关于Y电容导致整流桥失效原因的研究报告

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摘要：空调使用过程中，研究PFC电路单个整流桥失效机理，重点从外协外构件、电路以及生产环节进行排查，分析器件的特性、对比电路有无明显异常、确认生产环节对PFC电路中单个整流桥有无损伤等隐患，通过各环节的逐步分析验证，确认单个整流桥具体失效原理，以便快速整改，提高产品可靠性。

关键词：Y电容 单个整流桥失效 PFC电路 耐压测试

1、引言

在家用空调控制器实际生产以及售后返回故障件中，其中按类型统计，功率器件损坏中，PFC电路中单个整流桥失效故障最为突出，而整流桥、IGBT等一起失效的故障率明显低于单个整流桥失效故障率，相关统计数据如下（注：整流桥失效主要现象表现为内部一个或多个二极管短路）

单个整流桥失效 整流桥、IGBT失效 整流桥、IGBT、二极管失效

72% 14% 12%

注：以上数据来源于2011年家用空调控制器售后数据

在分析PFC电路中单个整流桥以及其他失效模式，主要从整流桥内部二极管性能参数、电路以及生产等环节是否有异常，也即从外协外构件、生产过程、电路设计方面进行全面排查，本文就单个整流桥失效问题重点从以上三个方面进行重点分析。

2、具体分析过程

㈠、单个整流桥失效

售后及生产过程中出现的单个整流桥失效位置如下图所示，从实际复核情况可以看出，单个整流桥内部失效并没有明显规律，如有的故障件内部只有一只二极管击穿短路，有的为两个或以上二极管击穿短路，相关电路图如下

左图为整流桥内部二极管失效示意图，右图为耐压测试示意图

在分析单个整流桥失效原因前，先简单介绍PFC电路

在控制器上的PFC电路如下

电路作用

二极管作用：在IGBT开启时，使电解电容正极与地隔开，避免电解电容中的能量倒流；此二极管至少要能承受400V以上的反向耐压，若二极管反向耐压不足，即会被击穿。

IGBT开启时，电流通过电抗器，能量存储在电抗器中；

IGBT关断时，储存在电抗器中的能量通过二极管流向后续电解电容；

结果无论是IGBT在关断或者开启时，都有连续的电流通过整流桥和电抗器，使得零火线上的电流波形接近与电压波形，从而提高系统的功率因数。

如果没有此电路，零火线的电流将是一个脉冲，波形严重畸变于电压波形，电流波形将类似下图：

无PFC电路时的电流&电压波形（电流为脉冲状）

㈡、单个整流桥内部二极管分析

①、二极管参数

上图为单个整流桥对应的实际工作电路，从电路中可以看出，通电运行过程中每个二极管所有承受的反向工作电路不会超过450V（因超过450V，则CPU会提示直流母线电路过高等保护）

③、整流桥器件开封

实际开封情况如下图

从上图开封情况可以看出：左图应属于电压击穿，右图是瞬间过电流导致短路！ 实际单个整流桥故障件开封过程中均可以看到晶圆过压或过流的痕迹，此点从一定程度上可以排除外协外构件本身质量异常因素。

㈢、电路方面

①、PFC电路中器件参数基本一致（相关电路见上），但对比实际生产以及售后控制器故障件情况，单个整流桥失效对应的主板并不集中，比较离散，没有规律可循。

②、对比11年之前的变频主板PFC电路、11年变频主板PFC电路，其电路改动较大，没有明显的对比点。

以上可以看出，从电路方面没有明显异常点，因此需重点检查变频主板生产过程。

㈣、生产过程分析

由于单个整流桥失效，其失效机理应从过流、过压方面重点进行分析，对应变频主板外机生产环节，主要从变频外机主板测试供电电源、安规测试等环节进行排查。

①、变频外机主板测试供电电源

供电电源主要从有无尖峰电压，电压有无突变等方面进行排查，电源相关测试波形如下

电压无尖峰，无明显突变

②、安规测试环节

目前安规测试相关数据如下表所示

正常的安规测试步骤进行分解，捕捉四个测试状态（接地、绝缘、耐压、泄露）下的波形如下

从上表结合测试波形可以看出，涉及到对单个整流桥有直接影响的项目为安规试验中对应的耐压测试。耐压测试是指对各种低压电器装置、绝缘材料和绝缘结构的耐压能力进行测试。耐压测试的基础理论是将一个产品暴露在非常恶劣的环境之下，如果产品能够在这种恶劣环境之下还能维持正常状况，就可以确定在正常的环境之下工作，也一定可以维持正常的状况。

对一般器具来说，耐压测试是测试火线与机壳之间的击穿电流。基本的规定是以两倍于被测物的工作电压，再加1000V，作为测试的电压标准。

耐压测试示意图如下（此点需重点）

根据高压探头检测到的波形来看，变频外机主板L、N线与整机机壳间静态输出下频率为50HZ，输出波形的峰峰值为4242V（我们所说的1500V为耐压的有效值，有效值×2×1.414=峰峰值），如下图所示

备注：动态输出下频率为60HZ，振幅波动较大，但是也在范围内，如下图所示，在动态输出下测试L、N之间的电压为220V、50HZ的交流电存在（这个在实际生产过程中尤为注意）

从以上耐压测试分析过程可以看出，实际测试过程中L、N线与整机机壳间会产生1500V交流电，结合PFC电路中单个整流桥失效现象，耐压测试过程中是否有一路径导致1500V通过整流桥构成回路呢，因此接下来重点分析整流桥与耐压1500V交流电有无关联。

以耐压测试示意图为例

结合实际电路图与耐压测试原理仔细深入分析可以看出，耐压1500V交流电可以通过整流桥内部二极管、安规电容（Y电容）至强电地（如上图红色箭头所示），而此回流中，整流桥内部二极管在正负半周均会承受反向1500V交流电，虽目前测试时间只有1～2秒，反向1500V高压对二极管有一定损伤，根据实际复核情况可以看出，耐压测试时损伤二极管主要表现为漏电流偏大。

㈤、取消Y电容情况

根据故障失效分析结果，11年取消Y电容，对比售后取消Y电容前后对应的变频外机主板单个整流桥数据，可以看出取消Y电容后，单个整流桥失效故障率明显下降。

三、总结

11年售后及厂内单个整流桥失效的原因主要由于PFC电路中强电端、弱电端之间接有安规电容（Y电容），而安规测试环节中，L、N线与强电地间通过Y电容构成电流回路，1500V交流电在通过该回路过程中，整流桥内部二极管会承受一定反向电压（如测试可以看出二极管漏电流可能会偏大），这也是为什么生产过程中单个整流桥并没有出现失效，而是空调使用过程中整流桥才会出现失效的原因。

参考文献：

[1] 杨素行 《模拟电子技术基础简明教程》第二版.北京.清华大学电子学教研组，1997

[2] 林钢 《空调器原理与维修》 第一版.北京.机械工业出版社， 2003

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