变频空调开关电源电路开关芯片炸失效分析与研究

熊克勇 项永金 崔斌 苏升卫 王奎 尹粵卿

摘要：变频空调控制系统用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题，经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是开关电源电路中的开关芯片炸失效导致，该问题一直是困扰着空调生产企业难题，问题长期存在没有得到有效解决方案，严重影响产品质量。本文从器件可靠性、应用开关电源电路系统设计、实际应用环境等方面进行全面验证分析，最终将开关芯片炸失效原因找到，并采取有效方案解决。

关键词：变频空调 开关电源 开关芯片 应用环境

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.010

引言

变频空调是时代发展趋势，已经逐步普及走进千家万户，空调除了具有基本的制冷、制热作用外，其功能日益多样化。要求也提高：节能、环保、舒适、低分贝、用户触控体验效果。实现这些功能离不开高可靠性的控制器系统，其中开关电源供电系统在控制器中承担关键作用，为各电路正常工作提供电源，使各单元电路按照整体系统设计控制目标完成相应的控制、检测、保护等，完成空调各种功能如制冷、制热、扫风、显示等的目的，以实现空调舒适、完美体验。

作为空调中控制器中的重要电路，开关电源部分一旦发生故障，将导致空调整体功能失效，而且维修需要全机导通检测，维修麻烦、难度高，维修成本高，严重时可能导致控制器爆板，空调整机烧毁，造成严重的安全事故。因此研究开关电源电路、开关芯片炸失效模式、失效机理非常重要，采取有效方案解决全面提升开关电源电路整体工作的可靠性，从而降低其售后故障率，减少控制器维修成本，提高消费者对品牌的满意度具有十分重要的意义。

经对开关芯片失效模式、失效数据进行统计分析发现我司三款开关芯片售后均有失效。开关电源电路芯片炸等失效一直也是空调甚至整个行业长期存在难题，均未有有效的解决方案，经过大量对器件核心参数、整机开关电源电路实验验证分析测试开关波形发现为变压器在高温高湿条件下，离散的发生了磁饱和导致开关芯片炸，最终采取有效方案解决问题.该方案对空调等行业在开关电源电路设计提供设计开发思路借鉴与参考.

1事件背景

变频空调控制系统用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题，经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是开关电源电路中的开关芯片炸失效导致，经过多年的跟踪空调实际应用维修数据，因开关芯片炸失效导致售后投诉单数达268单，占整个控制器售后故障率15.9%，控制器售后大比例失效严重影响空调整体产品质量及用户实际体验效果。问题急需进行分析研究解决。

2芯片失效原因及失效机理分析

2.1开关芯片失效检测分析

将安森美、三肯开关芯片炸主板多次寄给对应厂家分析，及各厂家现场来司协助分析，一致认为开关芯片炸主要还是漏极过电冲击损伤导致击穿失效，是芯片本身质量问题还是电路设计问题，经过分析不排除芯片本身质量、开关电源磁饱和、高频变压器器件异常、主板使用工作环境等因素导致。

开关芯片失效开封图片如下图1。

2.2各厂家开关芯片极限参数测试

售后开关电源电路中开关芯片炸失效，经过对器件失效分析为过电击穿失效，售后应用出现大概率失效不可能全部是用户电源出现异常，是否是芯片抗极限耐压及浪涌冲击能力较差。三个厂家开关芯片在售后均出现失效（使用开关芯片信息如表1），其中安森美开关芯片失效最多，是否是各厂家芯片极限耐压整体偏低，存在差异性。带着这些疑问对各厂家使用开关芯片进行极限参数杜比分析，通过对售后失效器件对应开关芯片进行核心参数分析及相关数据测试结果表明，ON、三肯、科汇厂家开关芯片极限耐压均可以达到700V，其中三肯开关芯片极限耐压最高达820V，平均在760V。科汇开关芯片相对较差（极限耐压对比测试数据如下表2）。

通过器件单体核心参数检测对比，器件方面差异没有较大明显区别。售后突出失效与开关芯片可能没有直接关系。

2.3磁饱和分析

开关芯片炸失效经过对器件相关参数，可靠性对比分析，可能不是开关芯片本身问题，开关电源设计考虑是整个系统设计，非单个器件。出现开关芯片炸失效是否是电路设计存在问题，是否是出现磁饱和。

我们知道开关电源磁饱和与电路中相关器件配合等有直接关系，开关芯片、高频变压器、输入电源、应用环境等都是影响开关电源可靠性关键问题。开关芯片失效是否与磁饱和有关，如果是哪些因素影响导致，针对产生众多个疑问开关全面分析验证。

2.3.1常态环境

常态环境电路与高频变压器（12年底整改后制品）搭配后，测试Vds漏极电流最高峰值约800mA，未发现磁饱和现象，即未出现过流，Vds多次验证未出现超过600V及以上电压，即未出现过压。（测试波形图片如下图2）

常态环境：通过将售后多单故障件交给厂家分析及来司现场分析，常态条件下对开关芯片漏极电流波形检测没有发现存在磁饱和异常，但是从检测波形看，电流峰值逐渐接近磁饱和，特别是安森美厂家开关芯片对应电路。

2.3.2高温高温环境

高频变压器使用磁性材料为铁氧体，由于磁材特性当环境温度达到一定温度后磁性有衰退现象，会出现退磁，可能会导致出现磁饱和异常，导致开关芯片炸失效，统计数据售后失效控制器多为8、9月份，当时空调运行环境温度比较高，这个可能是个因素。

磁材磁性一致性不好，或是高频变压器预留抗饱和度余量低，在高温下提前出现退磁，也是会影响开关芯片正常工作。空调实际应用中出现开关芯片炸失效具体是什么原因失效，是受温度、湿度影响还是综合影响导致结果，针对问题展开全面验证分析，测试开关芯片漏极电流波形如下图3、4。

高温高湿环境：控制器整机高温高湿环境下，开机后开关芯片工作瞬间检测开关芯片漏极电流波形出现低概率的磁饱和现象，经过测试开关波形发现为变压器在高温高湿条件下，离散的发生了磁饱和导致开关芯片炸。

2.3.3分析总结

磁饱和异常与厂家多次交流分析讨论，逐一排查磁性材料、电感线圈绕线工艺等异常将问题锁定在开关电源电路抗磁饱和设计余量上，最终确定整改方案：调整高频变压器初次级匝数，通过增加线圈匝数降低了Bsat值提高高频变压器抗磁饱和强度，进而解决高频变压器产生磁饱和异常问题。

3开关芯片失效整改措施

3.1开关芯片失效解决方案

解决方法：调整高频变压器初次级匝数（具体调整线圈匝数如下图5、6），通过增加线圈匝数，降低了Bsat值提高高频变压器抗磁饱和强度，进而解决高频变压器产生磁饱和异常.整改内容具体方案调整：43110329-4311032901/2/3

4整改效果评估及应用效果验证

新制品经过整机验证测试抗磁饱和强度大幅度提升，经过实际验证显示即使再次出现售后恶劣使用环境，也不会出现磁饱和异常，电路设计整改后实际试验测试验证抗磁饱和强度提升40%，有效解决问题.长期跟踪过程及售后失效率为零，实际整改效果显著。整改后高温高湿环境芯片漏极电流波形检测如下图7。

5开关芯片失效整改总结及意义

本次售后大批出现开关芯片失效属于开关电源电路设计缺陷，在电路设计开发时未能有效考虑到实际设计开关电源电路非常规条件下磁饱和问题导致实际应用中出现重大质量问题，本次整改从整体提升开关电源设计可靠性角度出发具体为调整高频变压器初次级匝数，通过增加线圈匝数，降低了Bsat值有效提高高频变压器抗磁饱和强度，进而有效解决高频变压器产生磁饱和问题。