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空调内机PG电机调速控制用固态继电器工作可靠性分析与研究

作者:熊克勇,王少辉时间:2019-11-29来源:电子产品世界收藏

  熊克勇,王少辉(格力电器(合肥)有限公司,安徽 合肥  230088)

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/201911/407674.htm

  摘 要:内机控制器主板,出现A厂家在售后使用失效故障突出,经分析主要故障为输出测6、8脚短路,以及厂家物料短路问题一直是空调生产企业难题,问题长期存在没有得到有效解决方案,严重影响产品质量。本文通过对大量失效故障品的分析与研究,从器件、PG电机驱动电路系统设计、实际应用环境等方面进行分析,最终找到失效原因,并采取整改方案解决。

  关键词:;固态继电器;

  0 引言

  固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件。它利用电子元件(如晶体管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点的接通与断开电路的目的,所以它又被称为“无触点开关”。 固态继电器具有控制灵活、工作寿命长、可靠、体积小、开关速度快、无机械触点、防爆耐震与驱动电压低、电流小等很多优点,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。作为空调内机控制器中的重要电路,固态继电器一旦失效,将导致空调内机无法出风,因此研究PG电机驱动电路、固态继电器的失效模式、失效机理非常重要,采取有效方案解决全面提升PG电机驱动电路的整体工作的,具有非常重要的意义。

  1 事件背景

  使用固态继电器在售后实际工作故障失效突出,统计售后使用时间无规律。固态继电器在行业应用中最突出问题也就是输出短路,多数情况下,固态继电器的输出端受应用环境电网的冲击,以及驱动负载的影响,输出端烧、短路故障较多,经过多年的跟踪空调实际应用维修数据,严重影响空调售后故障率,问题急需进行攻克解决。

  2 固态继电器失效原因及失效机理分析

  固态继电器属于半导体元件,本文讲述的为空调驱动内机PG电极使用的交流固态继电器,如图1所示,输入端为发光二极管,输出端为可控硅。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号,达到直接驱动大电流负载。

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  通过对售后大量固态继电器的失效分析,分析导致固态继电器失效原因主要有输出端过电击穿短路,以及厂家物料生产环节本身(塌丝、断线、银浆附着晶圆)。

  2.1 固态继电器输出端短路失效分析

  失效故障品批次不集中,X光检查内部封装与绑定无异常,测试性能短路,输入端二极管测试无异常,对失效样品开封分析,树脂开封结果分为2类,晶圆表面可以看到过电损伤痕迹,以及晶圆表面无损上痕迹。

  1)晶圆表面可以看到过电损伤痕迹如下图2所示,输出端过电压导致晶圆击穿产生不良,晶圆破坏处的剖面模式如图3所示,从电气症状来看分析为外部负载端过电压导致。

  2)晶圆表面开封无损伤痕迹,如图4 所示,从电气特性(8 pin→6 pin)短路来看,破坏处是等效电路和剖面模式如图5所示。故障品的晶圆内部破坏,故障点难以确认,具体为过流还是过压失效很难判断。

  2.2 物料制造不良失效分析

  A厂家物料本身封装绑定不良按照失效原因可以分为4大类,生产环节本身封装绑定不良(塌丝、断线、银浆附着晶圆)是主要失效因素。

  如表1所示,主要是厂家工艺、设备、人员操作方面等失控,造成故障品流出,且失效品故障批次相对集中,通过实际对故障品的失效分析,找出故障原因,并制定相应整改措施,从设备,工艺方面已改善。改善后制品使用效果良好,再未出现故障。

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  3 电路设计核查与对比验证分析

  失效固态继电器应用于我司空调内机主板上,驱动电路如图6所示,主要用来驱动内机交流PG电机,使内机贯流风叶按照设定风速档出风。PG电机控制电路采用固态继电器为控制电机的核心,通过内部程序根据反馈的转速进行运算后输出脉冲波形控制固态继电器中的可控硅导通角度,从而达到控制电机转速的目的。

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  交流型固态继电器工作原理如下图7所示,交流型固态继电器有过零触发,所谓“过零”是指, 当加入控制信号, 交流电压过零时, SSR 即为通态; 而当断开控制信号后, SSR 要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位) 时,SSR 才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。既过零触发型AC- SSR 是当交流负载电源电压经过零点( Ut= 0) 时, 负载电流才被接通。

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  AC输出型负载侧受到较大噪音和浪涌时, 可能会引起SSR误动作或损坏的情况, 此时要接入压敏电阻;输入侧受到较大噪音和浪涌时, 可能会引起SSR误动作或损坏。此时要接入由C、R 等形成的噪音吸收线路。

500万彩票网  整机雷击浪涌模式实验分析

500万彩票网  输出端整机波形验证测试分析,测试数据如图8所示,当在220 V、60 Hz电源供电加7%的谐波(2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次),此时最大峰值电压为504 V,而固态继电器6,8脚之间峰值电压已达716V。经测试发现相当部分输出端耐压无法达到要求的600 V,甚至在无法承受400 V的电压;测试显示当电压施加到400 V时不会马上被击穿,稍等两分钟就出现击穿现象。实际使用中压敏电阻的动作电压在600 V左右,当电网中出现浪涌电压时SSR就会直接被击穿短路,而压敏电阻还是好的。

  4 固态继电器失效解决方案

  物料封装绑定不良,为厂家生产环节各方面因素导致,厂家已针对性改善,物料可靠性明显提高,且提高了输出端耐电压,且延长漏电流测试时间,物料输出端抗耐压性能明显提高。电路方面通过对电路进行优化改善,抗浪涌电压能力明显提高,电路可靠性明显提高。

  4。1 输出电路设计优化

  将阻容模块由原来的 0。1 μF+120 Ω改为0。1μF+360 Ω;电感由原来的200 μH改为260 μH,其它都不变。原固态继电器损坏的原因主要是线路上的谐波与阻容模块的电容及电机的电感产生振荡,致使固态继电器6、8脚电压超过600 V。

500万彩票网  根据PG电机待机状态下的等效电路,若加大阻容模块的电阻,则在相同的谐波电压下,谐波电流会降低,加在固态继电器6~8脚之间的谐波电压自然降低。

  若谐波电压为12 V,阻容模块电阻改为360 Ω后, 当发生谐振时,流过阻容模块的电流为12/360=0。033 A,此时加在固态继电器6、8脚之间的电压为(理论谐振频率583 Hz时)。0。033 x [1202+(1/2x3。14 x 583 x 0。1 x 10-6)2)]1/2=90。2 V,此电压与更改前的273。3 V已大幅度的降低。

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500万彩票网  将PG电机控制电路中阻容模块原来的0。1 μF+120Ω改为0。1 μF+360 Ω;电感由原来的200 μH改为260 μH,能有效地降低电网中谐波电压对固态继电器的损伤,也解决了雷击浪涌电压造成的固态继电器承受过高电压的问题。增加阻容模块中的电阻值,会使EMC中的传导变差,但可以通过增加电感值使该问题得到解决。

  4。2 物料测试筛选条件

  A厂家针对固态继电器测试筛选,对输出端性能参数测试条件进行提高,具体参数测试条件更改如下图9所示,对输出端漏电流,抗耐压性进行提高,使产品性能更可靠。

  1)测量时电压上升 600 V ⇒ 620 V(对于ChipVender保证值600 V、20 V 的Risk条件);

  2)扩大漏电流的测量时间。

  5 结论

  通过产品实际应用过程中的问题反馈信息及对器件单体及应用电路综合分析,本文从固态继电器的失效机理、失效因素、器件应用等多方面进行分析。

  通过对PG电路中阻容模块,以及电感量进行提高优化后,能有效地降低电网中谐波电压对固态继电器的损伤,也解决了雷击浪涌电压造成的固态继电器承受过高电压的问题。原厂物料再原有标准上再次提升输出端耐压、以及扩大测试电流时间,收严标准,整体提高控制力度从而改善产品质量,从而改善产品质量,且效果明显。

  通过此次优化整改,电路方面抗外界电网冲击性能更可靠,对器件失效整改,要从器件单体及应用电路、工作环境等进行详细有效测试评估,与实际使用环境及使用位置进行综合分析,将固态继电器输出端耐压测试评估要求纳入入厂检标准,可提前较好测试把关提高产品质量,提高固态继电器工作可靠性,降低过程及应用中后失效率。

  参考文献

500万彩票网  [1] 周志敏.固态继电器的原理与应用 [J],电源世界,2004-03-15.

  [2] 周长刚,朱英明。 对固态继电器SSR原理及应用中一些问题的探讨 [J],电气开关,2005,43(6):39-41 。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第64页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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