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小型智能功率模块在变频空调应用故障分析
小型智能功率模块在变频空调应用故障分析
三菱电机半导体大中国区应用技术中心 王小岭
1. 小型IPM在变频空调应用介绍
1.1 小型IPM主要特点
通常来说智能功率模块是指内置了逆变用IGBT、续流二极管FWD及驱动IC的功率器件。传统的IPM一般采用盒式封装结构。为了提高能效，变频空调的市场占有率越来越高，变频空调应用中要求功率模块具有低成本、高可靠性、体积小、易于生产等特点，为了满足这些要求，小型IPM被开发出来。与传统IPM相比,小型IPM一般采用DIP或SIP的封装型式。采用DIP或SIP封装的小型IPM更容易通过焊接安装到PCB上，而传统IPM体积较大，较难焊接到PCB上。图1是一种采用了压注模工艺和DIP封装的小型IPM图片。这种封装型式更适合大批量生产。图2是一种采用盒式结构的传统IPM的图片。
1.2 变频空调应用拓扑结构及PCB介绍
由图3可以看出小型IPM工作时会承受大电流和高电压。当变频空调在制冷模式下运行时，其室外机将在高温环境下运行，这将使小型IPM散热变得很困难。过高的工作环境温度，会使小型IPM因过热而发生损坏。图4的PCB中，小型IPM通过焊接的方式被安装到了PCB上，安装工艺必须严格控制，否则模块可能会因为安装不良而损坏。同工业产品相比，变频空调的生产量很大，小型IPM在生产线及市场的故障率变得很重要。很多情况下，研发和质量工程师不得不花很多时间处理模块不良问题。
2.1 典型生产工艺介绍
在生产过程中，小型IPM典型故障模式有：ESD(静电放电的缩写)击穿、机械损伤、功能测试损坏等。在图5所示的A、B工序中，ESD击穿发生的概率高，其原因是在此工序中操作人员需要接触模块。作为一种ESD敏感的器件，人体ESD会导致小型IPM击穿。图6给出了一种小型IPM端子的抗ESD的能力。在图5的E工序中，有时会发生因安装力矩控制不良而导致的小型IPM机械损伤。图7给出了因安装力矩过大导致的模块机械损伤。
在G工序中, 会对变频控制盒进行功能测试，小型IPM将带负载运行，此过程中可能会发生小型IPM因过电压或过电流导致的模块损坏。测试工装的可靠性及正确的操作规程是功能测试中决定小型IPM故障率的重要因素。
在G工序中，经常采用两种方法来连接小型IPM和负载压缩机，一种是如图9所示的探针连接，一种是如图10所示的端子连接。图8中，我们可以看出负载电流的流向是由小型IPM的U、V、W端子流向负载压缩机的端子。这种连接方式下，U、V、W 端子的电压稳定性变得很重要，因为U、V、W 端子同时也是小型IPM上桥臂驱动IC的地，如图11所示。小型IPM与负载压缩机间连线接触不良会导致U、V、W端子电位波动。当电压波动超过一定限值会导致小型IPM因过压或短路而损坏。图9和图10所示的连接方式，在经过成千上万次的测试后，连接端子会变得不可靠。采用探针连接方式下，建议采用双路探针进行连接，以增加连接的可靠性。图10的连接方式建议将端子采用焊接的方式，将端子焊接到负载压缩机端子上。作为质量控制的一项重要内容，对测试工装及其连接可靠性进定期检查，有助于降低小型IPM故障率。
一旦小型IPM出现故障，工程师总是想在第一时间知道导致损坏的原因及解决方法。实际上，有效的故障分析方法是选择正确的故障分析流程。图12给出了一种典型的故障分析流程。有些情况下，故障原因很容易判定，但多数情况下，故障原因分析需要一个较长的时间。工程师需要搜集很多的故障信息，并对相关信息进行分析和对故障现象进行模拟才能找到导致故障的根本原因。在故障分析过程中，故障信息搜集的越多，越有利于故障分析。图12中，c、f、I是3个重要的分析过程，需要重点对待。
2.4 故障分析案例
为了更好的说明故障分析过程，图13、图14给出了一个典型故障的分析案例。图13是由现场应用工程师进行的故障信息统计。由图13可以看出，小型IPM损坏的同时，PCB上同时有自举电路15V电源齐纳二极管的损坏。齐纳二极管用来对15V电源的浪涌电压进行吸收。通过上述信息，可以看出小型IPM的损坏与15V电源的齐纳二极管损坏似乎存在联系。图14的小型IPM故障解析报告中，可以看出其内部IGBT出现了损坏，损坏可能由过压或过热引起。
从故障分析数据及故障解析报告中，我们可以得出结论：故障原因与齐纳二极管相关，IGBT损坏的原因是过热或过压。为了验证结论的正确性，需要对故障原因进行模拟，模拟当齐纳二极管出现损坏的情况下，小型IPM的工作状态。模拟采用图15所示的电路进行, 图16 波形证实了齐纳二极管的损坏将导致小型IPM损坏。图16可以看出，由于齐纳二极管的损坏，模块工作电压由15V降低到了9V。图17、图18分别给出了市场反馈不良的小型IPM故障解析照片和模拟实验损坏的小型IPM的解析照片，可以发现两种IGBT损坏的特征非常相似。通过故障解析及故障模拟对比可以基本判定小型IPM市场损坏的原因是由齐纳二极管导致的。因此采用质量更好、可靠性更高的齐纳二极管将有效降低小型IPM市场故障率。
结 论
尽管小型IPM具有高集成度、高可靠性的特点，也非常适合变频空调应用，但是怎样对发生在生产过程中的以及市场的产品不良进行有效处理是一个值得考虑的问题。本文针对小型IPM在空调生产过程中及市场的不良原因进行了分析并举例说明了分析的过程和方法。信息搜集、样品解析、故障模拟是故障分析过程中最重要的三项内容。
转自：三菱电机半导体
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