统的背压以及噪音。
3 对半导体组件的温升进行测试
在温升试验的过程中，给半导体组件通625A的电流，风机向外抽风，测得风机前面出风口风速为15m/s，型材散热器的进风口风速为后中4.7m/s、上下5.7m/s。
由D2可知，半导体组件的温度达到稳定状态的温升约为20K。
4 结语
本文借助计算和仿真获得了如下结论：理论计算与仿真获得的半导体组件温度基本相同。然而经过试验获得的温升却偏低，这是因为试验所测量的温度属于管壳的表层温度，而半导体组件的最高温度却是半导体PN的结温。通过分析半导体组件的冷却方式，并对大功率半导体组件的散热计算、仿真和试验验证，为设置在封闭环境下的高电压和大电流变频器的散热问题提供了积极的解决方案。
参考文献
[1] 陈希章，刘中良，马重芳，等.电子芯片散热器特性的测试研究[J].工程热物理学报，2004，（6）.
[2] 赵瑞松.电力半导体器件风冷散热系统实验装置设计[D].重庆大学，2015.
[3] 余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
【关键词】高电子迁移率晶体管 二维电子气 技术路线
1 引言
GaN基HEMT具有大电流密度、高功率密度、低噪声、良好的频率特性决定了GaN在军用民用两个领域都有广泛的应用前景，GaN基HEMT的单位功率密度是GaAs基HEMT的10倍，可以减小系统尺寸并降低阻抗匹配的难度。GaN基功率器件具有较高的工作电压，一般民用通讯基站前端工作电压为28V，使用Si和GaAs需要降低工作电压，需要变压器，并可能产生失真。GaN基功率器件可以工作于42V，可以减小系统体积和系统复杂程度，并且GaN基功率器件可以工作在Ka波段以及300℃的高温环境，在武器应用方面有着重要的应用价值。其覆盖1-100GHz的工作频率可以广泛应用于3G＼4G通讯、卫星通讯、相控阵雷达、智能武器等方面。
2 专利技术发展路线
GaN是理想的耐高温、高频、大功率微波器件材料，1991年美国APA光学公司的Khan等人成功研制出世界上首支AlGaN/GaN HEMT，并在美国提出了专利申请（701，792； 26，528公开号分别为：US5192987A，US5296359A）分别为具有GaN/AlxGa1-xN异质结的HEMT器件[1]，以及制造方法的另一专利申请，上述两项专利申请还不能进行大规模的应用，处于实验室阶段，但是开启了GaN基功率器件的研究。
2003年NEC公司通过引入场板技术增大器件的栅漏击穿电压，功率密度达到11.2W/mm@10GHz；克里（CREE）在具有InGaN背势垒上的SiC衬底上制备的AlGaN/GaN材料上研制了150nm栅长的HEMT，功率密度达到了13.7W/mm@30GHz；2008年HRL研制的AlGaN/GaN/Al0.04Ga0.96N的双异质结HEMT峰值频率高达200GHz。
2.1 全球专利状况分析
美国引用量最多，然后是中国和欧洲，日本引用的很少，这与日本的撰写习惯有关，日本申请人通常只引用自己本国的专利申请，从年代引用的情况来看，以美国的引用为例，其变化趋势与GaN基HEMT在全球申请随时间的变化一致。后继申请的技术方案均是以该申请文件中的披露的技术方案为基础，并没有对器件主要结构进行突破，均是改善行发明，在提高材料质量的大目标下，通过改进器件的局部结构，如：栅极和源漏极之间的隔离，栅极介质，栅极形状，限制沟道区2DEG的材料等方面改善器件的性能。下边以克里公司为例说明通过场板技术，提高器件性能。
克里公司在GaN基HEMT器件取得领先优势，得益于期生长的出其他公司不能比拟的高质量的GaN，其场板技术提高器件的性能，公开号为CN1950945A的专利文献[2]及其相应的同族，公开了一种晶体管，包含多个位于一基片上的有源半导体层，并且其源极与漏极与这些半导体层接触。在这些源极与漏极之间以及多个半导体层上形成一栅极。在这些半导体层上配置多个场板，每一场板从该栅极的边缘朝该漏极延伸，并且每一场板与这些半导体层、以及与这些场板的其它场板隔离。这些场板的最高场板电连接至该源极，并且这些场板的其它场板电连接至栅极或源极，能够解决场板至漏极电容的引起减小增益影响输出稳定性的技术问题。
2.2 国内专利状况分析
从我国主要的申请人可以看出，主要的参与者包括中科院、中国电子集团，其中，最为活跃的是中科院半导体研究所，中科院微电子研究所，中国电子集团13所，中国电子集团55所。高校研究者为西安电子科技大学。主要的研究的企业为西安能讯半导体。
中科院半导体研究所的特长在于提供高质量的GaN材料，其处于国内领先水平，并实现了小量供片，国内的西安电子科技大学的对GaN基微电子材料进行了深入的研究。由国家牵头，中科院半导体所和中国电子集团合作，2000年制作出了国内首支GaN基HEMT器件，并由半导体所提供材料，与中国电子集团的13所和55所合作，在2003年制造出C波段大尺寸GaN基HEMT器件，在2004制造出输出功率大于1W的国内第一支X波段GaN基HEMT器件，2008年制造出X波段GaN基HEMT器件脉冲输出功率为176W，连续输出功率为130.32W，功率密度为17.8W/mm。
3 结语
本文主要以中文专利摘要数据库、德温特世界专利索引数据库和世界专利文摘库数据库收录的专利为样本，通过分析了国内外大功率GaN基HEMT器件的专利技术路线，以及主要申请人做了进一步分析，总体上来说，GaN基HEMT器件结构和已经趋于稳定，如何进一步提高器件的性能成为主要的研究热点。
参考文献：
本书在物理模型和数值分析的基础上,探讨了光电子器件的设计和制模问题,重点放在应用方面。运用数字技术对物理方程求解,演示了如何设计一个新的器件或增强一些现有器件的性能,包括一些半导体的光电子器件,例如:半导体激光二极管(LDs)、电吸收调制器(EAMs)、半导体光放大器(sOAs)、超辐射发光二极管(sLEDs)以及它们的集成系统。
本书共12章,分成三部分,第一部分由第2―5章组成,讲述模化光电子器件时,物理方程的推导和说明:1.引言;2.光学模型;3.材料模型I:半导体的带结构;4.材料模型II:光学增益;5.载体传输及热扩散模型。第二部分由第6―9章组成,讲述控制方程的数字求解技术,以及如何将这些求解技术应用于器件的模拟:6.光学方程式的求解技术;7.材料增益方程的求解技术;8.载体传输及热扩散方程的求解技术;9.器件性能的数值分析。第三部分由第10-12章组成,给出了光电子器件的实际设计、模拟案例:10.半导体激光二极管的设计及模型的案例;11.其它单个光电子器件的设计及制模案例;12.集成的光电子器件的设计和制模案例。
本书作者李洵是加拿大麦克马斯特大学(McMaster University)电子和计算机工程系的教授。他1988年在北方交通大学获得博士学位,至今共撰写了160篇科技论文,并创建了阿波罗光电公司,开发了该公司的一个主要软件产品“高级激光二极管模拟器”。他是OSA及SPIE成员,并且是IEEE的资深成员。
关键词：硅 超结 半超结
1 绪论
超结结构逐渐引起人们的广泛关注。这种新结构利用相互交替的n型柱和p型柱代替传统单一的n型基区，在提高功率器件击穿电压的同时能减小导通电阻，很大程度上打破了击穿电压与导通电阻之间的“硅极限”[3]。但是应用超结结构有两个显著缺点：二极管反向恢复硬度高和制造工艺难度大。而半超结结构是在传统超结结构中的基区增加一个n型区，称之为底端辅助层。在具有相同的深宽比时，半超结可以获得比超结更低的导通电阻，同时器件制作的难度及成本显著降低。半超结结构功率开关二极管对电力电子技术有重要影响，对其结构参数进行优化设计，可以同时获得低通态压降、高阻断电压、快而软的恢复特性。
2 超结节构
由于功率器件性能的要求有如下几条：
1. 功率器件加反向电压而处于关断时，其击穿电压要高。
2. 导通时电流密度大。
3. 导通时器件上压降低。即导通时器件单位面积的电阻很小。
4. 开关速度高，意即器件从关断到导通的时间ton及从导通到关断的时间toff都很小。
5. 驱动功率小。意即要使得驱动功率器件运作， 开关输入端所需要的能耗较小，否则需要多个前级放大器才能控制。
由3和4两点值得特别注意，电力电子技术要求在变换电能时尽量提高变换的频率， 这样可使电路中的储能元件（电感及电容）的体积大为缩小，重量减轻许多，但是开关频率高就遇到开关损耗大的问题。
4 模拟结果与分析
我们知道P柱区和N柱区的注入深度比和掺杂浓度越大对功率二级管的反向特性越好，但是注入深度比与制作工艺的难度成正比，所以为了得到合理的、适当的结构，我们对其模型进行了模拟，得出合理的注入深度和掺杂浓度。
本文主要利用MEDICI二维数据模拟软件，分析半超结PIN功率二极管电学特性的研究，通过数据的模拟和图像的对比，给出了在注入不同深度、不同宽度和不同掺杂浓度时半超结功率二极管的正向特性、反向特性和反向恢复特性，经过正向特性、反向特性和反向恢复特性的对比，我们对半超结结构进行优化，给出适合的注入深度、宽度和掺杂浓度，进而得出最优化结构。
参考文献
[1] 张波， 邓小川， 张有润， 等. 宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J]. 中国电子科学研究学报， 2009，4（2）：111-118.
关键词：LED；专利分析；Nichia；Cree
The U.S. patent analysis in LED field of Nichia and Cree
LUO Jia-xiu
（Ministry of Industry and Information Technology Software
and Integrated Circuit Promotion Center, Beijing 100038, China）
Abstract:Based on the U.S. patent analysis in LED field of Nichia and Cree, we found that the LED U.S. patent application quantities of Nichia and Cree both have an increasing trend in recent years; their U.S. patent technologies mainly focused on semiconductor devices with energy barrier, methods or equipment of manufacturing or processing, electrode and other components, etc; but Nichia focused more on light-emitting materials, and Cree focused more on single crystal growth. This paper also analyzed different patent strategies of Nichia and Cree, and highlighted what Chinese related enterprises could learn from them.
Keywords: LED; patent analysis; Nichia; Cree
1 引言
全球LED产业格局为美国、亚洲、欧洲三足鼎立，作为LED第一阵营内的日本日亚化学公司（Nichia）和美国科锐公司（Cree）拥有核心技术和专利，在GaN基蓝光LED、白光LED和SiC衬底等技术上处于国际领先地位。Nichia和Cree通过技术战、市场战、专利战，和其他几大LED巨头逐渐垄断了高端产品市场，已形成LED的第一梯队和专利交叉网。分析Nichia和Cree的专利布局，研究二者迥异的专利策略，对于作为LED产业新加入者的我国相关企业具有规避侵权风险、突破知识产权壁垒等重要的现实意义。
2 Nichia和Cree半导体
照明领域美国专利检索结果
采用美国专利商标局，专业的专利检索工具、公司网站信息查询和网络信息检索相结合的方式，以专利申请人作为查询对象分别对Nichia和Cree及其母公司、母公司所有的子公司、曾收购的公司进行检索查询，之后人工筛选出属于半导体照明领域的专利。
截止到2010年7月，检索到Nichia和Cree 半导体照明领域的美国专利分别为597件和735件。
3 Nichia和Cree半导体
照明领域美国专利布局分析
根据检索结果，对Nichia和Cree 半导体照明领域的美国专利布局进行分析。
3.1 公司概要
Nichia
日亚化学，著名LED芯片制造商，日本公司，成立于1956年，开发出世界第一颗蓝光LED（1993年），世界第一颗纯绿光LED（1995年），与此同时，它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。
技术优势：①第一只商品化的GaN基蓝光LED/LD；②拥有目前最好的荧光粉技术；③拥有蓝光激发黄色荧光粉技术专利；④蓝宝石衬底外延生长技术。
Cree
科锐公司建于1987年，位于美国加利福尼亚洲。研制开发并生产基于碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硅（Si）和相关化合物的材料与设备。公司的产品包括绿光、蓝光和紫外光 LED，近紫外激光、射频和微波半导体器件，电源转换器件和半导体集成芯片。
技术优势：①SiC基Ⅲ族氮化物外延、芯片级封装技术；②大功率芯片和封装技术。
3.2 年度申请量统计分析
图1所示的是Nichia和Cree半导体照明领域美国专利年度申请量统计。可以看出，Nichia申请专利的时间较早，始于1984年，1984年～2000年，专利年度申请量一直维持较低水平（11件以下），从2001年开始专利申请量迅速增加，2002年～2008年，专利申请量一直维持较高水平（平均年度申请73件），形成一个“平台”，其中2003年和2005年是专利申请量的两个高峰，分别为106件和93件，2009年～2010年专利申请量出现下降，可能与专利公开滞后性等因素有关，不能客观反映真实情况。总体来看，近年来Nichia半导体照明领域美国专利申请量呈稳定增加态势。Cree由北卡罗来州立大学（North Carolina State University，简称NCSU）的毕业生共同创立，其早期的技术完全来自于NCSU。Cree发展历程分为三个阶段：（1） 1987年～1998年为创立阶段，主要的发展在于寻找SiC合适的应用与产品；（2） 1999年～2003年为第二阶段，确立以LED为主要的产品，强化核心能力，建立竞争壁垒；（3） 2004年～至今为第三阶段，实现LED照明的应用，并进行照明产业的垂直整合。可以看出，Cree相当重视知识产权，早在1987年成立之初，就取得由Davis实验室的SiC研究成果专利的独家授权，之后也不断地申请积累专利。1998年～2003年Cree公司半导体照明领域美国专利申请量缓慢增加，但涨幅不大；2003年～2007年，专利申请量大幅增加，2007年专利申请量达到顶峰（169件），2008年～2010年，专利申请量出现下降。不过由于专利申请18个月后公开的限制还有部分专利申请未被公开，所以2008年～2010年的专利申请量下降不能真实反映实际情况。
由于欧盟、美国和韩国的国家半导体照明计划都是在2000年启动的，中国的“国家半导体照明计划”是在2003年启动的，所以上述申请量峰值可能与各主要国家和地区的半导体照明计划有关，即各主要国家和地区半导体照明计划的相继制定推动了Nichia和Cree相关专利加速布局。伴随着LED应用推广，Nichia和Cree的半导体照明领域美国专利申请量均在最近十年增加较为迅速，说明Nichia和Cree都很重视美国市场，积极在美国进行专利布局。
3.3 高产发明人统计分析
在Nichia公司半导体照明领域美国专利（共597件）中，前10位发明人（只考虑了第一发明人）共申请专利229件，占总数的38%。其中Nakamura和Ishida是Nichia公司进行技术创新最主要的主力军，也是半导体照明领域企业应关注的发明人，其申请的专利（分别为44件和37件）占Nichia公司全部美国专利的7%和6%。Suenaga、Kamada和Shimizu是Nichia公司半导体照明领域美国专利申请的第二梯队，其申请的专利（分别为27件、24件和21件）约占Nichia公司全部专利的4.5%、4.0%和3.5%。
在Cree公司美国专利（共735件）中，前10位发明人（只考虑了第一发明人）共申请专利287件，占总数的39%。Negley、Edmond是Cree公司进行技术创新的第一梯队，其申请的专利（分别为61件和53件）占Cree公司全部美国专利的8%和7%。Slater、VAN DE VEN、Loh、Roberts和Saxler是Cree公司半导体照明领域美国专利申请的第二梯队，其申请的专利分别为33件、29件、29件、28件和20件，分别约占Cree公司全部专利的4%、4%、4%、4%和3%。
3.4 主要主IPC技术构成分析
Nichia公司半导体照明领域美国专利主分类号涉及H部、C部、F部、G部、B部和A部技术领域的70个IPC大组，其中26.99%集中在H01L33/00，其次为H01L21/00、H01L29/00、H01J1/00、C09K11/00、H01S5/00、H05B33/00，以上6个IPC大组占全部专利的36.73%，是Nichia研发的重点技术领域。Cree公司半导体照明领域美国专利主分类号涉及H部、F部、C部、G部、B部和A部技术领域的76个IPC大组，其中29.66%集中在H01L33/00，14.47%集中在H01L21/00，其次为H01L29/00、C30B25/00、F21V9/00、 C30B23/00、 H01L31/00、 F21V29/00、 H01L27/00，以上7个IPC大组占全部专利的26.08%，是Cree研发的重点技术领域。
表1所列的是Nichia和Cree 半导体照明领域美国专利前20位IPC分布，代表了Nichia和Cree的重点技术主题。可以看出，Nichia和Cree半导体照明领域前三位IPC均为H01L33/00（至少有一个电位跃变势垒或表面势垒的专门适用于光发射的半导体器件；专门适用于制造或处理这些半导体器件或其部件的方法或设备；这些半导体器件的零部件）、H01L21/00（专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备）、H01L29/00（专门适用于整流、放大、振荡或切换，并具有至少一个电位跃变势垒或表面势垒的半导体器件；具有至少一个电位跃变势垒或表面势垒，例如PN结耗尽层或载流子集结层的电容器或电阻器；半导体本体或其电极的零部件），但二者在技术侧重点上也存在差异，如Nichia半导体照明领域美国专利申请中排第五位的C09K11/00（发光材料，例如电致发光材料、化学发光材料）技术主题，Cree并未申请专利。而Cree半导体照明领域美国专利申请中排第六位的C30B23/00（冷凝气化物或材料挥发法的单晶生长）技术主题，也不是Nichia的专利申请重点。
3.5 专利类型分析
在Nichia公司半导体照明领域597件美国专利中，发明专利为453件，外观设计专利为144件，即在其专利申请中，发明专利占大部分，达76%。在Cree公司半导体照明领域735件美国专利中，发明专利为699件，外观设计专利为36件。即在其专利申请中，发明专利占绝大部分，达95%。可以看出，Nichia和Cree半导体照明技术创新都很活跃，是知识与技术密集型企业。同时Nichia专利申请中外观设计专利的比例约占其全部专利的四分之一，说明Nichia在重视技术的同时，也很重视产品层面的专利布局。
4 Nichia和Cree知识产权策略分析
4.1 Nichia知识产权策略
Nichia对知识产权的态度是：专利不是商品。Nichia的专利战略部署经历了三个阶段：第一阶段（1993年～1998年），专注于事业开发，不进行专利许可；第二阶段（1998年～2003年），完善市场发展，加速技术开发，不进行专利许可；第三阶段（2003年以后）增加提供授权，可以进行专利许可。纵观Nichia的专利策略，自1993年开发出第一只商用蓝光二极管开始到2002年，Nichia一直都在通过专利布局构建完整的市场进入障碍，并强调不会为获得收入而向其它公司提供其拥有专利的授权。但技术的快速发展迫使Nichia放弃了独自发展的念头，转而趋向多边技术合作。自2002年以来，迫于与世界几大LED公司之间的诉讼压力，Nichia不得不改变策略，不再以独占市场为发展目标，而与西铁城、欧思朗、拉米尔德、丰田合成、Cree等公司达成了专利交叉许可协议或专利和解。不过Nichia主要限于与可建立技术互补关系的日本、美国以及欧洲的发光二极管相关厂商签署授权合同或交叉授权合同。
4.2 Cree知识产权策略
Cree早期技术来源于北卡罗莱州立大学，随后通过并购（先后并购了Nitres、ATMI的GaN部门、LLF等）、专利独家授权（Boston University）在整个产业链中建立起强大的专利组合。Cree成立初期（1987年～1998年），专利几乎集中于衬底与外延技术上；1999年～2002年，由于并购了Nitres，并开始与加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California, SantaBarbara，简称UCSB）合作，大量累积芯片技术，也开始布局一些封装专利；2003年～2010年，衬底、外延、芯片专利继续布局之外，为配合封装技术的发展，大量布局了LED封装专利。2008年Cree以一亿三百万美元并购前CEO Neal Hunter在2005年离开后成立的LED Lighting Fixture（LLF），取得了19件封装与照明的专利。
与Nichia的“专利不是商品”的专利策略完全不同，Cree将技术许可给多家LED制造商，如住友商事电子、夏普、光宝、欧思朗、Stanley电子和QT光电灯等公司。Cree公司也与日本光电元件供应商罗姆公司和住友商事建立了伙伴关系。另外，Cree还与欧司朗光电半导体达成了SiC/GaN efiwafer和衬底的协议。
由此可见，Cree的专利策略属于一种纵向的知识产权供应链条关系。一方面从上游科研机构获取独占或非独占专利许可，同时加强自身的科研投入，运用专利制度保护知识产权；又向自己的下游战略伙伴许可专利，以解决合作中的核心问题，由此形成了以知识产权为中心的战略联盟。另外，Cree还将专利作为赚取利润的商品，许可给其他厂商获取知识产权利润。
5 小结与借鉴
（1） Nichia和Cree半导体照明领域美国专利申请的起始时间都较早，分别始于1984年和1987年，伴随着各主要国家和地区半导体照明计划的相继制定，申请量都是从2001年～2003年间迅速增加，近年来呈稳定增加态势。说明Nichia和Cree都很重视美国市场，积极在美国进行专利布局。对于Nichia来说，在半导体照明技术发达的美国进行专利布局是基于专利防卫性战略。
（2）Nichia技术创新最主要的主力军为Nakamura和Ishida；Cree半导体照明领域美国专利申请的第一梯队为Negley和Edmond。跟踪他们的期刊论文等，可以了解到更加丰富的技术内涵；对于竞争公司而言，也可以从中寻求合作伙伴，或进行猎头活动。
（3） Nichia和Cree半导体照明领域美国专利申请前三位IPC均为H01L33/00、H01L21/00、H01L29/00，但二者在技术侧重点上也存在差异，如Nichia半导体照明领域美国专利申请中排第五位的C09K11/00技术主题，Cree并未申请专利。而Cree半导体照明领域美国专利申请中排第六位的C30B23/00技术主题，也不是Nichia的专利申请重点。
（4） Nichia和Cree半导体照明领域美国专利大部分为发明专利，说明其技术创新都很活跃，是知识与技术密集型企业。同时Nichia专利申请中外观设计专利的比例约占其全部专利的四分之一，说明Nichia在重视技术的同时，也很重视产品层面的专利布局。
（5） 来自Nichia的借鉴：从独占到授权
2002年以前，Nichia凭借1991年至2001年间取得的74件基本专利，涵盖了LED结构、外延、芯片、封装的制造全过程技术及荧光粉等相关原材料，在半导体照明领域具有绝对垄断地位，主要依靠构建专利壁垒及发起专利诉讼阻止其他厂商进入市场与其竞争，以获取高额的独占市场利益。但技术的快速发展迫使Nichia放弃了独自发展的念头，转而趋向多边技术合作。Nichia“专利不是商品”的策略并没有完全得以贯彻执行，再次验证了市场不可能被某一个体控制和垄断。
Nichia和蓝光之父――中村修二之争已为业界所熟知。1993年中村开发出被称为世纪发明的蓝光LED，1997年开发出紫外LED。但由于待遇太低，而且还被调离研究开发一线，1999年中村离开了Nichia。2000年12月，Nichia以“泄露商业秘密”的嫌疑中村，这一大大地激怒了中村，使他迅速倒向了“反日亚化学”阵营。2001年中村也对Nichia提起了反诉。Nichia和中村之争值得我国企业经营管理人员在对待技术人才的态度上引以为鉴。
6 来自Cree的借鉴：利用“外援”
Cree的专利布局是分阶段进行的：首先集中在衬底、外延，接着积累芯片专利，近年大量布局封装领域。其专利布局的发展是配合技术、产业的发展，除了自主研发，更多的是通过并购等商业行为获取。Cree也善于利用专利诉讼获取市场地位，在诉讼中更善于利用“外援”（如并购或独家授权，和其他公司、研究机构合作技术开发等）。
参考文献
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[7] 杨飞,郭金霞,罗佳秀. LED照明重点企业专利状况分析.中国集成电路, 2011.2
关键词：防雷元器件；性能；应用技术
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006—8937（2012）23—0144—02
防雷元器件主要作用是将线路中感应雷击浪电流泄放到大地，使被保护设备的浪涌电压能限制在被允许的安全电压下。因此，防雷元器件在设计过程中就应该根据可能遇到的雷击电涌电流大小进行相应设计，以便使防雷元器件性能能更好满足实际需求。为了更好保证防雷电器安全，防雷元器件性能好坏将直接影响整个防雷系统的性能和可靠性。为了使防雷元器件更好的在实际应用中发挥其应有作用，除了对其性能进行分析外，还应该对其应用技术进行相应分析。
1 设备被雷击中途径分析
因防雷元器件是为了保护电子设备免受雷电产生的电磁脉冲和过电压影响而设计的。而要想更好对防雷元器件性能进行分析，有必要对设备被雷击中途径进行相应分析。当雷电产生时，雷电会直击会地面物体，或通过空中雷云间放电感应产生电磁场，并在设备或传输线上产生雷电过电压，从而使设备或传输线路受损。相关统计显示，因雷电直击或空间感应而引发的设备、线路损事故是比较少的，而雷电行波从室外的传输线引入室内造成设备和线路损坏事故比较多。而室外传输线主要包括输入信息的金属线和馈电交流线路等。其中传输信息的线路主要有架空线路、埋地线路和钢轨等相似传导体。架空线一般为通信明线、架空电厂缆线或相似线路、埋地线则主要包括电缆和光缆。在这种情况下，就应该在设备中装上防雷元器件，以避免设备被雷击中，而使设备无法正常运行。而要想使防雷元器件在设备中更好发挥其作用，还需要防雷元器件性能进行相应分析。
2 防雷元器件性能分析
过压保护元件实际应用中的作用是将雷电冲击能量尽可能的泄掉，以免过电压进入设备内部而造成设备损坏。在实际应用过程中，为了保证设备安全，避免设备损坏现象出现，过电压元器件必须具备能承受冲击能力，尽可能保证元器件在强大雷电流冲击下仍能保证设备正常运行。其也应该具备瞬间应付过电压并保证残压在设备安全电压范围内，以避免不必要的安全隐患。同时电压元器件本身也应该具有较高的稳定性和可靠性，即便多次受电压冲击，也能始终保持其性能。而要想使上述性能得以保证，还应该对开关元件、限压元件和防过热和过流元件进行分析。
2.1 开关元件分析
开关元件一般包括陶瓷气体放电管、玻璃放电管和半导体过压保护器。这三种类型的最大优势是开关元件导通前，其全部处于开路状态，电阻较大且少有漏电流，导通后，就会处于短路状态，即便压降较小，也可以通过较大的电流。而三种类型开关元件各有优势。开关元器件类型中除了一些半导体过压保护外，其都具有双向特性。而陶瓷气体放电管和玻璃放电管的电容相对较小。电压速度来说，玻璃放电管和半导体过压保护器的影响速度比较快，甚至达到ns量级。玻璃放电管的击穿电压则是这三类开关元件最高的，虽然半导体过压保护器击穿电压不如玻璃放电管高，但是其穿击电压准确性是较高的。然而开关元件三种类型有优势的同时，也有劣势，尤其是陶瓷体放电管。因电气电离需要一定时间，其反应速度相对于其他开关元件类型说，影响速度较慢。这就使得其在开通之前，就有较大漏电流。同时，玻璃放电管击穿性能和分散性也比较大，击穿过程中只有几个特定值，使防雷元器件实际工作中无法满足设备需求。
2.2 对限压元件进行分析
限压元件主要包括压敏电阻和TVS管。这两类限压元件在实际应用过程中，有着和二极管一样的限压性能。如果导通电压大于外压电压时，其内阻机会很大，其漏电流也相对较小。如果导通电压小于外加电压时，其内阻就会变小，其电流也会随之增大，甚至产生较大的过电流。即便电流较大，对设备两端电压的影响也并不是很大，只有小幅度的上升。同时这两种限压元件也具有低压到高压系列值，可以在多种电压电路中使用。但因这两种限压元件电容相对较大，不能在高频电路中使用。压敏电阻作为硅化晶半导体过电压抑制器，是较为典型的过电压保护器。其在实际应用过程中是随着外加电压进行变化的非线性元件，和放电气管比较，其对冲击电压的影响速度更快。同时压敏电阻也能承受较大的浪涌电流，最大能承受上百kA浪涌电流。然而因压敏电阻漏电流较大，其分线性较差，即使较放电气管影响速度快，但是其限制大电流较高，其承受冲击能力将会随着冲击次数的增加而减弱，其老化程度也较快，与TVS管相比，压敏电阻反应速略逊一筹；而TVS管非线性性能与稳压管性能相似，其不仅具有动态电阻低、限制电压低优势，同时也有不易老化、使用寿命长和反应快等优势。然而TVB管在实际应用过程中，同流能力却较弱。
2.3 对防过流和防过热元件进行分析
防过流元件中应该有自恢复保险丝和电流保险丝、电阻，而防过热保护和过热检测元件则应该有温度保险管和温度保险丝。之所以要用自恢复保险丝是因为其属于温度系数热敏电阻。将其应用在防过流和防过热元件时，其电流可能会小于保持电流，这时的电阻也会随之变小。如果电阻超过触发电流，防过流和防过热元件阻值会也会随之增大，从而阻断雷电流入侵，当温度降低后设备将会自行恢复。但是也应该考虑其热惰性，一旦出现热惰性，就可能会使反应速度变慢。不管如何用自恢复保险丝代替电流保险丝，在一定程度上可以避免更换保险丝。当温度异常时，保险管开关也可以随时断开。
关键词：汽车驱动桥；差速器；十字轴
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）09-0066-03
1 汽车差速器介绍及工作原理
1.1 汽车差速器介绍
汽车驱动桥位于汽车传动系统的末端，主要由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等组成。其功用是：
①将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、半轴等传到驱动轮，实现降低转速、增大转矩。
②通过主减速器锥齿轮副改变转矩的传递方向。
③通过差速器实现两侧车轮的差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向。
1.2 工作原理
汽车差速器的工作原理是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的角速度滚动，以保证两侧驱动轮与地面间作纯滚动运动，如图1所示。差速器能起差速作用，主要是行星齿轮起了重要作用。行星齿轮有三种运动方情况，即：公转、公转+自转、自转。
两侧车轮转弯时，外侧车轮边滚动，边滑移；内侧车轮边滚动，边滑转如图1所示。
①当汽车直线行驶时：两侧车轮以相同的速度转动，则行星齿轮绕半轴轴线转动，即被两半轴齿轮紧固中央，不能自转，只能公转。
②当汽车转弯行驶：内侧车轮驶过的距离短，外侧车轮驶过的距离长，此时内轮受到的地面阻力大于外轮受到的地面阻力，行星齿轮在公转的同时，还绕自身的轴线转动，即是自转。因此，两半轴齿轮就能带动两侧车轮以不用转速转动。
2 汽车差速器的构成
汽车差速器有锥齿轮式和圆柱齿轮式，本文重点讲述汽车上广泛应用的对称式锥齿轮差速器，其结构如图2所示。对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、十字轴、半轴齿轮和差速器壳等构成，装配关系为：差速器壳由左壳1和右壳5组成，并用螺栓6紧固。装合时，十字轴8的四个轴颈嵌在差速器壳两半端面上相应的凹槽所形成的孔内，差速器壳的剖分面通过十字轴各轴颈的中心线。每个轴颈上套着一个直齿行星齿轮4，它们均与两个直齿半轴齿轮3啮合。而半轴齿轮的轴颈分别支承在差速器壳相应的左、右座孔中，并借花键与半轴相连。动力从主减速器的从动锥齿轮依次经差速器壳、十字轴、行星齿轮、半轴齿轮及半轴输出给驱动轮。当两侧车轮以相同的转速运动时，行星齿轮绕半轴轴线运动（即公转）；若两侧车轮阻力不同，则行星齿轮在公转的同时，还绕自身轴线转动（即自转）。因此，两半轴齿轮带动两侧车轮以不同转速转动。
3 汽车差速器常见故障及分析
汽车在行驶中，主要存在以下差速器常见故障。
3.1 差速器损坏
3.1.1 驾驶员对差速锁操作不当，导致差速器损坏
差速器的作用主要用于汽车转弯时，左右车轮以不同的转速行驶，实现左右车轮的自动差速功能，避免磨损轮胎和造成机械损坏。
当汽车单边车轮驶入光滑或泥泞路面而打滑，汽车无法驶出时，此时将差速锁挂合，左右半轴成为一根刚性连接轴，汽车自然会驶出故障路面。当汽车驶出故障路面时，应立即将差速锁摘除，否则会产生轮胎严重磨损和打坏差速器的故障。
3.1.2 油位低、油质差导致不良，造成差速器损坏
汽车行驶中，驾驶员未及时观察油面孔，造成油位线过低，导致不良。有时因油品价格问题，添加了市场上劣质油品，也会导致不良，从而造成差速器损坏。
3.2 差速器中十字轴断裂
车辆行驶中，有时会突然听到响声，此时传动轴传动但车辆无法行驶。经拆解主减速器总成，打开差速器壳发现十字轴已发生断裂，同时损坏了差速器壳、主锥齿轮、半轴齿轮、垫片等相关零件，断裂图片如图3所示。
经对十字轴的断裂件做理化分析，图纸要求的材质为20 CrMnTi。采用国标标准GB/T 3077-1999检验化学成份，其C、Si、Mn、Cr、Ti等元素全部符合标准要求。
采用QC/T262-1999、JB 8925-2008、GB/T230等标准，对十字轴的表面硬度、心部硬度、淬硬层深及金相组织进行检验，发现个别断裂件的心部组织不合格，为中等粗细板条马氏体+较多铁素体（5级），超出1～4级的标准要求，还有淬硬层深超过0.8～1.2 mm标准要求的情况。
由此分析，十字轴在渗碳工艺处理中，形成了非马氏体的组织。非马氏体组织的存在，降低了十字轴的表面硬度，降低了耐磨性及零件疲劳极限，并且在组织内部容易产生细微裂纹，导致产品断裂。此外，渗碳层深也容易产生非马氏体的组织，导致产品有断裂的隐患。
3.3 差速器不差速
十字轴轴颈磨损失圆、行星齿轮垫片研损等，导致行星齿轮无法自转，差速器不差速的故障。售后市场最常见的就是十字轴轴颈部位的磨损，造成差速器不工作。
从差速器的工作原理可知，十字轴异常磨损会引起车辆差速时异响。主要表现为车辆在转弯、凹凸不平路面或泥泞路等路况行驶，会听到异响。
因此，在判断异响是否为十字轴原因引起时首先向用户了解清楚车辆是否在差速时有异响。
若是车辆在转弯、凹凸不平路面或泥泞路等路况行驶时产生异响，此时十字轴可能发生了问题。
其故障原因分析见表1。
4 差速器故障的解决方案
4.1 差速器损坏
对差速器损坏问题的正向分析，发现问题的产生原因是驾驶员对差速器操作不当或齿轮油质量差、油位低引起的损坏故障。因此，解决方案是编制驱动后桥的维修保养手册，明确差速锁的正确使用方法，差速锁操作中的注意事项，差速锁的检查方法等。在车辆进站保养中，指导驾驶员应经常检查主减速器的油面高度，不足时及时添加。首次运行2 000～4 000 km的强制保养时应更换齿轮油，强保后车辆每运行20 000 km应更换一次齿轮油。严禁添加市场上劣质油品，严格按规定加油和换油，才能避免差速器的损坏。
4.2 差速器十字轴断裂
对差速器十字轴的断裂件进行原因分析，发现十字轴产品的金相组织和渗碳层深是问题发生的主要原因。经讨论，采用以下解决方案：
①将十字轴产品的材质由20 CrMnTi更改为22 CrMoH，下面做一对比说明，见表2。
由表2可以看出，合金钢22 CrMoH与20 CrMnTi对比，在化学成份、淬透性、有效渗碳层深、非马氏体组织的厚度等方面，均具有较强的优势。22C rMoH钢的淬透性高，在渗碳淬火工艺中更容易渗碳到零件心部，避免心部产生较多的铁素体，减少非马氏体组织的厚度，提高零件的疲劳极限。
{2}增加十字轴产品的表面磁粉探伤工艺。
十字轴产品的生产工艺：
下料锻造正火抛丸粗加工渗碳精加工成品
由生产工艺得知，十字轴在锻造及渗碳工艺时，容易产生细微裂纹，影响零件的质量，造成断裂隐患。因此，采用在锻造和渗碳工艺后增加两次表面磁粉探伤工艺，杜绝十字轴细微裂纹件流出。
4.3 差速器十字轴异常磨损
对差速器十字轴异常磨损的失效件进行分析，主要是十字轴轴颈位磨伤和磨痕、发亮问题。对于轴颈位磨伤问题，要求各服务站指导驾驶员及时检查油品质量、油位高低，并且更改了十字轴的材料，提高了表面硬度及耐磨性。
对于轴颈位磨痕、发亮问题，由于十字轴与行星齿轮之间发生公转、自转的运动，且十字轴与行星齿轮均属刚性零件，必然会发生表面的发亮现象。因此，在判定十字轴产品是否有异常磨损，不能仅以目测的发亮作为依据，还需依靠外径千分尺对四个轴颈位分别进行测量，记录磨损后的实际外径尺寸，与磨损极限做对比，从而决定是否需更换十字轴。
根据表3的十字轴尺寸，需选用25-50/0.01规格的外径千分尺进行测量十字轴外径尺寸，测量时需检测十字轴每个轴颈外径尺寸并记录数据（注意：测量前需将十字轴轴颈表面擦拭干净），当检测尺寸小于十字轴磨损极限时，则认为十字轴已经磨损此时需更换十字轴，当检测尺寸大于十字轴磨损极限时，可继续使用，无需更换十字轴。
5 结 语
本文对汽车后桥差速器做了简单介绍，阐述了差速器的工作原理和结构组成。针对汽车差速器售后市场常见的故障逐条进行了详细的原因分析。结合市场的失效件分析结果，制定了有效的解决方案，大大减少了市场赔偿损失，提高了产品的竞争力。
参考文献：
关键词：高速动车组；控制回路；接插件；半导体；继电器；控制指令；偶发性故障
中图分类号：F40 文献标识码：A
1概述
高速动车组是一种高速移动的客运装备，具有系统集成度高、运营环境复杂的特点，其控制回路作为动车组控制神经中枢，控制元器件多、回路接点多，在复杂电磁场、高速移动产生的各种冲击震动等复杂工作环境下，控制回路中半导体元器件、电路插接件易出现瞬间击穿后恢复或接触不良等问题，因上述问题引发控制回路出现错误指令而导致各种故障，由于控制系统复杂，问题又具有偶发性，在库内进行检修时很难发现故障点，为动车组上线运行埋下隐患。因此有必要根据控制回路结构、故障特点，研究处理此类故障的处理方法，提高此类故障诊断处理水平和效率，保证高速动车组运行秩序和安全。
2高速动车组控制回路系统原理和故障特点
2.1高速动车组控制回路系统原理
控制回路系统原理特点和示意图：高速动车组整个控制回路由多级控制回路构成，整个回路使用的接触器、继电器、光耦等半导体元器件数量特别多，回路线路贯穿整列动车组，回路中包含多个压接端子、连接器构成的接线点，具体原理示意图如图1：
2.2常见故障种类和特点
（1）高频震动引发接线点接触不良导致的指令瞬断问题：高速动车组控制回路中含有大量的连接器插针、接线端子构成的接线点，这些接线点在动车组高速运行过程中产生的高频震动作用下，个别端子出现瞬间接触不良引发控制指令中断，导致动车组偶发性故障。
（2）继电器触点电蚀在高频震动环境下接触不良导致的指令瞬断问题：高速动车组控制回路中含有大量的继电器，这些继电器触点长期在复杂的电气环境中工作，浪涌电压等造成个别继电器触点电蚀表面局部碳化，出现电蚀表面局部碳化的继电器触点在动车组高速运行过程中产生的高频震动作用下瞬间接触不良，引发控制指令中断，导致动车组偶发性故障。
（3）半导体元器件在复杂电气环境下瞬间截止不良导致指令异常问题：高速动车组控制回路中含有光耦、续流二极管等半导体元器件，这些半导体元器件长期在复杂的电气环境中工作，浪涌电压等易造成半导体元器件瞬间击穿导通，引发异常控制指令输出，导致动车组偶发性故障。
（4）典型故障波形：控制回路接线点松动引发控制指令异常中断，见图2。
（5）故障特点：
①故障具有偶发性、隐蔽性：控制回路瞬间中断或异常输出，故障持续的周期非常短，随车人员来不及检查，故障现象已经消失。
②故障通过试验手段不易检测：由于无法模拟动车组复杂的运行环境，故障通过静动态试验无法模拟再现。
③影响高速动车组运行秩序：动车组控制回路控制动车组的牵引、制动输出，控制回路指令异常极易造成停车晚点故障。
④故障点不易查找，影响动车组上线运行：由于故障具有隐蔽性，往往在一定的周期内发生在特定的环境下，造成难以查找处置，为动车组后续上线运行埋下隐患。
3故障查找方法和监测设备研究
3.1常用方法
一般的故障现象长期存在，根据系统原理结合故障现象，分析出故障部件或部位，更换故障部件或修复故障部位故障即可消除；但对于偶发性故障，由于故障现象持续时间单位为毫秒级，很难结合系统原理分析出具体的故障部件或部位；例如对于接线点松动问题，一般可以采用低电阻测试仪测试，但高速动车组接线点的松动是在特定的环境下才发生，因故障发生的环境无法模拟，因此无法测定；另外整个控制回路由数量巨大的元器件、接线点组成，更换配件排除故障的方法显然不适用。
3.2控制回路偶发性故障查找方法和设备研究
通过控制回路系统原理、控制回路常见偶发性故障种类和特点可以看出，这类故障主要是接触不良等造成的电压信号中断，动车组控制回路的电压一般在100V以下，常用的低电压计数器可测试电压的中断情况，并且这种电压计数器体积小，容易临时安装。如下图，可在整个控制回路选取一定数量的测量点，监测电压的中断情况，正常的控制指令，同一条回路断开的次数应该一致，在控制回路发生异常中断时，中断点后的电压计数器记录的电压中断次数会比前面多一次，根据这种情况可缩小故障的查找范围，当故障点缩小到一定范围（一般缩小到同一个车厢10个以下的接线点和器件），可改用示波器量化测试具体电气参数，分析故障原因是浪涌等异常电压导致还是松动导致，判断故障部件或部位，进行故障修复处理。
结语
通过上述方法，实现了对动车组庞大的控制系统回路偶发性故障的监测，通过对监测数据的分析，逐步缩小故障范围，查找判断处置故障，提高了此类故障的诊断手段和水平，保证高速动车组运行秩序和安全。
参考文献
关键词：信息技术；电工电子实验课；整合；教学模式
中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：16727800（2011）012021802
作者简介：李忠会(1965-)，女，吉林九台人，硕士，长春市建设技工学校高级讲师，研究方向为教育管理。1电工电子实验课教学模式现状分析
1.1实验课教学中重理论轻实践
当前许多中职学校的电工电子实验课基本上是单一的重知识培养的“学科中心”教学模式，很少采用重能力培养的教学模式，因此开发与选择符合中职学生学习特点的教学模式是提高教学质量和教学改革的主要任务之一。
1.2教学中没有发挥学生的主体作用
在知识和能力培养上，过于重视知识的传授，忽视对学生实验技能的培养，特别是创新能力的培养，教学中不注重培养学生的问题意识，没有发挥学生的主体作用。
1.3实验课教学评价方法单一
目前，实验课评价一般采取两种方式：一是书面形式，考核学生对实验结果或验证理论的掌握；二是操作观察，在学生做实验时检查学生操作的情况。这两种方式，在形式和内容上都不能反映出学生的能力水平和实验态度，很难体现学生对所学知识的掌握程度和理解能力，更不能培养学生的创造能力。
2信息技术与电工电子实验课整合的教学模式
信息技术融入教学，可以有效发动学生参与教学，促进教学互动。笔者在中职学校电工电子实验课的教学实践中，总结出信息技术应用于电工电子实验课教学的整合模式，即演示―模拟―验证模式和网络环境下基于问题的学习模式(ProblemBased Learning，简称PBL模式) ，体现了信息技术应用于电工电子实验课教学的优势。
2.1演示―模拟―验证模式（利用仿真软件实现教学演示的模式）2.1.1模式特点
用电路仿真软件，通过虚拟电子元器件、虚拟仪器仪表，在计算机平台上模拟各种电路进行设计、计算，把一些相对复杂的理论知识通过清晰直观的实践教学体现出来，弥补了实验仪器、设备不足带来的缺憾。
2.1.2模式的基本流程
① 教师创设情境、引入新课：建构主义强调创设学习情境使学习者进入情境，创设情境是实现意义建构的必要前提；②提出问题，演示实验：教师用实物仪器、仪表演示实验复习上次课的内容，引入本次课的实验和课程主题；③教师利用计算机进行模拟实验：教师先是在多媒体屏幕上模拟演示仪器、仪表的构成和操作原理，再利用仿真软件中的仪器、仪表练习，并用它们验证分析课程内容；④学生验证实验：由学生亲身体验探究的过程，培养解决问题的能力；⑤数据分析概括：通过计算机模拟真实的情境，获得在现实中不便或不能获得的真实体验；⑥结论：要求学生分析所观察的实验现象，利用各种方法分析、处理记录的数据；⑦应用：学生将获得的结论或现象应用和解决一些问题。
2.1.3教学示例：《练习使用示波器》
在电工电子实验课教学中，示波器是完成实验操作和学好电工电子课的重要仪器，在实验设备、仪器有限的情况下，利用演示―模拟―验证模式，应用仿真软件，使每个学生都能学会使用示波器，达到本次课的教学目的。
教学过程：首先展示大屏幕（图1）。
①认识示波器构造原理；②认识示波器的面板；通过多媒体展示大屏幕（介绍名称和作用）；③教师通过实际示波器演示观察波形（各组分组）；④教师利用计算机进行模拟实验过程（大屏幕显示）；分组学生利用多媒体仿真软件模拟操作示波器各旋钮的作用及模拟操作实验分析过程。；⑤利用多媒体仿真软件验证实验数据：学生利用多媒体电学平台验证操作，掌握示波器各部分的作用；利用仿真仪器、仪表操作，对实验数据分析、类比、验证上述实验过程。
图1示波器原理结构
2.1.4教学反思
演示――模拟――验证模式解决了实验设备和仪器、仪表不足的情况，仿真软件给电工电子实验课教学带来了巨大的变革，改进了学生的学习方式。
2.2网络环境下基于问题的学习模式(ProblemBased Learning简称PBL模式)2.2.1模式的特点
网络环境下基于问题的学习模式是通过教师的主导作用，学生以 “问题”为中心，以“多媒体计算机网络”为工具，以“网络资源”为中介，以“问题解决”为结果，展开个性化、合作化学习。
2.2.2模式的基本流程
（1）创设情境，提出问题：教师运用信息技术在课堂上创设能够引起学生兴趣的情境，同时提出一些激发学生学习动机的问题。
（2）分析问题、组织分工：帮助学生准备解决问题需要的材料，确定研究计划后进行小组分工。
（3）探究、解决问题：首先尝试运用原有的知识解决问题，同时通过各种途径（查阅书籍、上网等）搜集相关信息。将搜集的信息进行汇总、整理、分析，判断搜集的信息是否能够解决问题。
（4）展示结果：展示各小组对解决问题的建议、方案等。
（5）评价、总结：在成果汇总之后，教师要采用多种方式评价各小组的解决方案、小组的合作情况和小组成员的表现等，如同伴互评、教师评价、自我评价等。
2.2.3可能遇到的问题
（1）在基于问题的学习中，学生对整个问题的解决过程需要大量的时间，而课时有限，教师要在课前先布置一些内容。
（2）如何调动学生在这种学习模式中的主动性和参与度，教师要多给予学生指导和支持，多让学生尝试。
2.2.4教学示例：认识常用的半导体器件
教学目标：
（1）了解常用半导体器件的种类、结构和作用。
（2）了解当今半导体器件的最新科技动态及在电子线路中的作用。
教学过程
①问题情境创设
在日常生活中，你了解哪些电子产品，知道哪些电子元器件？
参考资料：认识半导体器件，了解最前沿的电子科技产品。
②提供以下资源
半导体器件的发展和应用
电子元器件简介
可以通过搜索引擎获得自己想要的资源
http：//www．google．com
http：//www．baidu．com
③可供选择的学习专题
晶体二极管、晶体三极管、单结晶体管、晶闸管
④各小组确定专题，进一步细化专题
⑤小组讨论，分工合作完成学习任务
⑥评价：教师提供评价指导，由学生进行自我评价、同学间评价和小组评价。
2.2.5教学反思
利用网络下基于问题的学习模式让学生带着问题去主动探索、学习，了解最先进的知识动态和科技发展前景，让学生更好地掌握所学知识。
3结束语
本论文教学模式的研究还有待进一步完善和改进，教学模式构建的理论知识还需要补充和加强。随着信息技术与课程整合的不断深入，相应的信息技术应用于学科教学的软件和网站将不断推出，在今后的教学实践中，应进一步发挥信息技术的优势，优化中职学校的实验课教学，培养出更多的实用技术型人才造福人类。参考文献：
[1]雷体南.信息技术与课程整合：信息化教学设计[J]．软件导刊 ,2005（12）.
[2]雷体南.网络环境下课堂教学过程设计与实践的探索[J]．教育信息化, 2005（15）.
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