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整流电路EMC试验可靠性研究与应用

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  摘 要:针对某空调机组在进行整机EMC浪涌试验时,内机驱动板所用A厂家整流桥短路失效的问题,本文从整流桥失效机理、器件参数对比、电路设计差异、模拟验证复现等方面进行分析,找出导致驱动板EMC浪涌冲击试验失效的原因。
  关键词:EMC;整流桥;电容;充放电;静电;电路设计
  中图分类号:TG433 文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2019)02-0041-03
  Research and Application of Reliability Test of Rectifier Circuit EMC
  —— Taking the Failure of EMC Test of an Air Conditioning Unit Drive Board as an Example
  Abstract: Aiming at the short-circuit failure of rectifier bridge of manufacturer a used in internal drive board of an air-conditioning unit during EMC surge test, this paper analysed the failure mechanism of rectifier bridge, the comparison of device parameters, the difference of circuit design and the recurrence of simulation verification, and found out the reasons for the failure of EMC surge test of driving board.
  Keywords: EMC;rectifier bridge;capacitor;charge and discharge;static electricity;circuit design
  强电滤波整流电路是把工频交流电转换为直流电的电路,该电路主要由前级EMC滤波和后级整流滤波组成。而整流桥在正常工作中需要承受较高的反向电压冲击,且可能因设计或者外界较高浪涌导致失效。因此,对器件本身的可靠性、一致性及电路设计可靠性有较高要求。近期,某出口用空调机组在进行整机2kV EMC浪涌试验时,内机驱动板出现功能失效。本文主要对该现象进行分析。
  1 事件背景
  某出口用空调机组在进行整机2kV EMC浪涌试验时,内机驱动板出现功能失效。经测试,为A厂家25A/800V整流桥短路导致,更换B厂家整流桥后试验无异常。在分析整流桥失效的过程中,对比该驱动板与其他板,发现两者的电路设计存在差异,因此从器件可靠性与电路设计两方面同时开展失效分析。
  2 器件可靠性分析
  由于该驱动板使用A厂家整流桥时试验结果不合格,更换B厂家后测试无异常,因此需要从整流桥的失效模式和两厂家的关键参数上进行对比分析[1]。
  2.1 失效現象
  测试整流桥失效品发现,P4-2、P4-3的引脚间出现短路,对应D1/D2位置的二极管;利用X-ray观察内部结构,未发现明显的制造缺陷,但二极管晶片放大后能发现明显的击穿短路点(见图1)。
  2.2 DPA分析
  2.2.1 金相分析。晶圆切面金相后观察,击穿短路点在晶片的玻璃钝化层内部,晶片边沿位置无异物短路。
  2.2.2 开封分析。对不良品做开封分析,观察短路二极管晶片表面的情况,发现两个短路的二极管损伤点在晶片边沿(见图2),呈现出电烧毁的状态。
  2.2.3 初步结论。整流桥失效品本身未发现制造缺陷,确定短路原因是过电击穿。
  2.3 关键参数对比
  同样条件的浪涌测试,A厂家的整流桥更容易损坏,说明其某个参数应弱于B厂家的产品,对两厂家整流桥关键参数进行对比,结果见表1。从表1可知,A厂家整流桥反向极限耐压高出B厂家约500V,正向浪涌电流承受能力也优于B厂家,但在试验中,却比B厂家产品更加容易损坏。
  通过分析整流桥的不良品和对比两厂家的关键参数,并未发现异常,且A厂家产品的参数整体优于B厂家,因此,需进一步结合整流桥所在的控制电路进行分析。
  3 电路设计分析
  3.1 电路对比分析
  对出问题的出口驱动板的滤波整流电路与内销驱动板的整流滤波电路进行对比发现两者存在差异:该出口驱动板的整流桥负极通过CY105电容(电容量2.2nF)进行接地。
  对驱动板进行浪涌电压试验时,按照箭头路径拆依次分成以下4个回路(见图3),其中A、B、C三个回路均有保护器件,只有D回路没有器件抑制且吸收2kV浪涌电压,浪涌电压会直接施加到D回路上,当电压超过整流桥(二极管)的极限耐压时,会对CY105进行充放电,充放电流较大从而将二极管击穿[2]。
  3.2 模拟验证分析
  对浪涌试验过程 CY105电容两端出现的电压和电流值进行监控[3]。
  试验方案:CY105电容两端串联1Ω电阻做电流采样,L-PE之间施加1.5kV、1.5/50μs的浪涌波形,使用示波器监控电容两端的电压与电流波动。
  测试结果:CY105两端电压波动峰值≈1.2kV,CY105充放电流峰值≈12A(采样电阻1Ω),电流持续时间10~20μs(见图4)。
  结论:当1.5kV浪涌电压反向通过整流桥时,浪涌电流能够达到12A,因此整流桥应是被该电容的充放电电流损伤导致短路失效。
  根据电容特性进一步推断,当CY105的容量变小直到为0时,其充放电电流及能量也会变小,即L-PE之间的抗浪涌能力能得到提升,因此,设计试验将该电容更换为低容量产品,直至取消该电容,验证驱动板的浪涌试验,试验结果见表2。
  从上述不同容量的CY105电容及两家整流桥对比可以看出,CY105电容越小,充放电电流/能量越小,整流桥越不容易损坏;当CY105电容去掉时,两家整流桥都可以达到4kV的最新浪涌试验标准。
  4 器件差异性分析
  通过上述试验验证可以看出,在取消电容之前,同等测试条件下,A厂家的整流桥更容易失效。由于D回路的电容充放电电路与静电放电的MM模型(电路)类似,都是通过高压电容放电,只是放电电容量不同。因此,可使用MM模型的静电测试评估A、B厂家整流桥的差异点。
  对两个厂家整流桥各取4个样品,进行MM模型的静电放电测试,测试数据见表3。
  测试结果显示,两个厂家的整流桥都满足并远远超出企标中MM模型要求的200V标准,但对比极限性能,A厂家为2kV,B厂家为3.5kV。因此,分析判断这是导致A厂家整流桥在浪涌试验中容易损坏的原因。
  5 结论
  ①强电整流电路中,浪涌电压引起的电容充放电确实会对整流桥造成损伤,因此,整流桥负极通过Y电容接地的设计方案才是引起此次驱动板试验失效的根本原因。虽然该接线方式能在一定程度上提高电路的EMC能力,但容易造成器件损坏导致电路系统可靠性不高,故应尽量避免这种接地方式。
  ②整流桥的抗浪涌能力,除了VRWM外,MM模式下的抗静电能力极限值在一定程度上能够反映出内部晶圆可承受浪涌冲击的能力。因此,在整流桥的选型和检测中,应充分考虑整流桥在不同模式下的抗静电能力的极限值。
  参考文献:
  [1]陈灏.交流变频空调器EMI抑制技术[J].电子质量,2012(6):74-76.
  [2]刘进军,卓放,王兆安.电容滤波型整流电路的网侧谐波分析[J].电力电子技术,1995(4):14-19.
  [3]孙海涛,管春江.励磁整流桥故障分析[J].电工技术,2011(12):65-68.
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