空調(diào)內(nèi)機PG電機調(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電機驅(qū)動電路系統(tǒng)設(shè)計、實際應(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)到無觸點的接通與斷開電路的目的,所以它又被稱為“無觸點開關(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、無機械觸點、防爆耐震與驅(qū)動電壓低、電流小等很多優(yōu)點，使其在許多領(lǐng)域的電控及計算機控制方面得到日益廣泛的應(yīng)用。作為空調(diào)內(nèi)機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)機無法出風(fēng)，因此研究PG電機驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器的失效模式、失效機理非常重要，采取有效方案解決全面提升PG電機驅(qū)動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)繼電器在售后實際工作故障失效突出，統(tǒng)計售后使用時間無規(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)動內(nèi)機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，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。

　　通過對售后大量固態(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，測試性能輸出端擊穿短路，輸入端二極管測試無異常，對失效樣品開封分析，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集中，通過實際對故障品的失效分析，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)計核查與對比驗證分析

　　失效固態(tài)繼電器應(yīng)用于我司空調(diào)內(nèi)機主板上，驅(qū)動電路如圖6所示，主要用來驅(qū)動內(nèi)機交流PG電機，使內(nèi)機貫流風(fēng)葉按照設(shè)定風(fēng)速檔出風(fēng)。PG電機控制電路采用固態(tài)繼電器為控制電機的核心，通過內(nèi)部程序根據(jù)反饋的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運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, 交流電壓過零時, SSR 即為通態(tài); 而當(dāng)斷開控制信號后, SSR 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(零電位) 時,SSR 才為斷態(tài)。這種設(shè)計能防止高次諧波的干擾和對電網(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( Ut= 0) 時, 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, 可能會引起SSR誤動作或損壞的情況, 此時要接入壓敏電阻;輸入側(cè)受到較大噪音和浪涌時, 可能會引起SSR誤動作或損壞。此時要接入由C、R 等形成的噪音吸收線路。

　　整機雷擊浪涌模式實驗分析

　　輸出端整機波形驗證測試分析，測試數(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；測試顯示當(dāng)電壓施加到400 V時不會馬上被擊穿，稍等兩分鐘就出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。實際使用中壓敏電阻的動作電壓在600 V左右，當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)浪涌電壓時SSR就會直接被擊穿短路，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，且延長漏電流測試時間，物料輸出端抗耐壓性能明顯提高。電路方面通過對電路進(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電機待機狀態(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，流過阻容模塊的電流為12/360=0.033 A,此時加在固態(tài)繼電器6、8腳之間的電壓為(理論諧振頻率583 Hz時）。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 物料測試篩選條件

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

　　1）測量時電壓上升 600 V ? 620 V（對于ChipVender保證值600 V、20 V 的Risk條件）；

　　2）擴(kuò)大漏電流的測量時間。

　　5 結(jié)論

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

　　通過對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)大測試電流時間，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)有效測試評估，與實際使用環(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試評估要求納入入廠檢標(biāo)準(zhǔn)，可提前較好測試把關(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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。