空調內機PG電機調速控制用固態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：家用空調內機控制器主板，出現A廠家固態繼電器在售后使用失效故障突出，經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生產企業難題，問題長期存在沒有得到有效解決方案，嚴重影響產品質量。本文通過對大量固態繼電器失效故障品的分析與研究，從器件可靠性、PG電機驅動電路系統設計、實際應用環境等方面進行分析，最終找到固態繼電器失效原因，并采取整改方案解決。

　　關鍵詞：家用空調；固態繼電器；封裝綁定不良；輸出端擊穿；可靠性

　　0 引言

　　固態繼電器是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件。它利用電子元件(如晶體管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性,可達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”。 固態繼電器具有控制靈活、工作壽命長、可靠、體積小、開關速度快、無機械觸點、防爆耐震與驅動電壓低、電流小等很多優點，使其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣泛的應用。作為空調內機控制器中的重要電路，固態繼電器一旦失效，將導致空調內機無法出風，因此研究PG電機驅動電路、固態繼電器的失效模式、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

　　家用空調使用固態繼電器在售后實際工作故障失效突出，統計售后使用時間無規律。固態繼電器在行業應用中最突出問題也就是輸出短路，多數情況下，固態繼電器的輸出端受應用環境電網的沖擊，以及驅動負載的影響，輸出端燒、短路故障較多，經過多年的跟蹤空調實際應用維修數據，嚴重影響空調售后故障率，問題急需進行攻克解決。

　　2 固態繼電器失效原因及失效機理分析

　　固態繼電器屬于半導體元件，本文講述的為空調驅動內機PG電極使用的交流固態繼電器，如圖1所示，輸入端為發光二極管，輸出端為可控硅。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。

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

　　2.1 固態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，輸出端過電壓導致晶圓擊穿產生不良，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載端過電壓導致。

　　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。故障品的晶圓內部破壞，故障點難以確認，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，生產環節本身封裝綁定不良（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，并制定相應整改措施，從設備，工藝方面已改善。改善后制品使用效果良好，再未出現故障。

　　3 電路設計核查與對比驗證分析

　　失效固態繼電器應用于我司空調內機主板上，驅動電路如圖6所示，主要用來驅動內機交流PG電機，使內機貫流風葉按照設定風速檔出風。PG電機控制電路采用固態繼電器為控制電機的核心，通過內部程序根據反饋的轉速進行運算后輸出脈沖波形控制固態繼電器中的可控硅導通角度，從而達到控制電機轉速的目的。

　　交流型固態繼電器工作原理如下圖7所示，交流型固態繼電器有過零觸發，所謂“過零”是指, 當加入控制信號, 交流電壓過零時, SSR 即為通態; 而當斷開控制信號后, SSR 要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位) 時,SSR 才為斷態。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網的污染。既過零觸發型AC- SSR 是當交流負載電源電壓經過零點( Ut= 0) 時, 負載電流才被接通。

　　AC輸出型負載側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，測試數據如圖8所示，當在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，而固態繼電器6,8腳之間峰值電壓已達716V。經測試發現相當部分輸出端耐壓無法達到要求的600 V，甚至在無法承受400 V的電壓；測試顯示當電壓施加到400 V時不會馬上被擊穿，稍等兩分鐘就出現擊穿現象。實際使用中壓敏電阻的動作電壓在600 V左右，當電網中出現浪涌電壓時SSR就會直接被擊穿短路，而壓敏電阻還是好的。

　　4 固態繼電器失效解決方案

　　物料封裝綁定不良，為廠家生產環節各方面因素導致，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行優化改善，抗浪涌電壓能力明顯提高，電路可靠性明顯提高。

　　4.1 輸出電路設計優化

　　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生振蕩，致使固態繼電器6、8腳電壓超過600 V。

　　根據PG電機待機狀態下的等效電路，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, 當發生諧振時，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，能有效地降低電網中諧波電壓對固態繼電器的損傷，也解決了雷擊浪涌電壓造成的固態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廠家針對固態繼電器測試篩選，對輸出端性能參數測試條件進行提高，具體參數測試條件更改如下圖9所示，對輸出端漏電流，抗耐壓性進行提高，使產品性能更可靠。

　　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）擴大漏電流的測量時間。

　　5 結論

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

　　通過對PG電路中阻容模塊，以及電感量進行提高優化后，能有效地降低電網中諧波電壓對固態繼電器的損傷，也解決了雷擊浪涌電壓造成的固態繼電器承受過高電壓的問題。原廠物料再原有標準上再次提升輸出端耐壓、以及擴大測試電流時間，收嚴標準，整體提高控制力度從而改善產品質量，從而改善產品質量，且效果明顯。

　　通過此次優化整改，電路方面抗外界電網沖擊性能更可靠，對器件失效整改，要從器件單體及應用電路、工作環境等進行詳細有效測試評估，與實際使用環境及使用位置進行綜合分析，將固態繼電器輸出端耐壓測試評估要求納入入廠檢標準，可提前較好測試把關提高產品質量，提高固態繼電器工作可靠性，降低過程及應用中后失效率。

　　參考文獻

　　[1] 周志敏.固態繼電器的原理與應用 [J]，電源世界，2004-03-15.

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

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