電加熱器通電擊穿問題的研究與預(yù)防

陳昌中 朱佳麟 王成根

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

陶瓷 PTC 電加熱器（下面簡稱電加熱器）是一種由陶瓷 PTC 發(fā)熱元件與鋁散熱件組成的具備低熱阻、高換熱效率的恒溫電加熱器[1]。PTC發(fā)熱元件是具有正溫度系數(shù)的陶瓷熱敏電阻，它是以鈦酸鋇為主要成分的氧化物陶瓷元件，可根據(jù)不同的應(yīng)用場合制成各種形狀，在空調(diào)器中應(yīng)用的多半是片裝的正方體[2]。電加熱器的特點(diǎn)是無明火，安全系數(shù)高，功率可自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度高時(shí)，內(nèi)阻增大，功率降低；溫度低時(shí)，內(nèi)阻變小，功率增大（在一定范圍內(nèi)）。當(dāng)超過一定溫度時(shí)，內(nèi)阻變成無窮大，相當(dāng)于自動(dòng)切斷電源。因此，它具有自動(dòng)保護(hù)功能，比其他電加熱器更加安全。電加熱器具有耐電壓、耗電小、自動(dòng)恒溫、無安全隱患、可靠性高、節(jié)能顯著等特點(diǎn)。隨著人們對(duì)節(jié)能要求的提高，陶瓷PTC電加熱器現(xiàn)廣泛應(yīng)用于分體空調(diào)器室內(nèi)機(jī)中。

1 電加熱器通電擊穿的原因

1.1 擊穿現(xiàn)象介紹及產(chǎn)生原因研究

陶瓷PTC電加熱器主體部分主要是由鋁散熱條、鋁管、PTC元件、白瓷片、硅膠、絕緣膜、電極條等組成，如圖1所示。根據(jù)對(duì)我司21年全年售后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電加熱器頭部、中部、尾部均存在通電擊穿現(xiàn)象，其中尾部擊穿占比達(dá)70.83 %。

圖1 陶瓷PTC爆炸圖

根據(jù)對(duì)電加熱器通電擊穿的集中復(fù)核分析，確定電加熱器售后擊穿的原因主要是PTC片邊緣存在金屬導(dǎo)電異物、掛鋁現(xiàn)象導(dǎo)致?lián)舸TC片本身耐電壓強(qiáng)度不夠?qū)е聯(lián)舸⒍啻螛O間測試后PTC片受損傷導(dǎo)致?lián)舸┮约半娂訜崦芊獠涣妓秩雽?dǎo)致?lián)舸┧念悾唧w如下：

1）PTC片邊緣存在金屬導(dǎo)電異物導(dǎo)致?lián)舸鐖D2所示。

圖2 異物擊穿

異物擊穿占比售后擊穿約10 %比例，主要較為集中在早期失效，分為兩類：第一類為廠家生產(chǎn)過程中有金屬異物混入管體內(nèi)部；對(duì)電加熱器生產(chǎn)流程進(jìn)行排查分析異物來源有鋁管中的鋁屑，電極片上所帶的雜質(zhì)，現(xiàn)場產(chǎn)生的灰塵，發(fā)熱片周轉(zhuǎn)過程中摩擦、撞擊產(chǎn)生的碎屑等。異物進(jìn)入PTC功率片材之間、兩電極片之間、頭部插片之間將減小兩電極的電氣間隙，導(dǎo)致陶瓷PTC短路擊穿，致使炸管。

第二類為片材掛鋁；主要原因?yàn)閲婁X模板邊緣有毛刺造成裝片后上下模板之間存在較大間隙（不貼合），噴鋁時(shí)鋁容易噴到片子側(cè)面，以及噴鋁模板長期使用后螺釘孔磨損，與螺釘之間間隙偏大，螺釘鎖緊不牢靠，上下模板之間相對(duì)偏移產(chǎn)生間隙，噴鋁時(shí)容易噴到片子側(cè)面，此兩點(diǎn)均會(huì)造成在噴鋁電極過程中片子側(cè)邊產(chǎn)生掛鋁。PTC片掛鋁直接導(dǎo)致兩電極爬電距離不夠，在通電后產(chǎn)生短路擊穿現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 PTC片掛鋁現(xiàn)象

2）PTC片本身耐電壓強(qiáng)度不足導(dǎo)致?lián)舸?/p>

售后因片材本身耐電壓強(qiáng)度不足導(dǎo)致?lián)舸┘s占比5 %，主要原因有兩種，一種為PTC片生產(chǎn)煉制過程中未徹底清除原礦石中殘留的一定比例金屬和非金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)降低的PTC片極限耐壓強(qiáng)度，而PTC片在高電壓情況下，表面溫度會(huì)非常高，如圖4所示。

圖4 電壓與溫度的對(duì)應(yīng)情況

PTC片在最高溫度點(diǎn)內(nèi)呈現(xiàn)的是正溫度系數(shù)關(guān)系，即溫度上升，電阻增大。超過該片的最高溫度點(diǎn)時(shí)，呈現(xiàn)的是負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系（NTC），即溫度上升，電阻下降，此時(shí)，PTC片就很容易擊穿。

圖5中劃線1是指在201 ℃時(shí)，呈現(xiàn)最小電阻值；劃線2是指居里溫度；劃線3是指在322.2 ℃時(shí)，該P(yáng)TC片達(dá)到最高溫度值為1.008 M。超過此溫度后，PTC片電阻值呈下降趨勢(shì)，單片功率將會(huì)增大。這種雜質(zhì)造成的缺陷一般會(huì)在一次上電時(shí)便跳火擊穿，但存在較小的缺陷，在早期正常使用條件下不會(huì)造成短路，但經(jīng)多次使用或高壓沖擊后，缺陷點(diǎn)頻繁跳火碳化，最終將短路擊穿。

圖5 單個(gè)PTC片在不同溫度下的電阻值

另一種原因是目前 PTC片 材料主要分為鈦酸鹽系[3]、金屬氧化物系[4]、高分子系[5]，其中最常用的是鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷，而鈦酸鋇陶瓷為多孔結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)過程中需要加入一定量的粘結(jié)劑（PVA），燒結(jié)時(shí)PVA揮發(fā)，留下大量的微小空隙。目前工藝無法避免產(chǎn)生該類型的空隙，如圖6所示。在惡劣環(huán)境下，有機(jī)還原性氣體會(huì)隨著這些空隙進(jìn)入PTC片內(nèi)部，使PTC片本身耐電壓性能下降，導(dǎo)致?lián)舸以擃悡舸┩l(fā)生在PTC片邊緣部位。

圖6 PTC片微觀放大

3）多次極間測試后PTC片受損傷導(dǎo)致?lián)舸?/p>

在PTC元件的兩端加上高電壓，隨著電壓值的增加，電流值也增加，PTC片內(nèi)部應(yīng)力也增大。大電流沖擊對(duì)陶瓷片的破壞是十分嚴(yán)重的，會(huì)導(dǎo)致PTC片開裂，極端情況下會(huì)導(dǎo)致邊緣打火拉弧。同時(shí)在PTC元件的兩端加上高電壓，PTC功率提高，內(nèi)部溫度會(huì)比之前正常電壓提高30 ℃左右。PTC片附近空氣中電子的活潑性增強(qiáng)，導(dǎo)電性也增強(qiáng)。其次溫度升高更容易讓硅膠和絕緣膜內(nèi)氣體揮發(fā)出來，擴(kuò)散到PTC片上，奪取PTC片晶界上吸附的氧離氣，導(dǎo)致晶界的電阻變小，發(fā)生還原反應(yīng)。PTC片電阻變小耐電壓性能下降。PTC片的邊緣部分是接觸異常氣氛的前沿，是元件擊穿的弱點(diǎn)。

①不同電壓PTC元件表面溫度試驗(yàn)

從表1中數(shù)據(jù)分析，加載電壓越高，PTC表面的溫度也越高，引起熱擊穿的可能性也越高。反復(fù)進(jìn)行高電壓試驗(yàn)的產(chǎn)品，引起熱擊穿的可能性就會(huì)比較大。

表1 電壓、溫度對(duì)應(yīng)表

②通過3次極間耐壓對(duì)PTC片損傷的單片及組件的驗(yàn)證結(jié)論見表2。

表2 不同檔位電壓擊穿率

同批次生產(chǎn)的PTC組件測試3遍500 V極間耐壓結(jié)果見表3，將管子解剖后片子小心取出，對(duì)片子進(jìn)行（650 ～850）V極限測試，統(tǒng)計(jì)不良率。（部分片子在破鋁管拆解過程中，被破壞，未再作檢測（650～850）V極限測試）。

表3 測試3遍500 V后不同檔位電壓擊穿率

結(jié)果表明PTC片經(jīng)過3次500 V耐壓之后的部分耐壓值明顯要比初始值低。

4）電加熱密封不良水汽或油污侵入導(dǎo)致短路擊穿。

售后因水汽或油污入侵擊穿約占比85 %。我司電加熱選型為頭部普通密封、尾部全密封狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)無全密封要求），空調(diào)整機(jī)在夏天制冷時(shí)潮態(tài)冷凝水由電加熱器的頭部膠口以及鋁管縫隙滲入內(nèi)部，這些冷凝水在短期內(nèi)不會(huì)影響PTC安全；到了冬天制熱PTC一旦通電會(huì)管體內(nèi)的水份會(huì)向兩頭移動(dòng)，在頭部可以滲出，但在尾部因密封處理而無法排出，長時(shí)間集中在尾部則會(huì)影響到PTC電極的爬電距離導(dǎo)致炸管。售后退回電加熱解剖可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有大量水垢，部分樣品還有明顯水滴殘余，如圖7所示。部分炸管直接發(fā)送在假片兩端，因水汽等導(dǎo)電液體進(jìn)入造成PTC兩電極片（即零火線）之間短路擊穿。

圖7 鋁管內(nèi)部水垢

2 電加熱器擊穿問題防治方法

根據(jù)對(duì)售后數(shù)據(jù)的分析可以了解到，目前大部分售后投訴集中在電加熱密封不良水汽或油污侵入導(dǎo)致短路擊穿這一原因，對(duì)此可制定如下措施：

1）在給污染較重的環(huán)境安裝空調(diào)時(shí)，要盡量避開污染源的地段；另外，定期對(duì)排污設(shè)備以及空調(diào)進(jìn)行清潔，保證使用空間內(nèi)的清爽，盡量減少空氣中污染排放物。

2）對(duì)空調(diào)增加防水防油煙方面的改進(jìn)設(shè)計(jì)（可設(shè)計(jì)專用于污染較重環(huán)境下使用的空調(diào)），減少外部因素干涉導(dǎo)致的質(zhì)量問題。

對(duì)于PTC片和電加熱器生產(chǎn)過程及測試過程導(dǎo)致的不良，可進(jìn)行如下防治：

①對(duì)PTC片使用的原材料進(jìn)行管控，選擇優(yōu)質(zhì)原材料（純度高，顆粒合適），減少PTC片內(nèi)部雜質(zhì)點(diǎn)；

②改進(jìn)PTC片燒結(jié)工藝，制定最佳的燒結(jié)溫度和溫度曲線，確保爐子升溫，保溫，減溫速率，確保PTC片晶粒正常生長，提高PTC片耐電壓強(qiáng)度；

③使用磨光機(jī)對(duì)噴鋁模板邊緣進(jìn)行打磨（每天檢查進(jìn)行1次打磨），避免噴鋁模板因邊緣有毛刺造成的間隙；

④改進(jìn)噴鋁模板：面板和底板設(shè)計(jì)成不同形狀，防止上下模板混用。同時(shí)，在噴鋁模板上安裝一個(gè)高強(qiáng)度定位銷，進(jìn)一步鎖緊上下模板保證上下模板之間不產(chǎn)生間隙，避免產(chǎn)生掛鋁現(xiàn)象。

3 結(jié)論

電加熱器通電擊穿問題，目前重點(diǎn)受限于無法杜絕外界因素影響，對(duì)此需在電加熱結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證；我司前期對(duì) PTC 加熱器防水等方面做了改進(jìn)和驗(yàn)證（將PTC 管體兩端封死，防止水進(jìn)入發(fā)熱芯內(nèi)部），驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)將 PTC 管體兩端封死后（PTC 發(fā)熱芯處在一個(gè)完全密封的環(huán)境下工作），其極間耐壓不良率明顯上升，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成了一定的影響，此方案效果不佳。目前還需研究出 PTC防水優(yōu)化方案，以減少此類現(xiàn)象問題產(chǎn)生。