變頻空調開(kāi)關(guān)電源電路開(kāi)關(guān)芯片炸失效分析與研究

摘要：變頻空調控制系統用控制器在實(shí)際應用一段時(shí)間后出現主板失效問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大量數據統計分析及實(shí)際主板失效分析確定是開(kāi)關(guān)電源電路中的開(kāi)關(guān)芯片炸失效導致，該問(wèn)題一直是困擾著(zhù)空調生產(chǎn)企業(yè)難題，問(wèn)題長(cháng)期存在沒(méi)有得到有效解決方案，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文從器件可靠性、應用開(kāi)關(guān)電源電路系統設計、實(shí)際應用環(huán)境等方面進(jìn)行全面驗證分析，最終將開(kāi)關(guān)芯片炸失效原因找到，并采取有效方案解決。

引言

　　變頻空調是時(shí)代發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐步普及走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，空調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：節能、環(huán)保、舒適、低分貝、用戶(hù)觸控體驗效果。實(shí)現這些功能離不開(kāi)高可靠性的控制器系統,其中開(kāi)關(guān)電源供電系統在控制器中承擔關(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設計控制目標完成相應的控制、檢測、保護等，完成空調各種功能如制冷、制熱、掃風(fēng)、顯示等的目的，以實(shí)現空調舒適、完美體驗。

　　作為空調中控制器中的重要電路，開(kāi)關(guān)電源部分一旦發(fā)生故障，將導致空調整體功能失效，而且維修需要全機導通檢測，維修麻煩、難度高，維修成本高，嚴重時(shí)可能導致控制器爆板，空調整機燒毀，造成嚴重的安全事故。因此研究開(kāi)關(guān)電源電路、開(kāi)關(guān)芯片炸失效模式、失效機理非常重要，采取有效方案解決全面提升開(kāi)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，提高消費者對品牌的滿(mǎn)意度具有十分重要的意義。

　　經(jīng)對開(kāi)關(guān)芯片失效模式、失效數據進(jìn)行統計分析發(fā)現我司三款開(kāi)關(guān)芯片售后均有失效。開(kāi)關(guān)電源電路芯片炸等失效一直也是空調甚至整個(gè)行業(yè)長(cháng)期存在難題，均未有有效的解決方案，經(jīng)過(guò)大量對器件核心參數、整機開(kāi)關(guān)電源電路實(shí)驗驗證分析測試開(kāi)關(guān)波形發(fā)現為變壓器在高溫高濕條件下，離散的發(fā)生了磁飽和導致開(kāi)關(guān)芯片炸，最終采取有效方案解決問(wèn)題。該方案對空調等行業(yè)在開(kāi)關(guān)電源電路設計提供設計開(kāi)發(fā)思路借鑒與參考。

1 事件背景

　　變頻空調控制系統用控制器在實(shí)際應用一段時(shí)間后出現主板失效問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大量數據統計分析及實(shí)際主板失效分析確定是開(kāi)關(guān)電源電路中的開(kāi)關(guān)芯片炸失效導致，經(jīng)過(guò)多年的跟蹤空調實(shí)際應用維修數據，因開(kāi)關(guān)芯片炸失效導致售后投訴單數達268單，占整個(gè)控制器售后故障率15.9%,控制器售后大比例失效嚴重影響空調整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶(hù)實(shí)際體驗效果。問(wèn)題急需進(jìn)行分析研究解決。

2 芯片失效原因及失效機理分析

　　2.1 開(kāi)關(guān)芯片失效檢測分析

　　將安森美、三肯開(kāi)關(guān)芯片炸主板多次寄給對應廠(chǎng)家分析，及各廠(chǎng)家現場(chǎng)來(lái)司協(xié)助分析，一致認為開(kāi)關(guān)芯片炸主要還是漏極過(guò)電沖擊損傷導致?lián)舸┦?，是芯片本身質(zhì)量問(wèn)題還是電路設計問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析不排除芯片本身質(zhì)量、開(kāi)關(guān)電源磁飽和、高頻變壓器器件異常、主板使用工作環(huán)境等因素導致。

　　開(kāi)關(guān)芯片失效開(kāi)封圖片如下圖1。

2.2 各廠(chǎng)家開(kāi)關(guān)芯片極限參數測試

　　售后開(kāi)關(guān)電源電路中開(kāi)關(guān)芯片炸失效，經(jīng)過(guò)對器件失效分析為過(guò)電擊穿失效，售后應用出現大概率失效不可能全部是用戶(hù)電源出現異常，是否是芯片抗極限耐壓及浪涌沖擊能力較差。三個(gè)廠(chǎng)家開(kāi)關(guān)芯片在售后均出現失效(使用開(kāi)關(guān)芯片信息如表1)，其中安森美開(kāi)關(guān)芯片失效最多，是否是各廠(chǎng)家芯片極限耐壓整體偏低，存在差異性。帶著(zhù)這些疑問(wèn)對各廠(chǎng)家使用開(kāi)關(guān)芯片進(jìn)行極限參數杜比分析，通過(guò)對售后失效器件對應開(kāi)關(guān)芯片進(jìn)行核心參數分析及相關(guān)數據測試結果表明，ON、三肯、科匯廠(chǎng)家開(kāi)關(guān)芯片極限耐壓均可以達到700V，其中三肯開(kāi)關(guān)芯片極限耐壓最高達820V，平均在760V?？茀R開(kāi)關(guān)芯片相對較差(極限耐壓對比測試數據如下表2)。

　　通過(guò)器件單體核心參數檢測對比，器件方面差異沒(méi)有較大明顯區別。售后突出失效與開(kāi)關(guān)芯片可能沒(méi)有直接關(guān)系。

2.3 磁飽和分析

　　開(kāi)關(guān)芯片炸失效經(jīng)過(guò)對器件相關(guān)參數，可靠性對比分析，可能不是開(kāi)關(guān)芯片本身問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源設計考慮是整個(gè)系統設計，非單個(gè)器件。出現開(kāi)關(guān)芯片炸失效是否是電路設計存在問(wèn)題，是否是出現磁飽和。

　　我們知道開(kāi)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(kāi)關(guān)芯片、高頻變壓器、輸入電源、應用環(huán)境等都是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性關(guān)鍵問(wèn)題。開(kāi)關(guān)芯片失效是否與磁飽和有關(guān)，如果是是哪些因素影響導致 ，針對產(chǎn)生眾多個(gè)疑問(wèn)開(kāi)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)現磁飽和現象.即未出現過(guò)流，Vds多次驗證未出現超過(guò)600V及以上電壓，即未出現過(guò)壓。(測試波形圖片如下圖2)

　　常態(tài)環(huán)境：通過(guò)將售后多單故障件交給廠(chǎng)家分析及來(lái)司現場(chǎng)分析，常態(tài)條件下對開(kāi)關(guān)芯片漏極電流波形檢測沒(méi)有發(fā)現存在磁飽和異常，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(chǎng)家開(kāi)關(guān)芯片對應電路。

2.3.2 高溫高濕環(huán)境

　　高頻變壓器使用磁性材料為鐵氧體，由于磁材特性當環(huán)境溫度達到一定溫度后磁性有衰退現象，會(huì )出現退磁，可能會(huì )導致出現磁飽和異常，導致開(kāi)關(guān)芯片炸失效，統計數據售后失效控制器多為8、9月份，當時(shí)空調運行環(huán)境溫度比較高，這個(gè)可能是個(gè)因素。

　　磁材磁性一致性不好，或是高頻變壓器預留抗飽和度余量低，在高溫下提前出現退磁，也是會(huì )影響開(kāi)關(guān)芯片正常工作?？照{實(shí)際應用中出現開(kāi)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致結果，針對問(wèn)題展開(kāi)全面驗證分析，測試開(kāi)關(guān)芯片漏極電流波形如下圖3、4。

　　高溫高濕環(huán)境：控制器整機高溫高濕環(huán)境下，開(kāi)機后開(kāi)關(guān)芯片工作瞬間檢測開(kāi)關(guān)芯片漏極電流波形出現低概率的磁飽和現象，經(jīng)過(guò)測試開(kāi)關(guān)波形發(fā)現為變壓器在高溫高濕條件下，離散的發(fā)生了磁飽和導致開(kāi)關(guān)芯片炸。

2.3.3 分析總結

　　磁飽和異常與廠(chǎng)家多次交流分析討論，逐一排查磁性材料、電感線(xiàn)圈繞線(xiàn)工藝等異常將問(wèn)題鎖定在開(kāi)關(guān)電源電路抗磁飽和設計余量上，最終確定整改方案：調整高頻變壓器初次級匝數，通過(guò)增加線(xiàn)圈匝數降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強度，進(jìn)而解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和異常問(wèn)題。

3 開(kāi)關(guān)芯片失效整改措施

3.1 開(kāi)關(guān)芯片失效解決方案

　　解決方法：調整高頻變壓器初次級匝數(具體調整線(xiàn)圈匝數如下圖5、6)，通過(guò)增加線(xiàn)圈匝數，降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強度，進(jìn)而解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和異常。整改內容具體方案調整：43110329------4311032901/2/3

4 整改效果評估及應用效果驗證

　　新制品經(jīng)過(guò)整機驗證測試抗磁飽和強度大幅度提升，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證顯示即使再次出現售后惡劣使用環(huán)境，也不會(huì )出現磁飽和異常，電路設計整改后實(shí)際試驗測試驗證抗磁飽和強度提升40%，有效解決問(wèn)題。長(cháng)期跟蹤過(guò)程及售后失效率為零，實(shí)際整改效果顯著(zhù)。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(kāi)關(guān)芯片失效整改總結及意義

　　本次售后大批出現開(kāi)關(guān)芯片失效屬于開(kāi)關(guān)電源電路設計缺陷，在電路設計開(kāi)發(fā)時(shí)未能有效考慮到實(shí)際設計開(kāi)關(guān)電源電路非常規條件下磁飽和問(wèn)題導致實(shí)際應用中出現重大質(zhì)量問(wèn)題，本次整改從整體提升開(kāi)關(guān)電源設計可靠性角度出發(fā)具體為調整高頻變壓器初次級匝數，通過(guò)增加線(xiàn)圈匝數，降低了Bsat值有效提高高頻變壓器抗磁飽和強度，進(jìn)而有效解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和問(wèn)題。

參考文獻

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　　[2]姬海寧.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設計及其應用[J].電子科技大學(xué).2003-01-01

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第40頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。