空調(diào)內(nèi)機(jī)PG電機(jī)調(diào)速控制用固態(tài)繼電器工作可靠性分析與研究

　　熊克勇，王少輝（格力電器（合肥）有限公司，安徽?合肥??230088）

　　摘?要：家用空調(diào)內(nèi)機(jī)控制器主板，出現(xiàn)A廠家固態(tài)繼電器在售后使用失效故障突出，經(jīng)分析主要故障為輸出測(cè)6、8腳短路，以及廠家物料封裝綁定不良。輸出端擊穿短路問題一直是空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)難題，問題長期存在沒有得到有效解決方案，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文通過對(duì)大量固態(tài)繼電器失效故障品的分析與研究，從器件可靠性、PG電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等方面進(jìn)行分析，最終找到固態(tài)繼電器失效原因，并采取整改方案解決。

　　關(guān)鍵詞：家用空調(diào)；固態(tài)繼電器；封裝綁定不良；輸出端擊穿；可靠性

　　0 引言

　　固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件。它利用電子元件(如晶體管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性,可達(dá)到無觸點(diǎn)的接通與斷開電路的目的,所以它又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。 固態(tài)繼電器具有控制靈活、工作壽命長、可靠、體積小、開關(guān)速度快、無機(jī)械觸點(diǎn)、防爆耐震與驅(qū)動(dòng)電壓低、電流小等很多優(yōu)點(diǎn)，使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣泛的應(yīng)用。作為空調(diào)內(nèi)機(jī)控制器中的重要電路，固態(tài)繼電器一旦失效，將導(dǎo)致空調(diào)內(nèi)機(jī)無法出風(fēng)，因此研究PG電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器的失效模式、失效機(jī)理非常重要，采取有效方案解決全面提升PG電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的整體工作的可靠性，具有非常重要的意義。

　　1 事件背景

　　家用空調(diào)使用固態(tài)繼電器在售后實(shí)際工作故障失效突出，統(tǒng)計(jì)售后使用時(shí)間無規(guī)律。固態(tài)繼電器在行業(yè)應(yīng)用中最突出問題也就是輸出短路，多數(shù)情況下，固態(tài)繼電器的輸出端受應(yīng)用環(huán)境電網(wǎng)的沖擊，以及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的影響，輸出端燒、短路故障較多，經(jīng)過多年的跟蹤空調(diào)實(shí)際應(yīng)用維修數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響空調(diào)售后故障率，問題急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 固態(tài)繼電器失效原因及失效機(jī)理分析

　　固態(tài)繼電器屬于半導(dǎo)體元件，本文講述的為空調(diào)驅(qū)動(dòng)內(nèi)機(jī)PG電極使用的交流固態(tài)繼電器，如圖1所示，輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為可控硅。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。

　　通過對(duì)售后大量固態(tài)繼電器的失效分析，分析導(dǎo)致固態(tài)繼電器失效原因主要有輸出端過電擊穿短路，以及廠家物料生產(chǎn)環(huán)節(jié)本身封裝綁定不良（塌絲、斷線、銀漿附著晶圓）。

　　2.1 固態(tài)繼電器輸出端短路失效分析

　　失效故障品批次不集中，X光檢查內(nèi)部封裝與綁定無異常，測(cè)試性能輸出端擊穿短路，輸入端二極管測(cè)試無異常，對(duì)失效樣品開封分析，樹脂開封結(jié)果分為2類，晶圓表面可以看到過電損傷痕跡，以及晶圓表面無損上痕跡。

　　1）晶圓表面可以看到過電損傷痕跡如下圖2所示，輸出端過電壓導(dǎo)致晶圓擊穿產(chǎn)生不良，晶圓破壞處的剖面模式如圖3所示，從電氣癥狀來看分析為外部負(fù)載端過電壓導(dǎo)致。

　　2）晶圓表面開封無損傷痕跡，如圖4 所示，從電氣特性（8 pin→6 pin）短路來看，破壞處是等效電路和剖面模式如圖5所示。故障品的晶圓內(nèi)部破壞，故障點(diǎn)難以確認(rèn)，具體為過流還是過壓失效很難判斷。

　　2.2 物料制造不良失效分析

　　A廠家物料本身封裝綁定不良按照失效原因可以分為4大類，生產(chǎn)環(huán)節(jié)本身封裝綁定不良（塌絲、斷線、銀漿附著晶圓）是主要失效因素。

　　如表1所示，主要是廠家工藝、設(shè)備、人員操作方面等失控，造成故障品流出，且失效品故障批次相對(duì)集中，通過實(shí)際對(duì)故障品的失效分析，找出故障原因，并制定相應(yīng)整改措施，從設(shè)備，工藝方面已改善。改善后制品使用效果良好，再未出現(xiàn)故障。

　　3 電路設(shè)計(jì)核查與對(duì)比驗(yàn)證分析

　　失效固態(tài)繼電器應(yīng)用于我司空調(diào)內(nèi)機(jī)主板上，驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，主要用來驅(qū)動(dòng)內(nèi)機(jī)交流PG電機(jī)，使內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)葉按照設(shè)定風(fēng)速檔出風(fēng)。PG電機(jī)控制電路采用固態(tài)繼電器為控制電機(jī)的核心，通過內(nèi)部程序根據(jù)反饋的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)算后輸出脈沖波形控制固態(tài)繼電器中的可控硅導(dǎo)通角度，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

　　交流型固態(tài)繼電器工作原理如下圖7所示，交流型固態(tài)繼電器有過零觸發(fā)，所謂“過零”是指, 當(dāng)加入控制信號(hào), 交流電壓過零時(shí), SSR 即為通態(tài); 而當(dāng)斷開控制信號(hào)后, SSR 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位) 時(shí),SSR 才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。既過零觸發(fā)型AC- SSR 是當(dāng)交流負(fù)載電源電壓經(jīng)過零點(diǎn)( Ut= 0) 時(shí), 負(fù)載電流才被接通。

　　AC輸出型負(fù)載側(cè)受到較大噪音和浪涌時(shí), 可能會(huì)引起SSR誤動(dòng)作或損壞的情況, 此時(shí)要接入壓敏電阻;輸入側(cè)受到較大噪音和浪涌時(shí), 可能會(huì)引起SSR誤動(dòng)作或損壞。此時(shí)要接入由C、R 等形成的噪音吸收線路。

　　整機(jī)雷擊浪涌模式實(shí)驗(yàn)分析

　　輸出端整機(jī)波形驗(yàn)證測(cè)試分析，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示，當(dāng)在220 V、60 Hz電源供電加7%的諧波（2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次），此時(shí)最大峰值電壓為504 V，而固態(tài)繼電器6,8腳之間峰值電壓已達(dá)716V。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)相當(dāng)部分輸出端耐壓無法達(dá)到要求的600 V，甚至在無法承受400 V的電壓；測(cè)試顯示當(dāng)電壓施加到400 V時(shí)不會(huì)馬上被擊穿，稍等兩分鐘就出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。實(shí)際使用中壓敏電阻的動(dòng)作電壓在600 V左右，當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)SSR就會(huì)直接被擊穿短路，而壓敏電阻還是好的。

　　4 固態(tài)繼電器失效解決方案

　　物料封裝綁定不良，為廠家生產(chǎn)環(huán)節(jié)各方面因素導(dǎo)致，廠家已針對(duì)性改善，物料可靠性明顯提高，且提高了輸出端耐電壓，且延長漏電流測(cè)試時(shí)間，物料輸出端抗耐壓性能明顯提高。電路方面通過對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化改善，抗浪涌電壓能力明顯提高，電路可靠性明顯提高。

　　4.1 輸出電路設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　將阻容模塊由原來的 0.1 μF+120 Ω改為0.1μF+360 Ω；電感由原來的200 μH改為260 μH，其它都不變.原固態(tài)繼電器損壞的原因主要是線路上的諧波與阻容模塊的電容及電機(jī)的電感產(chǎn)生振蕩，致使固態(tài)繼電器6、8腳電壓超過600 V。

　　根據(jù)PG電機(jī)待機(jī)狀態(tài)下的等效電路，若加大阻容模塊的電阻，則在相同的諧波電壓下，諧波電流會(huì)降低，加在固態(tài)繼電器6~8腳之間的諧波電壓自然降低。

　　若諧波電壓為12 V，阻容模塊電阻改為360 Ω后, 當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，流過阻容模塊的電流為12/360=0.033 A,此時(shí)加在固態(tài)繼電器6、8腳之間的電壓為(理論諧振頻率583 Hz時(shí)）。0.033 x [1202+(1/2x3.14 x 583 x 0.1 x 10-6)2)]1/2=90.2 V，此電壓與更改前的273.3 V已大幅度的降低。

　　將PG電機(jī)控制電路中阻容模塊原來的0.1 μF+120Ω改為0.1 μF+360 Ω；電感由原來的200 μH改為260 μH，能有效地降低電網(wǎng)中諧波電壓對(duì)固態(tài)繼電器的損傷，也解決了雷擊浪涌電壓造成的固態(tài)繼電器承受過高電壓的問題。增加阻容模塊中的電阻值，會(huì)使EMC中的傳導(dǎo)變差，但可以通過增加電感值使該問題得到解決。

　　4.2 物料測(cè)試篩選條件

　　A廠家針對(duì)固態(tài)繼電器測(cè)試篩選，對(duì)輸出端性能參數(shù)測(cè)試條件進(jìn)行提高，具體參數(shù)測(cè)試條件更改如下圖9所示，對(duì)輸出端漏電流，抗耐壓性進(jìn)行提高，使產(chǎn)品性能更可靠。

　　1）測(cè)量時(shí)電壓上升 600 V ? 620 V（對(duì)于ChipVender保證值600 V、20 V 的Risk條件）；

　　2）擴(kuò)大漏電流的測(cè)量時(shí)間。

　　5 結(jié)論

　　通過產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中的問題反饋信息及對(duì)器件單體及應(yīng)用電路綜合分析，本文從固態(tài)繼電器的失效機(jī)理、失效因素、器件應(yīng)用等多方面進(jìn)行分析。

　　通過對(duì)PG電路中阻容模塊，以及電感量進(jìn)行提高優(yōu)化后，能有效地降低電網(wǎng)中諧波電壓對(duì)固態(tài)繼電器的損傷，也解決了雷擊浪涌電壓造成的固態(tài)繼電器承受過高電壓的問題。原廠物料再原有標(biāo)準(zhǔn)上再次提升輸出端耐壓、以及擴(kuò)大測(cè)試電流時(shí)間，收嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，整體提高控制力度從而改善產(chǎn)品質(zhì)量，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量，且效果明顯。

　　通過此次優(yōu)化整改，電路方面抗外界電網(wǎng)沖擊性能更可靠，對(duì)器件失效整改，要從器件單體及應(yīng)用電路、工作環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)有效測(cè)試評(píng)估，與實(shí)際使用環(huán)境及使用位置進(jìn)行綜合分析，將固態(tài)繼電器輸出端耐壓測(cè)試評(píng)估要求納入入廠檢標(biāo)準(zhǔn)，可提前較好測(cè)試把關(guān)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高固態(tài)繼電器工作可靠性，降低過程及應(yīng)用中后失效率。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 周志敏.固態(tài)繼電器的原理與應(yīng)用 [J]，電源世界，2004-03-15.

　　[2] 周長剛,朱英明. 對(duì)固態(tài)繼電器SSR原理及應(yīng)用中一些問題的探討 [J]，電氣開關(guān)，2005,43(6):39-41 .

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第64頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。