变频电源开关芯片炸裂的失效分析与可靠性研究

电子产品世界变频电源开关芯片炸裂的失效分析与可靠性研究

Failure analysis and reliability research of inverter power switch chip explosion

王少辉，项永金（格力电器（合肥）有限公司，合肥 230088）

摘要：随着科技的发展，电器设备使用越来越广泛，功能越来越强大，体积也越来越小，对电源模块的要求不断增加。开关电源具有效率高、成本低及体积小的特点，在电气设备中获得了广泛的应用。经分析，开关电源电路多个器件失效主要是电路中高压瓷片电容可靠性差，导致开关芯片失效。本文通过增加瓷片电容材料的厚度提高其耐压性能和其他性能，使产品各项性能有效提高，满足电路设计需求，减少售后失效。

关键词：开关电源；高压瓷片电容；芯片；耐压提升；可靠性

开关电源电路凭借良好的性能得到了广泛应用，作为开关电源电路的重要组成器件，开关芯片决定了开关电源的质量。2019年后，由于空调高端智能化、绿色节能化、友好交互化，空调机型也在不断变化，对电源设计要求更高，电源电路设计也越来越多样化、复杂化；电源电路主题设计也在不断变化，以前开关电源只是用在变频外机，使用量较少，现开关电源电路已用于生产的所有产品。随着开关电源电路的大量使用，因开关芯片导致的售后失效也呈逐年上升趋势，每年因开关芯片失效导致控制器失效的维修成本不断上升。

1 事件背景

变频空调外机开关电源SK开关芯片在售后出现多单失效，核实发现高频变压器[1]输入端连接的高压瓷片电容有多单出现炸裂，未炸裂的瓷片电容测试也有短路失效。外观检查发现，连接开关电源芯片1脚的3个限流电阻、瓷片电容均出现大电流烧坏的现象，如图1所示。因变频外机板整个开关电源电路器件烧坏，导致外机不能工作，严重影响产品质量及品牌形象。

锁定开关芯片失效及电阻烧毁与高压瓷片电容有关，经对高压瓷片电容（型号：10 pF±5%/1 000 V）进行确认均为B厂家生产，经核实该型号电容的生产为A （国外）和B（国产）两个厂家，分析表明，电容本身

存在缺陷导致内部短路的可能性较大。

图１　失效样品外观图

失效控制器主板集中在2018—2019年生产的机器，A、B厂家此编码瓷片电容一直在使用，2019年总使用量差不多60多万，B厂家售后没有出现失效，售后瓷片电容失效全部是A厂家，分析表明，瓷片电容本身质量异常导致开关芯片失效质量异常可能性较大。

瓷片电容介质耐压很高，一般在电路中很难击穿失效，对正常品瓷片电容测试极限耐压，测试50PCS全数通过3倍额定电压3 000 V，没有出现击穿失效。查看近几年复核数据，均无单独瓷片电容故障。统计瓷片电容各厂家供货情况，B厂家主要在2018年开始批量使用。各厂家使用数量见表1。

设计应用

esign & Application

表１　各厂家历年使用数量

年份A 厂家B 厂家201614 059 0000201714 054 0844 000201812 102 1022 522 00020195 514 2923 667 931合计

45 729 478

6 193 931

2 开关芯片的失效故障原因及失效机理分析

分析表明，开关芯片失效及电阻烧毁与为电容本身存在缺陷导致内部短路有关。开关芯片电路及开关芯片失效分析暂未发现异常，此次开关电源电路器件烧坏为B 厂家瓷片电容导致。

２．１　开关芯片电路工作原理分析

开关芯片引脚功能图，SK 厂家开关芯片工作原理图，如图1所示。

开关芯片各引脚功能描述如表2所示。

表２　开关芯片引脚功能描述

引脚号引脚名称功能描述

1S /OCP MOSFET 源或过流保护信号输入，在开关

电源电路中连接限流电阻，且在高频变压

器初级输入端并联一个高压瓷片电容2BR

检测电压信号输入，将开关电源电路中串

联电阻连接到整流后直流线路P 点电压

3GND 接参考地引脚

4FB /OLP

恒压信号输入及过载保护信号输入，连接

光耦第4脚，且与GND 并联一个电容5VCC 开关电源芯片内部电路电源电压输入及过

压保护信号输入，连接高频变压器反馈线

圈引脚

6空脚——7D /ST MOSFET 和启动电流输入，连接高频变压器初级输入引脚

D /ST ２．２　瓷片电容的使用信息

经查，此电容使用商用、家用、出口机器（较多），包括洗衣机，电路主要与电阻并联于开关芯片D 漏极与S \OCP 过流电路保护端，搭配SK 厂家开关芯片。

其他厂家开关芯片没有搭配瓷片电容，对比SK 厂家3款开关芯片外围电路，D -S 极间串联均为10 pF 瓷片电容＋10 Ω贴片电阻，电路无差异。

２．３　失效主板故障现象统计分析

根据售后失效故障现象，主要为瓷片电容炸裂、限流电阻烧坏、开关电源芯片炸裂或烧坏[2]，分析为开关电源芯片第1脚过流信号输入脚连接限流电阻和瓷片电容的电路有大电流进入，导致器件的损坏，且经检查器件焊接无异常。大电流产生的可能性如表3所示。

２．４　失效故障件分析

B 厂家高压瓷片电容主要故障为炸裂，本体上有炸裂纹，同时陶瓷芯片介质已经击穿，击穿位置位于陶瓷

中部位置，焊接没有问题。失效图片如图2所示。

瓷片电容本体炸开，可以看到明显的孔洞。产品的击穿位置都在电容器芯片内部，而

且击穿位置烧痕明显，材料出现明显碳化，这是由于电容器

耐压失效时有大电流通过出现的现象，如图3所示。

B 厂家绝缘耐压测试结果如表4

所示。

图２　高压瓷片电容炸裂

图３　陶瓷介质芯片击穿图

图１　引脚功能图

电子产品世界

表４　瓷片电容性能测试

瓷片电容耐电压绝缘电阻型号：

10 pF ±5%/1 000 V

引脚4 000 V 4 000 V 击穿500 V 1 280 MΩ

标准要求大

于1 000 MΩ

3 故障失效电路设计核查及模拟分析

３．１　开关芯片应用电路图

开关芯片电路原理如图4所示，高压瓷片电容

C123是和R57贴片电阻串联形成了“RC 阻容模块”，然后和电源芯片的MOSFET D -S 两极并联，用于改善MOSFET 在高速开关时的EMC 性能。

用示波器检测控制器通电时高压瓷片电容两端电压，该高压瓷片电容两端正常工作电压在405 V 左右，当压缩机升频到70 Hz 时，电压最高在502 V 左右，远低于1 000 V 工作电压，如图5所示。

经模拟验证，将B 厂家高压瓷片电容两端直接短路，并通电测试，出现开关电源芯片炸裂和限流电阻烧坏的

表３　可能失效原因分析

序号原因

分析思路

分析结果

高频变压器输入端有大电流经过

如果高频变压器输入端有大电流经过，则先烧坏开关电源芯片第7、8脚，有可能导致开关电源芯片短路，以及限流电阻烧坏，但

不应烧坏高压瓷片电容，因为开关电源芯片短路后，高压瓷片电容则无电流。

不符合售后故障现象

高压瓷片电容有大电流经过

由于此类开关电源电路中高压瓷片电容连接到整流桥之后的直流电路，而非交流电路，因此不存在大电流经过。正常情况下直流电路无大电流，只有高压3

高压瓷片电容有高压导致击穿

由于此开关电源电路中高压瓷片电容选型为10 pF /1 000 V ，即工作最高电压可达1 000 V ，实际用示波器测试该高压瓷片电容两

端平常电压在405 V 左右，当压缩机升频到70 Hz 时，电压最高在

502 V 左右，远低于1 000 V 工作电压，且直流电路不存在交流电路中的交互冲击，不应存在高压击穿。

正常情况下不存在高压击穿高

压瓷片电容导致短路的现象

高压瓷片电容内部绝缘程度降低、漏电

高压瓷片电容内部绝缘程度降低或漏电均有可能导致内部两电极

击穿而短路。

有可能出现

长期运转过程中高压瓷片电容出现高温导致内部绝缘程度下降经对长期运行的机器进行核实，该高压瓷片电容实际工作温度只有32℃左右，远低于85℃的工作温度，因此从侧面证实该高压瓷

片电容本身没有大电流经过。

图４　电路原理

设计应用

esign & Application

情况，分析开关芯片失效与高压瓷片电容质量有关，如图6

所示。

图６　模拟验证失效故障外观

为模拟高压瓷片电容漏电的情况，在高压瓷片电容两端分别并联151 kΩ、94 kΩ、47 kΩ、26 kΩ、2.5 kΩ五种电阻进行通电验证，发现47 kΩ电阻在压缩机频率达到70 Hz 后，运行2 min 出现电阻表面烧坏发黑的情况，2.5 kΩ电阻在压缩机达到70 Hz 频率后，就出现电阻烧坏的情况，如图7所示，同时限流电流也烧坏，与售后故障相似，但开关电源芯片已保护，并未出现损坏。即是在限流电阻承受大电流缓慢烧坏的过程中，开关电源芯片都能够及时保护，进一步证明售后故障现象应该

是瞬间高压冲击短路产生大电流导致。

图７　模拟验证失效故障外观图

对电路工作原理的分析以及结合模拟验证的情况，锁定原因为高压瓷片电容先短路后，使直流电路P

点电流经过，并导致限流电阻烧坏、开关电源芯片炸裂。

4 同规格A、B厂家电容性能对比分析

４．１　Ａ与Ｂ厂家瓷片电容对比分析

对2个厂家瓷片电容进行对比分析，除本体尺寸外，其他无明显差异，见表5。B 厂家的陶瓷芯片比A 厂家

薄0.5 mm ，但直径大0.9 mm 。在此种情况下容易因生产过程受力导致裂纹，引起耐压不足，B 厂家芯片厚度为0.3 mm ，A 厂家芯片厚度为0.8 mm ；其余极限耐压、焊接质量等无异常。

瓷片电容生产过程原理如图8

所示。

图８　瓷片电容生产过程

４．２　瓷片电容极限耐压测试

1）验证采用50 V 的独石电容，没能击穿复现故障，单独测试独石电容的极限耐压可以达到1.3 kV 左右（测试阻抗只有20 kΩ左右），远超该电路上的电压（极限500 V 左右）；

2）对B 和A 厂家的瓷片电容进行测试，其中B 厂

家出现4 pcs 击穿的情况，单独击穿电容测试绝缘电阻

图５　瓷片电容两端电压波形

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只有100 kΩ级。

5 瓷片电容失效的解决方案

B厂家电容器属于NPO温度特性的电容器，电容器的芯片尺寸为：芯片厚度0.3 mm，芯片直径5 mm；正常情况下电容器成品破坏电压为6 kV左右。但是该电容器芯片使用的是国产材料，受限于国产材料纯度不高、均匀性不好、工艺参数波动较大等因素，导致国产电容器芯片余量范围不稳定，可靠性存在一定隐患。该规格的国产NPO材质的芯片耐压范围在（3~6）kV，进口（A厂家）NPO材质芯片耐压范围在（5~6）kV，进口芯片的质量稳定性和一致性较好。国产芯片要想达到进口芯片相同的质量，就必须增大安全系数，加大芯片的尺寸，增加芯片厚度将减少芯片结构性缺陷，提升芯片的耐压等级和质量稳定性。增加尺寸后，电容器耐压范围可以提升到（5~8）kV，可有效提升电容器耐压性能和可靠性。

1）提升瓷片电容耐压国产瓷片电容极限耐压在（3~5）kV，提升达到（5~6）kV。

2）瓷片电容尺寸整改

分析发现B厂家的电容芯片相对较薄且面积大，在制程中较容易产生受损裂纹缺陷，导致耐压能力降低甚至击穿，增大瓷片电容尺寸。

3）整改后制品性能对比

新制品规格书确认电容芯片厚度已更改，电容极限耐压提升到（5~6）kV，且各项性能显著提升。分

析测试表明，新制品能达到额定电压2 kV，极限电压达到（10~12）kV，性能测试数据对比A厂家无差异。新制品性能测试数据如表6所示。

表６　新制品性能测试数据

厂家A厂家B厂家旧制品B厂家新制品芯片厚度/mm0.80.30.9

芯片直径/mm4.154

外观厚度/mm2.82.43

外观直径/mm5.15.25

极限电压/kV10～125～1010～12