變頻空調開關電源電路開關芯片炸失效分析與研究

熊克勇 項永金 崔斌 蘇升衛 王奎 尹粵卿

摘要：變頻空調控制系統用控制器在實際應用一段時間后出現主板失效問題，經過大量數據統計分析及實際主板失效分析確定是開關電源電路中的開關芯片炸失效導致，該問題一直是困擾著空調生產企業難題，問題長期存在沒有得到有效解決方案，嚴重影響產品質量。本文從器件可靠性、應用開關電源電路系統設計、實際應用環境等方面進行全面驗證分析，最終將開關芯片炸失效原因找到，并采取有效方案解決。

關鍵詞：變頻空調 開關電源 開關芯片 應用環境

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.010

引言

變頻空調是時代發展趨勢，已經逐步普及走進千家萬戶，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、環保、舒適、低分貝、用戶觸控體驗效果。實現這些功能離不開高可靠性的控制器系統，其中開關電源供電系統在控制器中承擔關鍵作用，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、顯示等的目的，以實現空調舒適、完美體驗。

作為空調中控制器中的重要電路，開關電源部分一旦發生故障，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。因此研究開關電源電路、開關芯片炸失效模式、失效機理非常重要，采取有效方案解決全面提升開關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意度具有十分重要的意義。

經對開關芯片失效模式、失效數據進行統計分析發現我司三款開關芯片售后均有失效。開關電源電路芯片炸等失效一直也是空調甚至整個行業長期存在難題，均未有有效的解決方案，經過大量對器件核心參數、整機開關電源電路實驗驗證分析測試開關波形發現為變壓器在高溫高濕條件下，離散的發生了磁飽和導致開關芯片炸，最終采取有效方案解決問題.該方案對空調等行業在開關電源電路設計提供設計開發思路借鑒與參考.

1事件背景

變頻空調控制系統用控制器在實際應用一段時間后出現主板失效問題，經過大量數據統計分析及實際主板失效分析確定是開關電源電路中的開關芯片炸失效導致，經過多年的跟蹤空調實際應用維修數據，因開關芯片炸失效導致售后投訴單數達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重影響空調整體產品質量及用戶實際體驗效果。問題急需進行分析研究解決。

2芯片失效原因及失效機理分析

2.1開關芯片失效檢測分析

將安森美、三肯開關芯片炸主板多次寄給對應廠家分析，及各廠家現場來司協助分析，一致認為開關芯片炸主要還是漏極過電沖擊損傷導致擊穿失效，是芯片本身質量問題還是電路設計問題，經過分析不排除芯片本身質量、開關電源磁飽和、高頻變壓器器件異常、主板使用工作環境等因素導致。

開關芯片失效開封圖片如下圖1。

2.2各廠家開關芯片極限參數測試

售后開關電源電路中開關芯片炸失效，經過對器件失效分析為過電擊穿失效，售后應用出現大概率失效不可能全部是用戶電源出現異常，是否是芯片抗極限耐壓及浪涌沖擊能力較差。三個廠家開關芯片在售后均出現失效（使用開關芯片信息如表1），其中安森美開關芯片失效最多，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芯片進行極限參數杜比分析，通過對售后失效器件對應開關芯片進行核心參數分析及相關數據測試結果表明，ON、三肯、科匯廠家開關芯片極限耐壓均可以達到700V，其中三肯開關芯片極限耐壓最高達820V，平均在760V。科匯開關芯片相對較差（極限耐壓對比測試數據如下表2）。

通過器件單體核心參數檢測對比，器件方面差異沒有較大明顯區別。售后突出失效與開關芯片可能沒有直接關系。

2.3磁飽和分析

開關芯片炸失效經過對器件相關參數，可靠性對比分析，可能不是開關芯片本身問題，開關電源設計考慮是整個系統設計，非單個器件。出現開關芯片炸失效是否是電路設計存在問題，是否是出現磁飽和。

我們知道開關電源磁飽和與電路中相關器件配合等有直接關系，開關芯片、高頻變壓器、輸入電源、應用環境等都是影響開關電源可靠性關鍵問題。開關芯片失效是否與磁飽和有關，如果是哪些因素影響導致，針對產生眾多個疑問開關全面分析驗證。

2.3.1常態環境

常態環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，未發現磁飽和現象，即未出現過流，Vds多次驗證未出現超過600V及以上電壓，即未出現過壓。（測試波形圖片如下圖2）

常態環境：通過將售后多單故障件交給廠家分析及來司現場分析，常態條件下對開關芯片漏極電流波形檢測沒有發現存在磁飽和異常，但是從檢測波形看，電流峰值逐漸接近磁飽和，特別是安森美廠家開關芯片對應電路。

2.3.2高溫高溫環境

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

磁材磁性一致性不好，或是高頻變壓器預留抗飽和度余量低，在高溫下提前出現退磁，也是會影響開關芯片正常工作。空調實際應用中出現開關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，針對問題展開全面驗證分析，測試開關芯片漏極電流波形如下圖3、4。

高溫高濕環境：控制器整機高溫高濕環境下，開機后開關芯片工作瞬間檢測開關芯片漏極電流波形出現低概率的磁飽和現象，經過測試開關波形發現為變壓器在高溫高濕條件下，離散的發生了磁飽和導致開關芯片炸。

2.3.3分析總結

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，通過增加線圈匝數降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強度，進而解決高頻變壓器產生磁飽和異常問題。

3開關芯片失效整改措施

3.1開關芯片失效解決方案

解決方法：調整高頻變壓器初次級匝數（具體調整線圈匝數如下圖5、6），通過增加線圈匝數，降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強度，進而解決高頻變壓器產生磁飽和異常.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

新制品經過整機驗證測試抗磁飽和強度大幅度提升，經過實際驗證顯示即使再次出現售后惡劣使用環境，也不會出現磁飽和異常，電路設計整改后實際試驗測試驗證抗磁飽和強度提升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。整改后高溫高濕環境芯片漏極電流波形檢測如下圖7。

5開關芯片失效整改總結及意義

本次售后大批出現開關芯片失效屬于開關電源電路設計缺陷，在電路設計開發時未能有效考慮到實際設計開關電源電路非常規條件下磁飽和問題導致實際應用中出現重大質量問題，本次整改從整體提升開關電源設計可靠性角度出發具體為調整高頻變壓器初次級匝數，通過增加線圈匝數，降低了Bsat值有效提高高頻變壓器抗磁飽和強度，進而有效解決高頻變壓器產生磁飽和問題。