整流電路EMC試驗(yàn)可靠性研究與應(yīng)用

馮勇雄 王小龍

摘 要：針對某空調(diào)機(jī)組在進(jìn)行整機(jī)EMC浪涌試驗(yàn)時，內(nèi)機(jī)驅(qū)動板所用A廠家整流橋短路失效的問題，本文從整流橋失效機(jī)理、器件參數(shù)對比、電路設(shè)計(jì)差異、模擬驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)等方面進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致驅(qū)動板EMC浪涌沖擊試驗(yàn)失效的原因。

關(guān)鍵詞：EMC;整流橋;電容;充放電;靜電;電路設(shè)計(jì)

中圖分類號：TG433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）02-0041-03

Research and Application of Reliability Test of Rectifier Circuit EMC

—— Taking the Failure of EMC Test of an Air Conditioning Unit Drive Board as an Example

Abstract： Aiming at the short-circuit failure of rectifier bridge of manufacturer a used in internal drive board of an air-conditioning unit during EMC surge test， this paper analysed the failure mechanism of rectifier bridge， the comparison of device parameters， the difference of circuit design and the recurrence of simulation verification， and found out the reasons for the failure of EMC surge test of driving board.

Keywords： EMC;rectifier bridge;capacitor;charge and discharge;static electricity;circuit design

強(qiáng)電濾波整流電路是把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路，該電路主要由前級EMC濾波和后級整流濾波組成。而整流橋在正常工作中需要承受較高的反向電壓沖擊，且可能因設(shè)計(jì)或者外界較高浪涌導(dǎo)致失效。因此，對器件本身的可靠性、一致性及電路設(shè)計(jì)可靠性有較高要求。近期，某出口用空調(diào)機(jī)組在進(jìn)行整機(jī)2kV EMC浪涌試驗(yàn)時，內(nèi)機(jī)驅(qū)動板出現(xiàn)功能失效。本文主要對該現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1 事件背景

某出口用空調(diào)機(jī)組在進(jìn)行整機(jī)2kV EMC浪涌試驗(yàn)時，內(nèi)機(jī)驅(qū)動板出現(xiàn)功能失效。經(jīng)測試，為A廠家25A/800V整流橋短路導(dǎo)致，更換B廠家整流橋后試驗(yàn)無異常。在分析整流橋失效的過程中，對比該驅(qū)動板與其他板，發(fā)現(xiàn)兩者的電路設(shè)計(jì)存在差異，因此從器件可靠性與電路設(shè)計(jì)兩方面同時開展失效分析。

2 器件可靠性分析

由于該驅(qū)動板使用A廠家整流橋時試驗(yàn)結(jié)果不合格，更換B廠家后測試無異常，因此需要從整流橋的失效模式和兩廠家的關(guān)鍵參數(shù)上進(jìn)行對比分析[1]。

2.1 失效現(xiàn)象

測試整流橋失效品發(fā)現(xiàn)，P4-2、P4-3的引腳間出現(xiàn)短路，對應(yīng)D1/D2位置的二極管;利用X-ray觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)明顯的制造缺陷，但二極管晶片放大后能發(fā)現(xiàn)明顯的擊穿短路點(diǎn)（見圖1）。

2.2 DPA分析

2.2.1 金相分析。晶圓切面金相后觀察，擊穿短路點(diǎn)在晶片的玻璃鈍化層內(nèi)部，晶片邊沿位置無異物短路。

2.2.2 開封分析。對不良品做開封分析，觀察短路二極管晶片表面的情況，發(fā)現(xiàn)兩個短路的二極管損傷點(diǎn)在晶片邊沿（見圖2），呈現(xiàn)出電燒毀的狀態(tài)。

2.2.3 初步結(jié)論。整流橋失效品本身未發(fā)現(xiàn)制造缺陷，確定短路原因是過電擊穿。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)對比

同樣條件的浪涌測試，A廠家的整流橋更容易損壞，說明其某個參數(shù)應(yīng)弱于B廠家的產(chǎn)品，對兩廠家整流橋關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。從表1可知，A廠家整流橋反向極限耐壓高出B廠家約500V，正向浪涌電流承受能力也優(yōu)于B廠家，但在試驗(yàn)中，卻比B廠家產(chǎn)品更加容易損壞。

通過分析整流橋的不良品和對比兩廠家的關(guān)鍵參數(shù)，并未發(fā)現(xiàn)異常，且A廠家產(chǎn)品的參數(shù)整體優(yōu)于B廠家，因此，需進(jìn)一步結(jié)合整流橋所在的控制電路進(jìn)行分析。

3 電路設(shè)計(jì)分析

3.1 電路對比分析

對出問題的出口驅(qū)動板的濾波整流電路與內(nèi)銷驅(qū)動板的整流濾波電路進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)兩者存在差異：該出口驅(qū)動板的整流橋負(fù)極通過CY105電容（電容量2.2nF）進(jìn)行接地。

對驅(qū)動板進(jìn)行浪涌電壓試驗(yàn)時，按照箭頭路徑拆依次分成以下4個回路（見圖3），其中A、B、C三個回路均有保護(hù)器件，只有D回路沒有器件抑制且吸收2kV浪涌電壓，浪涌電壓會直接施加到D回路上，當(dāng)電壓超過整流橋（二極管）的極限耐壓時，會對CY105進(jìn)行充放電，充放電流較大從而將二極管擊穿[2]。

3.2 模擬驗(yàn)證分析

對浪涌試驗(yàn)過程 CY105電容兩端出現(xiàn)的電壓和電流值進(jìn)行監(jiān)控[3]。

試驗(yàn)方案：CY105電容兩端串聯(lián)1Ω電阻做電流采樣，L-PE之間施加1.5kV、1.5/50μs的浪涌波形，使用示波器監(jiān)控電容兩端的電壓與電流波動。

測試結(jié)果：CY105兩端電壓波動峰值≈1.2kV，CY105充放電流峰值≈12A（采樣電阻1Ω），電流持續(xù)時間10～20μs（見圖4）。

結(jié)論：當(dāng)1.5kV浪涌電壓反向通過整流橋時，浪涌電流能夠達(dá)到12A，因此整流橋應(yīng)是被該電容的充放電電流損傷導(dǎo)致短路失效。

根據(jù)電容特性進(jìn)一步推斷，當(dāng)CY105的容量變小直到為0時，其充放電電流及能量也會變小，即L-PE之間的抗浪涌能力能得到提升，因此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)將該電容更換為低容量產(chǎn)品，直至取消該電容，驗(yàn)證驅(qū)動板的浪涌試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從上述不同容量的CY105電容及兩家整流橋?qū)Ρ瓤梢钥闯觯珻Y105電容越小，充放電電流/能量越小，整流橋越不容易損壞;當(dāng)CY105電容去掉時，兩家整流橋都可以達(dá)到4kV的最新浪涌試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4 器件差異性分析

通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，在取消電容之前，同等測試條件下，A廠家的整流橋更容易失效。由于D回路的電容充放電電路與靜電放電的MM模型（電路）類似，都是通過高壓電容放電，只是放電電容量不同。因此，可使用MM模型的靜電測試評估A、B廠家整流橋的差異點(diǎn)。

對兩個廠家整流橋各取4個樣品，進(jìn)行MM模型的靜電放電測試，測試數(shù)據(jù)見表3。

測試結(jié)果顯示，兩個廠家的整流橋都滿足并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出企標(biāo)中MM模型要求的200V標(biāo)準(zhǔn)，但對比極限性能，A廠家為2kV，B廠家為3.5kV。因此，分析判斷這是導(dǎo)致A廠家整流橋在浪涌試驗(yàn)中容易損壞的原因。

5 結(jié)論

①強(qiáng)電整流電路中，浪涌電壓引起的電容充放電確實(shí)會對整流橋造成損傷，因此，整流橋負(fù)極通過Y電容接地的設(shè)計(jì)方案才是引起此次驅(qū)動板試驗(yàn)失效的根本原因。雖然該接線方式能在一定程度上提高電路的EMC能力，但容易造成器件損壞導(dǎo)致電路系統(tǒng)可靠性不高，故應(yīng)盡量避免這種接地方式。

②整流橋的抗浪涌能力，除了VRWM外，MM模式下的抗靜電能力極限值在一定程度上能夠反映出內(nèi)部晶圓可承受浪涌沖擊的能力。因此，在整流橋的選型和檢測中，應(yīng)充分考慮整流橋在不同模式下的抗靜電能力的極限值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳灝.交流變頻空調(diào)器EMI抑制技術(shù)[J].電子質(zhì)量，2012（6）：74-76.

[2]劉進(jìn)軍，卓放，王兆安.電容濾波型整流電路的網(wǎng)側(cè)諧波分析[J].電力電子技術(shù)，1995（4）：14-19.

[3]孫海濤，管春江.勵磁整流橋故障分析[J].電工技術(shù)，2011（12）：65-68.