變頻空調(diào)開關(guān)電源電路開關(guān)芯片炸失效分析與研究

熊克勇 項永金 崔斌 蘇升衛(wèi) 王奎 尹粵卿

摘要：變頻空調(diào)控制系統(tǒng)用控制器在實際應(yīng)用一段時間后出現(xiàn)主板失效問題，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及實際主板失效分析確定是開關(guān)電源電路中的開關(guān)芯片炸失效導(dǎo)致，該問題一直是困擾著空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)難題，問題長期存在沒有得到有效解決方案，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文從器件可靠性、應(yīng)用開關(guān)電源電路系統(tǒng)設(shè)計、實際應(yīng)用環(huán)境等方面進(jìn)行全面驗證分析，最終將開關(guān)芯片炸失效原因找到，并采取有效方案解決。

關(guān)鍵詞：變頻空調(diào) 開關(guān)電源 開關(guān)芯片 應(yīng)用環(huán)境

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.010

引言

變頻空調(diào)是時代發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐步普及走進(jìn)千家萬戶，空調(diào)除了具有基本的制冷、制熱作用外，其功能日益多樣化。要求也提高：節(jié)能、環(huán)保、舒適、低分貝、用戶觸控體驗效果。實現(xiàn)這些功能離不開高可靠性的控制器系統(tǒng)，其中開關(guān)電源供電系統(tǒng)在控制器中承擔(dān)關(guān)鍵作用，為各電路正常工作提供電源，使各單元電路按照整體系統(tǒng)設(shè)計控制目標(biāo)完成相應(yīng)的控制、檢測、保護(hù)等，完成空調(diào)各種功能如制冷、制熱、掃風(fēng)、顯示等的目的，以實現(xiàn)空調(diào)舒適、完美體驗。

作為空調(diào)中控制器中的重要電路，開關(guān)電源部分一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致空調(diào)整體功能失效，而且維修需要全機(jī)導(dǎo)通檢測，維修麻煩、難度高，維修成本高，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致控制器爆板，空調(diào)整機(jī)燒毀，造成嚴(yán)重的安全事故。因此研究開關(guān)電源電路、開關(guān)芯片炸失效模式、失效機(jī)理非常重要，采取有效方案解決全面提升開關(guān)電源電路整體工作的可靠性，從而降低其售后故障率，減少控制器維修成本，提高消費(fèi)者對品牌的滿意度具有十分重要的意義。

經(jīng)對開關(guān)芯片失效模式、失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)我司三款開關(guān)芯片售后均有失效。開關(guān)電源電路芯片炸等失效一直也是空調(diào)甚至整個行業(yè)長期存在難題，均未有有效的解決方案，經(jīng)過大量對器件核心參數(shù)、整機(jī)開關(guān)電源電路實驗驗證分析測試開關(guān)波形發(fā)現(xiàn)為變壓器在高溫高濕條件下，離散的發(fā)生了磁飽和導(dǎo)致開關(guān)芯片炸，最終采取有效方案解決問題.該方案對空調(diào)等行業(yè)在開關(guān)電源電路設(shè)計提供設(shè)計開發(fā)思路借鑒與參考.

1事件背景

變頻空調(diào)控制系統(tǒng)用控制器在實際應(yīng)用一段時間后出現(xiàn)主板失效問題，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及實際主板失效分析確定是開關(guān)電源電路中的開關(guān)芯片炸失效導(dǎo)致，經(jīng)過多年的跟蹤空調(diào)實際應(yīng)用維修數(shù)據(jù)，因開關(guān)芯片炸失效導(dǎo)致售后投訴單數(shù)達(dá)268單，占整個控制器售后故障率15.9%，控制器售后大比例失效嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實際體驗效果。問題急需進(jìn)行分析研究解決。

2芯片失效原因及失效機(jī)理分析

2.1開關(guān)芯片失效檢測分析

將安森美、三肯開關(guān)芯片炸主板多次寄給對應(yīng)廠家分析，及各廠家現(xiàn)場來司協(xié)助分析，一致認(rèn)為開關(guān)芯片炸主要還是漏極過電沖擊損傷導(dǎo)致?lián)舸┦?，是芯片本身質(zhì)量問題還是電路設(shè)計問題，經(jīng)過分析不排除芯片本身質(zhì)量、開關(guān)電源磁飽和、高頻變壓器器件異常、主板使用工作環(huán)境等因素導(dǎo)致。

開關(guān)芯片失效開封圖片如下圖1。

2.2各廠家開關(guān)芯片極限參數(shù)測試

售后開關(guān)電源電路中開關(guān)芯片炸失效，經(jīng)過對器件失效分析為過電擊穿失效，售后應(yīng)用出現(xiàn)大概率失效不可能全部是用戶電源出現(xiàn)異常，是否是芯片抗極限耐壓及浪涌沖擊能力較差。三個廠家開關(guān)芯片在售后均出現(xiàn)失效（使用開關(guān)芯片信息如表1），其中安森美開關(guān)芯片失效最多，是否是各廠家芯片極限耐壓整體偏低，存在差異性。帶著這些疑問對各廠家使用開關(guān)芯片進(jìn)行極限參數(shù)杜比分析，通過對售后失效器件對應(yīng)開關(guān)芯片進(jìn)行核心參數(shù)分析及相關(guān)數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明，ON、三肯、科匯廠家開關(guān)芯片極限耐壓均可以達(dá)到700V，其中三肯開關(guān)芯片極限耐壓最高達(dá)820V，平均在760V。科匯開關(guān)芯片相對較差（極限耐壓對比測試數(shù)據(jù)如下表2）。

通過器件單體核心參數(shù)檢測對比，器件方面差異沒有較大明顯區(qū)別。售后突出失效與開關(guān)芯片可能沒有直接關(guān)系。

2.3磁飽和分析

開關(guān)芯片炸失效經(jīng)過對器件相關(guān)參數(shù)，可靠性對比分析，可能不是開關(guān)芯片本身問題，開關(guān)電源設(shè)計考慮是整個系統(tǒng)設(shè)計，非單個器件。出現(xiàn)開關(guān)芯片炸失效是否是電路設(shè)計存在問題，是否是出現(xiàn)磁飽和。

我們知道開關(guān)電源磁飽和與電路中相關(guān)器件配合等有直接關(guān)系，開關(guān)芯片、高頻變壓器、輸入電源、應(yīng)用環(huán)境等都是影響開關(guān)電源可靠性關(guān)鍵問題。開關(guān)芯片失效是否與磁飽和有關(guān)，如果是哪些因素影響導(dǎo)致，針對產(chǎn)生眾多個疑問開關(guān)全面分析驗證。

2.3.1常態(tài)環(huán)境

常態(tài)環(huán)境電路與高頻變壓器（12年底整改后制品）搭配后，測試Vds漏極電流最高峰值約800mA，未發(fā)現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，即未出現(xiàn)過流，Vds多次驗證未出現(xiàn)超過600V及以上電壓，即未出現(xiàn)過壓。（測試波形圖片如下圖2）

常態(tài)環(huán)境：通過將售后多單故障件交給廠家分析及來司現(xiàn)場分析，常態(tài)條件下對開關(guān)芯片漏極電流波形檢測沒有發(fā)現(xiàn)存在磁飽和異常，但是從檢測波形看，電流峰值逐漸接近磁飽和，特別是安森美廠家開關(guān)芯片對應(yīng)電路。

2.3.2高溫高溫環(huán)境

高頻變壓器使用磁性材料為鐵氧體，由于磁材特性當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到一定溫度后磁性有衰退現(xiàn)象，會出現(xiàn)退磁，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)磁飽和異常，導(dǎo)致開關(guān)芯片炸失效，統(tǒng)計數(shù)據(jù)售后失效控制器多為8、9月份，當(dāng)時空調(diào)運(yùn)行環(huán)境溫度比較高，這個可能是個因素。

磁材磁性一致性不好，或是高頻變壓器預(yù)留抗飽和度余量低，在高溫下提前出現(xiàn)退磁，也是會影響開關(guān)芯片正常工作。空調(diào)實際應(yīng)用中出現(xiàn)開關(guān)芯片炸失效具體是什么原因失效，是受溫度、濕度影響還是綜合影響導(dǎo)致結(jié)果，針對問題展開全面驗證分析，測試開關(guān)芯片漏極電流波形如下圖3、4。

高溫高濕環(huán)境：控制器整機(jī)高溫高濕環(huán)境下，開機(jī)后開關(guān)芯片工作瞬間檢測開關(guān)芯片漏極電流波形出現(xiàn)低概率的磁飽和現(xiàn)象，經(jīng)過測試開關(guān)波形發(fā)現(xiàn)為變壓器在高溫高濕條件下，離散的發(fā)生了磁飽和導(dǎo)致開關(guān)芯片炸。

2.3.3分析總結(jié)

磁飽和異常與廠家多次交流分析討論，逐一排查磁性材料、電感線圈繞線工藝等異常將問題鎖定在開關(guān)電源電路抗磁飽和設(shè)計余量上，最終確定整改方案：調(diào)整高頻變壓器初次級匝數(shù)，通過增加線圈匝數(shù)降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強(qiáng)度，進(jìn)而解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和異常問題。

3開關(guān)芯片失效整改措施

3.1開關(guān)芯片失效解決方案

解決方法：調(diào)整高頻變壓器初次級匝數(shù)（具體調(diào)整線圈匝數(shù)如下圖5、6），通過增加線圈匝數(shù)，降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強(qiáng)度，進(jìn)而解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和異常.整改內(nèi)容具體方案調(diào)整：43110329-4311032901/2/3

4整改效果評估及應(yīng)用效果驗證

新制品經(jīng)過整機(jī)驗證測試抗磁飽和強(qiáng)度大幅度提升，經(jīng)過實際驗證顯示即使再次出現(xiàn)售后惡劣使用環(huán)境，也不會出現(xiàn)磁飽和異常，電路設(shè)計整改后實際試驗測試驗證抗磁飽和強(qiáng)度提升40%，有效解決問題.長期跟蹤過程及售后失效率為零，實際整改效果顯著。整改后高溫高濕環(huán)境芯片漏極電流波形檢測如下圖7。

5開關(guān)芯片失效整改總結(jié)及意義

本次售后大批出現(xiàn)開關(guān)芯片失效屬于開關(guān)電源電路設(shè)計缺陷，在電路設(shè)計開發(fā)時未能有效考慮到實際設(shè)計開關(guān)電源電路非常規(guī)條件下磁飽和問題導(dǎo)致實際應(yīng)用中出現(xiàn)重大質(zhì)量問題，本次整改從整體提升開關(guān)電源設(shè)計可靠性角度出發(fā)具體為調(diào)整高頻變壓器初次級匝數(shù)，通過增加線圈匝數(shù)，降低了Bsat值有效提高高頻變壓器抗磁飽和強(qiáng)度，進(jìn)而有效解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和問題。