PFC電感漆包線表面破損對產(chǎn)品性能的影響

張 斌 朱佳麟 姚元杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

交流電網(wǎng)電壓經(jīng)整流分壓供給電子設(shè)備和家用電器，是一種基本的變換方式。開關(guān)電源主要經(jīng)過低通濾波、全波整流、電容濾波后，輸出直流。由于受負載的影響，輸出電流將會發(fā)生畸變，呈現(xiàn)出一種脈沖波[1]。這種波對電子設(shè)備極為不利，同時也給供電電網(wǎng)帶來危害，使輸出功率因數(shù)下降，即視在功率遠大于有用功率，電網(wǎng)質(zhì)量嚴重受損。所以發(fā)達國家率先采用了多種功率因數(shù)校正（PFC）方法，來實現(xiàn)“綠色能源”革命，并強制推行了國際標準IEC 55-2、EN 60555-2等，限制電子生產(chǎn)廠家入網(wǎng)電氣設(shè)備的電流諧波值[2]。在變頻空調(diào)中采用PFC模塊具有下列優(yōu)點：①PFC模塊能輸出穩(wěn)定的電壓給下一級電路，特別適合供電電壓變化大的地方使用；②在正弦波驅(qū)動的壓縮機中，采用PFC模塊供電將可使壓縮機的工作頻率更高，可達到110 ～120 Hz，更能發(fā)揮壓縮機的性能。PFC模塊其關(guān)鍵部件就是PFC電感[3]。

1 PFC電感破損的原因及改善

1.1 破損現(xiàn)象介紹及產(chǎn)生原因研究

PFC電感最常見的故障就是繞組絕緣失效，其具體表現(xiàn)為漆包線表面絕緣皮破損，過電時出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品燒毀失效[4]，見圖1。

圖1 線圈與磁芯均過熱燒毀，絕緣層均已經(jīng)碳化

對破損產(chǎn)生原因進行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)目前行業(yè)內(nèi)空調(diào)所使用的PFC電感均采用手工繞線制作，具體生產(chǎn)流程見圖2。

圖2 PFC電感生產(chǎn)工藝流程

對生產(chǎn)過程進行全流程排查分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾點隱患：

①原材料漆包線來料時就存在不良，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過程中漆包線涂覆漆膜時，涂覆毛氈長時間使用導(dǎo)致雜質(zhì)增多，從而致使不良產(chǎn)生。

②手工繞線過程存在臺鉗防護磨損，造成金屬外露，繞線時損傷漆膜隱患；裁線盛放容器不規(guī)范，存在漆膜損傷隱患；以及引線前端和末端尖銳部分拉環(huán)繞線時刺破線材隱患。

③測試電壓及脈沖頻次較低，產(chǎn)品測試合格，未能有效檢出不良導(dǎo)致流出。

④外觀檢驗無法使用視覺檢測設(shè)備，采用人工目視檢驗，存在檢出不足，漏檢現(xiàn)象。

1.2 破損問題防治方法

針對PFC電感破損問題的主要整改思路是：抑制原材料不良，加強過程防護，同時加嚴測試要求，提高檢出率，減少不良產(chǎn)生及流出。

目前從可實現(xiàn)性、經(jīng)濟實用性和質(zhì)量可靠性的角度，具體可以從以下幾個方面進行整改：

1）原材料方面：漆餾管控，毛氈更換頻次增加，由每天更換一次提高到半天更換一次，降低雜質(zhì)堆積從而控制漆包線漆餾產(chǎn)生。

2）生產(chǎn)過程方面：將漆包線繞制成“彈簧線”，將“彈簧線”兩頭進行焊錫，防止生產(chǎn)過程中劃傷或刺傷漆包線；使用熱縮管制作臺鉗套對金屬外露隱患點進行包裹，同時將扳手頭端使用熱縮管進行防護包裹；裁剪后銅線一端線頭使用美紋紙包裹，防止拉環(huán)過程中造成漆皮刮傷、戳傷的品質(zhì)隱患。

3）性能測試方面：修改SOP層間測試參數(shù)，將電壓由2 000 V更改提升至3 000 V，由1個脈沖更改成2個脈沖。

2 漆膜破損對性能影響的研究

盡管各制造商已進行全流程防護，但受限于制造及檢驗水平的不足，電感表面破損問題一直是行業(yè)難題，無法得到有效根治，這也直接導(dǎo)致電感生產(chǎn)過程中報廢率及客戶投訴居高不下。但查閱國標（GB/T 6109.4-88），規(guī)定單位長度內(nèi)允許漆包線存在針孔，這直接說明漆包線破損對產(chǎn)品性能的影響需根據(jù)破損點大小、程度進行更具體的分析判斷，為此我們進行了相關(guān)實驗[5]。

2.1 實驗前準備

1）高溫線材絕緣特性及檢驗項說明：

說明：實驗使用線材為EI/AIW，本色線，H級2級（耐溫等級200 ℃）環(huán)保。

①線材絕緣層厚度（見圖3）。

圖3 線材漆膜厚度

根據(jù)GB/T 4074.2-2008的試驗方式，線材漆膜厚度滿足線材實驗要求。

②抗電壓性說明（見圖4）。

圖4 線材抗電壓性

此實驗前線材必須經(jīng)針孔鹽水試驗合格后方可驗證，試驗溫度：200 ℃。

根據(jù)GB/T 4074.5-2008的試驗方式，線材最小擊穿電壓滿足實驗要求。

③漆膜連續(xù)性，針孔鹽水試驗。

根據(jù)GB/T 4074.5-2008的試驗方式，線材漆膜連續(xù)性滿足每30 m線材針孔數(shù)量不得超過5個要求。且目前AIW線材漆膜連續(xù)性已經(jīng)做的非常成熟，線材實際試驗，基本上30 m線材無針孔。

2）原材料磁芯環(huán)絕緣特性說明：磁環(huán)絕緣性能力測試，見圖5。

圖5 磁環(huán)抗高壓測試

說明：磁環(huán)涂層未破損的狀態(tài)下，可抗高壓4500 V以上；考慮電感實際工作電壓基本上可完全排除線材破損與磁環(huán)拉弧打火導(dǎo)致高壓異常問題。

2.2 實驗樣品及儀器

樣品：PFC電感線材破損面積8 mm、PFC電感線材破損面積15 mm；

儀器：匝間測試儀（U9815R）、耐壓測試儀（TH9320）、電阻儀（502BOHM）、程控恒流源（VR7220）、LCR數(shù)顯測試儀。

2.3 結(jié)果與討論

我們分別安排兩種狀態(tài)的測試樣品在不同強度的電壓下進行匝間耐壓測試（見圖6），實驗結(jié)果表明：若產(chǎn)品線材與線材之間只有一個破損點，即使破損面積達到15 mm，也可承受5 000 V左右的電壓強度。

圖6 線材破損品匝間耐壓測試

隨即的線材破損品可靠性試驗表明：線材破損品在完成可靠性試驗后，破損處未見明顯腐蝕擴大；測試各項電性能參數(shù)均保持在±5 %以內(nèi)，說明線材單一點破損不會導(dǎo)致產(chǎn)品電性能異常（部分實驗結(jié)果見圖7、圖8）。

圖8 耐焊接熱試驗

但需注意，經(jīng)驗證若將電感的線圈絕緣層劃破與磁芯完全短接后輸入10 A電流，24 h后產(chǎn)品表面溫度達到187 °，長期高溫情況下會致使線圈絕緣層碳化出現(xiàn)嚴重短路后燒毀短路點位置現(xiàn)象。

3 結(jié)論

就目前行業(yè)上，PFC電感所使用的線材及磁環(huán)原材料均有一定的絕緣性能；線材及磁環(huán)原材料在電感制造商入廠時，會嚴格按照其檢驗標準對材料外觀、尺寸及電性能進行實驗檢驗；電感制造商廠內(nèi)生產(chǎn)制程一般設(shè)有相關(guān)電性能測試攔截工序，對于破損嚴重的產(chǎn)品會進行攔截；上述試驗設(shè)定工況下，PFC電感線材出現(xiàn)單個破損或兩個破損點相隔15 mm以上的兩個破損點，均可承受5 000 V以上匝間電壓無異常，同時漆皮破損品可靠性測試報告可說明，在上述試驗設(shè)定工況下，若僅線圈上單一點出現(xiàn)破損，不影響產(chǎn)品壽命及使用。