聂秀丽
(长沙格力暖通制冷设备有限公司 湖南 宁乡 410600)
摘要：作为一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，固态继电器利用电子元件的开关特性，可达到无触点的接通与断开电路的目的。固态继电器具有体积小、开关速度快、控制灵活、工作寿命长、无机械触点、防爆耐震与驱动电压低、电流小、可靠等优点。固态继电器作为空调内机控制器中的重要电路，一旦其失效，将导致空调内机无法出风。因此，对空调内机PG电机调速控制用固态继电器工作的可靠性相关内容展开分析，具有重要的现实意义。
关键词：空调内机；PG；电机；调速控制；固态继电器；可靠性
1事件背景
在售后实际工作中家用空调使用固态继电器故障失效突出，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，在大多数情况下，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固态继电器失效的原因和机理
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，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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图1固态继电器内部结构原理图
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封装绑定不良。
2.1输出端短路失效分析
对失效样品开封分析，树脂开封结果分为两类，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。晶圆表面开封无损伤痕迹，如图2，从电气特性短路来看，破坏处是等效电路和剖面模式。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。
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图2晶圆开封解析图片
2.2物料制造不良失效分析
以A厂家为例进行分析，A厂家物料本身封装绑定不良按照失效原因可以分为四大类，生产环节本身封装绑定不良是主要失效因素。主要是厂家工艺、设备以及人员操作方面等失控，造成故障品流出，而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。
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，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。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。
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。整机雷击浪涌模式实验分析输出端整机波形验证测试分析，当在220V、60Hz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504V，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600V，甚至在无法承受400V的电压；测试显示当电压施加到400V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600V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
4.1优化输出电路设计
将阻容模块由原来的0.1μF+120Ω改为0.1μF+360Ω；电感由原来的200μH改为260μH，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，导致固态继电器6、8脚电压超过600V。根据PG电机待机状态下的等效电路，如果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12V，阻容模块电阻改为360Ω后，当发生谐振时，流过阻容模块的电流为12/360=0.033A，此时加在固态继电器6、8脚之间的电压为(理论谐振频率583Hz时）。0.033x[1202+(1/2x3.14x583x0.1x10-6）2)]1/2=90.2V，此电压与更改前的273.3V已大幅度的降低。将PG电机控制电路中阻容模块原来的0.1μF+120Ω改为0.1μF+360Ω；电感由原来的200μH改为260μH，能有效的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
针对固态继电器测试筛选，A厂家提高了输出端性能参数测试条件，提高输出端漏电流、抗耐压性，使产品性能更可靠。1）测量时电压上升600V?620V（对于ChipVender保证值600V、20V的Risk条件）；2）扩大漏电流的测量时间。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，能有效的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。
5结语
总之，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，综合分析实际使用环境及使用位置，将固态继电器输出端耐压测试评估要求纳入入厂检标准，提高固态继电器工作可靠性。
参考文献
[1]方显礼.基于分体式空调器室内PG调速电机控制电路设计分析[J].广东教育（职教版），2019(5):103-105.
[2]孙玉昆，杨芬，王俊玲.固态继电器在旅客列车环境控制系统中的应用[J].科技创新与应用，2016(33):7-8.