PFC電感漆包線表面破損對產品性能的影響

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

交流電網電壓經整流分壓供給電子設備和家用電器，是一種基本的變換方式。開關電源主要經過低通濾波、全波整流、電容濾波后，輸出直流。由于受負載的影響，輸出電流將會發生畸變，呈現出一種脈沖波[1]。這種波對電子設備極為不利，同時也給供電電網帶來危害，使輸出功率因數下降，即視在功率遠大于有用功率，電網質量嚴重受損。所以發達國家率先采用了多種功率因數校正（PFC）方法，來實現“綠色能源”革命，并強制推行了國際標準IEC 55-2、EN 60555-2等，限制電子生產廠家入網電氣設備的電流諧波值[2]。在變頻空調中采用PFC模塊具有下列優點：①PFC模塊能輸出穩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，更能發揮壓縮機的性能。PFC模塊其關鍵部件就是PFC電感[3]。

1 PFC電感破損的原因及改善

1.1 破損現象介紹及產生原因研究

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

圖1 線圈與磁芯均過熱燒毀，絕緣層均已經碳化

對破損產生原因進行調查分析，發現目前行業內空調所使用的PFC電感均采用手工繞線制作，具體生產流程見圖2。

圖2 PFC電感生產工藝流程

對生產過程進行全流程排查分析，發現存在以下幾點隱患：

①原材料漆包線來料時就存在不良，主要體現在生產過程中漆包線涂覆漆膜時，涂覆毛氈長時間使用導致雜質增多，從而致使不良產生。

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；裁線盛放容器不規范，存在漆膜損傷隱患；以及引線前端和末端尖銳部分拉環繞線時刺破線材隱患。

③測試電壓及脈沖頻次較低，產品測試合格，未能有效檢出不良導致流出。

④外觀檢驗無法使用視覺檢測設備，采用人工目視檢驗，存在檢出不足，漏檢現象。

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，減少不良產生及流出。

目前從可實現性、經濟實用性和質量可靠性的角度，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，降低雜質堆積從而控制漆包線漆餾產生。

2）生產過程方面：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，防止拉環過程中造成漆皮刮傷、戳傷的品質隱患。

3）性能測試方面：修改SOP層間測試參數，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難題，無法得到有效根治，這也直接導致電感生產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），規定單位長度內允許漆包線存在針孔，這直接說明漆包線破損對產品性能的影響需根據破損點大小、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 ℃）環保。

①線材絕緣層厚度（見圖3）。

圖3 線材漆膜厚度

根據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針孔鹽水試驗合格后方可驗證，試驗溫度：200 ℃。

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

③漆膜連續性，針孔鹽水試驗。

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

2）原材料磁芯環絕緣特性說明：磁環絕緣性能力測試，見圖5。

圖5 磁環抗高壓測試

說明：磁環涂層未破損的狀態下，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拉弧打火導致高壓異常問題。

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數顯測試儀。

2.3 結果與討論

我們分別安排兩種狀態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），實驗結果表明：若產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均保持在±5 %以內，說明線材單一點破損不會導致產品電性能異常（部分實驗結果見圖7、圖8）。

圖8 耐焊接熱試驗

但需注意，經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嚴重短路后燒毀短路點位置現象。

3 結論

就目前行業上，PFC電感所使用的線材及磁環原材料均有一定的絕緣性能；線材及磁環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；電感制造商廠內生產制程一般設有相關電性能測試攔截工序，對于破損嚴重的產品會進行攔截；上述試驗設定工況下，PFC電感線材出現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，在上述試驗設定工況下，若僅線圈上單一點出現破損，不影響產品壽命及使用。