高頻變壓器受力破損的失效分析與研究

摘要：本文從高頻變壓器引腳受力破損的失效機理、器件本身、器件實際應用可靠性等方面進行全面分析改善，有效解決了此故障失效。

0   引言

高頻變壓器是變壓器的一種，是開關電源最主要的組成部分。有開關電源的設備均會用到，使用范圍較廣。開關電源具有效率高、成本低及體積小的特點，憑借良好的性能，在電氣設備中獲得了廣泛的應用。在開關電源的設計中，磁性元件的性能是非常重要，而高頻變壓器恰恰是離線式變換開關電源中重要的磁性元件。傳統(tǒng)的高頻變壓器和工頻變壓器的結構是類似的。傳統(tǒng)變壓器有一個很大的弊端就是體積大，轉換效率不高，不適合在小型電子設備中使用。

在實際應用中最主要故障就是機械應力導致的失效。高頻變壓器本體受力導致引腳與骨架連接處破損，控制器開關電源無電壓輸出，最終導致空調整機無法正常工作。通過對售后失效品的分析研究，研究高頻變壓器受力破損的失效原因，采取有效的整改措施，具有非常重要的意義。

1   事件背景

家用變頻空調分體外機控制器使用高頻變壓器在售后失效較突出，其中最典型問題就是機械應力導致的破損。由于受P板設計布局，以及整機機構的影響，導致高頻變壓器布局靠近板邊，在售后出現(xiàn)本體受力破損故障，導致整個外機不通電。此故障廠內測試可控，破損主要是由于整機各部件與高頻變壓器間隙小，本體受力擠壓，最終導致骨架破損，線圈開路?？刂破魇酆笫乐赜绊懣照{整體產品質量，問題急需進行分析研究解決。

2   高頻變壓器引腳受力破損的失效原因及失效機理分析

統(tǒng)計售后高頻變壓器引腳受力破損故障，均出現(xiàn)在帶風機模塊的分體外機電器盒機型，均為高頻變壓器本體受力，受力方式相同，高頻變壓器引腳與骨架連接處最脆弱，最容易出現(xiàn)破損。排查生產過程未發(fā)現(xiàn)受力隱患，本身不通電測試可控，不存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。高頻變壓器本體受力，最終排查為整機結構設計有干涉，高頻變壓器靠近板邊，封裝較高，裝入整機后導致與壓縮機隔音棉間隙過小，高頻變壓器本體受力擠壓。整機在惡劣物流運輸，以及運行振動情況下，導致引腳與骨架連接處受力破損，線圈斷開。查看故障品本體均有受力痕跡。

2.1 高頻變壓器引腳受力破損的失效產生原因

高頻變壓器本體受力歪斜，對故障件進行多次測試測試呈死機狀態(tài)，查看主板發(fā)現(xiàn)高頻變壓器均為靠近板邊，與底部壓縮機隔音棉間隙小。失效集中在一級能效帶風機模塊機型，查看其他電路設計高頻變壓器在靠近高壓電解電容內側售后沒有出現(xiàn)失效。該位置變壓器在主板上封裝比較高，從受力情況看，高頻變壓器本體有受力痕跡，受力方向是由主板外側向內，分析為整機各部件之間受力擠壓導致。

售后返回控制器故障原因為“E6”，對故障件外觀進行查看無明顯受力破損現(xiàn)象。通電測試，電器盒不上電，與售后所報故障相同。通電測量發(fā)現(xiàn)高頻變壓器無電壓輸出，外觀檢查本體有輕微變形，測量1腳為開路轉態(tài)。拆下后查看發(fā)現(xiàn)第1腳引線處斷。放大鏡下查看，發(fā)現(xiàn)斷口處呈尖裝，分析為受力拉斷導致，對故障控制器更換新的高頻變壓器后測試，各項運行正常，分析此為失效根本原因。

對帶有風機模塊的分體電器盒相對應整機結構進行排查，檢查發(fā)現(xiàn)部分高頻變壓器與壓縮機排氣管隔音棉間隙較小，高頻變壓器與隔音棉之間最小的約只有5 mm，相隔的間隙較近，整機部件在振動情況下導致隔音棉很容易擠到高頻變壓器本體，使高頻變壓器本體受力。

排查廠內生產整機，進行拆機檢查整機各部件與高壓變頻器的裝配間隙，如圖1與圖2所示，具體結果如下：

1）潤享變頻1系列使用PCB板（A27）、（A41）整體間隙較充足。

①隔音棉包裹排氣管后間隙約10 mm；

②將排氣管露出后間隙約14 mm。

2）睡夢享變頻1、冷靜王-Ⅱ變頻、變頻金剛-Ⅲ變頻2等系列使用PCB板（A27）整體間隙基本一致，間隙均較小。

①隔音棉包裹排氣管后最大間隙約6~7 mm；

②將排氣管露出后最大間隙約10~12 mm。

2.2 高頻變壓器引腳受力破損的失效機理分析

高頻變壓器的使用范圍相當廣泛，基本上有電源的設備都會使用到。本文使用的高頻變壓器均為降壓作用，引腳受力線圈斷裂后，直接導致出現(xiàn)電性能故障。

失效原理為高頻變壓器外殼本體受力，導致骨架引腳處受力侵斜，使引線受力斷裂，出現(xiàn)不通電故障，使電路不能正常工作。

圖1 整機各部件裝配間隙1

圖2 整機各部件裝配間隙2

高頻變壓器內部構造平面圖如圖3所示，引腳鑲嵌在注塑件里面，此處連接較脆弱，受力最容易出現(xiàn)破損，來貨物料周轉運輸不當導致此處斷裂故障較多。高頻變壓器在整機各部件擠壓受力本體傾斜后，引腳受力導致骨架與引腳連接處線圈斷裂。

圖3 高頻變壓器構造平面圖

3   電路設計核查與對比分析

失效高頻變壓器應用于我司變頻空調分體外機控制器上，失效機型、位置、電路集中。使用在開關電源中，在電路中主要作用是對直流電源進行降壓。開關電源電路輸出原理圖如圖4 所示， 主要是提供5 V、12 V、15 V電源。

圖4 開關電源電路輸出原理圖

4   高頻變壓器引腳受力破損的解決方案

對電路設計進行改善，受P板布局，以及器件高度密集集中化限制，改善難度較大，等于是重新開發(fā)新的產品。重新改設計、開模，實驗驗證周期較長，且浪費人力與物力。

經實際應用以及驗證分析，受力因素無法改變，采用表1的方案均可以改善。綜合各方面因素，方案2是最有效的可靠性解決方案，已大面積推廣到其它相同類型控制器，使用效果良好，整改后機型售后再未見有此故障失效。

4.1 改善隔音棉

圖5所示將壓縮機隔音棉與高頻變壓器接觸的部分去除，增大了間隙0.6 cm以上，減少了整機各部件裝配后導致高頻變壓器受力擠壓的隱患。

圖5 去掉隔音棉一部分平面圖

4.2 開發(fā)新的高頻變壓器矮封裝物料

開發(fā)新的高頻變壓器矮封裝物料，對高度進行降低，且各項性能不發(fā)生變化。目前已在不同機型的多個主板使用。圖6為更改前后尺寸對比，可見整機結構更改后差別明顯，且比周邊大的器件高度低，可有效杜絕高頻變壓器受力故障的發(fā)生。

圖6 更改前后尺寸主視圖

5   結束語

本文從高頻變壓器的產品構造，受力破損的失效機理等多方面進行分析，將高頻變壓器受力破損故障徹底解決。分析研究結果：在不改變原有設計的情況下，通過改變高頻變壓器的封裝高度尺寸大小，可以有效地杜絕售后惡劣運輸周轉、整機振動各部件之間擠壓造成的破損，經過實際應用取得顯著效果，整改后售后再無此故障失效。該方案在其它電子制造領域同樣值得借鑒。

參考文獻：

[1] 郗亮.高頻變壓器發(fā)展的研究[J].通信電源技術,2018(3).

[2] 陳保國.開關電源高頻變壓器的設計[J].河北工業(yè)科技,1999(6).

（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年8月期）