高頻變壓器受力破損的失效分析與研究

摘要：本文從高頻變壓器引腳受力破損的失效機(jī)理、器件本身、器件實(shí)際應(yīng)用可靠性等方面進(jìn)行全面分析改善，有效解決了此故障失效。

0   引言

高頻變壓器是變壓器的一種，是開(kāi)關(guān)電源最主要的組成部分。有開(kāi)關(guān)電源的設(shè)備均會(huì)用到，使用范圍較廣。開(kāi)關(guān)電源具有效率高、成本低及體積小的特點(diǎn)，憑借良好的性能，在電氣設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，磁性元件的性能是非常重要，而高頻變壓器恰恰是離線式變換開(kāi)關(guān)電源中重要的磁性元件。傳統(tǒng)的高頻變壓器和工頻變壓器的結(jié)構(gòu)是類似的。傳統(tǒng)變壓器有一個(gè)很大的弊端就是體積大，轉(zhuǎn)換效率不高，不適合在小型電子設(shè)備中使用。

在實(shí)際應(yīng)用中最主要故障就是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的失效。高頻變壓器本體受力導(dǎo)致引腳與骨架連接處破損，控制器開(kāi)關(guān)電源無(wú)電壓輸出，最終導(dǎo)致空調(diào)整機(jī)無(wú)法正常工作。通過(guò)對(duì)售后失效品的分析研究，研究高頻變壓器受力破損的失效原因，采取有效的整改措施，具有非常重要的意義。

1   事件背景

家用變頻空調(diào)分體外機(jī)控制器使用高頻變壓器在售后失效較突出，其中最典型問(wèn)題就是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的破損。由于受P板設(shè)計(jì)布局，以及整機(jī)機(jī)構(gòu)的影響，導(dǎo)致高頻變壓器布局靠近板邊，在售后出現(xiàn)本體受力破損故障，導(dǎo)致整個(gè)外機(jī)不通電。此故障廠內(nèi)測(cè)試可控，破損主要是由于整機(jī)各部件與高頻變壓器間隙小，本體受力擠壓，最終導(dǎo)致骨架破損，線圈開(kāi)路?？刂破魇酆笫?yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量，問(wèn)題急需進(jìn)行分析研究解決。

2   高頻變壓器引腳受力破損的失效原因及失效機(jī)理分析

統(tǒng)計(jì)售后高頻變壓器引腳受力破損故障，均出現(xiàn)在帶風(fēng)機(jī)模塊的分體外機(jī)電器盒機(jī)型，均為高頻變壓器本體受力，受力方式相同，高頻變壓器引腳與骨架連接處最脆弱，最容易出現(xiàn)破損。排查生產(chǎn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)受力隱患，本身不通電測(cè)試可控，不存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。高頻變壓器本體受力，最終排查為整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有干涉，高頻變壓器靠近板邊，封裝較高，裝入整機(jī)后導(dǎo)致與壓縮機(jī)隔音棉間隙過(guò)小，高頻變壓器本體受力擠壓。整機(jī)在惡劣物流運(yùn)輸，以及運(yùn)行振動(dòng)情況下，導(dǎo)致引腳與骨架連接處受力破損，線圈斷開(kāi)。查看故障品本體均有受力痕跡。

2.1 高頻變壓器引腳受力破損的失效產(chǎn)生原因

高頻變壓器本體受力歪斜，對(duì)故障件進(jìn)行多次測(cè)試測(cè)試呈死機(jī)狀態(tài)，查看主板發(fā)現(xiàn)高頻變壓器均為靠近板邊，與底部壓縮機(jī)隔音棉間隙小。失效集中在一級(jí)能效帶風(fēng)機(jī)模塊機(jī)型，查看其他電路設(shè)計(jì)高頻變壓器在靠近高壓電解電容內(nèi)側(cè)售后沒(méi)有出現(xiàn)失效。該位置變壓器在主板上封裝比較高，從受力情況看，高頻變壓器本體有受力痕跡，受力方向是由主板外側(cè)向內(nèi)，分析為整機(jī)各部件之間受力擠壓導(dǎo)致。

售后返回控制器故障原因?yàn)椤癊6”，對(duì)故障件外觀進(jìn)行查看無(wú)明顯受力破損現(xiàn)象。通電測(cè)試，電器盒不上電，與售后所報(bào)故障相同。通電測(cè)量發(fā)現(xiàn)高頻變壓器無(wú)電壓輸出，外觀檢查本體有輕微變形，測(cè)量1腳為開(kāi)路轉(zhuǎn)態(tài)。拆下后查看發(fā)現(xiàn)第1腳引線處斷。放大鏡下查看，發(fā)現(xiàn)斷口處呈尖裝，分析為受力拉斷導(dǎo)致，對(duì)故障控制器更換新的高頻變壓器后測(cè)試，各項(xiàng)運(yùn)行正常，分析此為失效根本原因。

對(duì)帶有風(fēng)機(jī)模塊的分體電器盒相對(duì)應(yīng)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行排查，檢查發(fā)現(xiàn)部分高頻變壓器與壓縮機(jī)排氣管隔音棉間隙較小，高頻變壓器與隔音棉之間最小的約只有5 mm，相隔的間隙較近，整機(jī)部件在振動(dòng)情況下導(dǎo)致隔音棉很容易擠到高頻變壓器本體，使高頻變壓器本體受力。

排查廠內(nèi)生產(chǎn)整機(jī)，進(jìn)行拆機(jī)檢查整機(jī)各部件與高壓變頻器的裝配間隙，如圖1與圖2所示，具體結(jié)果如下：

1）潤(rùn)享變頻1系列使用PCB板（A27）、（A41）整體間隙較充足。

①隔音棉包裹排氣管后間隙約10 mm；

②將排氣管露出后間隙約14 mm。

2）睡夢(mèng)享變頻1、冷靜王-Ⅱ變頻、變頻金剛-Ⅲ變頻2等系列使用PCB板（A27）整體間隙基本一致，間隙均較小。

①隔音棉包裹排氣管后最大間隙約6~7 mm；

②將排氣管露出后最大間隙約10~12 mm。

2.2 高頻變壓器引腳受力破損的失效機(jī)理分析

高頻變壓器的使用范圍相當(dāng)廣泛，基本上有電源的設(shè)備都會(huì)使用到。本文使用的高頻變壓器均為降壓作用，引腳受力線圈斷裂后，直接導(dǎo)致出現(xiàn)電性能故障。

失效原理為高頻變壓器外殼本體受力，導(dǎo)致骨架引腳處受力侵斜，使引線受力斷裂，出現(xiàn)不通電故障，使電路不能正常工作。

圖1 整機(jī)各部件裝配間隙1

圖2 整機(jī)各部件裝配間隙2

高頻變壓器內(nèi)部構(gòu)造平面圖如圖3所示，引腳鑲嵌在注塑件里面，此處連接較脆弱，受力最容易出現(xiàn)破損，來(lái)貨物料周轉(zhuǎn)運(yùn)輸不當(dāng)導(dǎo)致此處斷裂故障較多。高頻變壓器在整機(jī)各部件擠壓受力本體傾斜后，引腳受力導(dǎo)致骨架與引腳連接處線圈斷裂。

圖3 高頻變壓器構(gòu)造平面圖

3   電路設(shè)計(jì)核查與對(duì)比分析

失效高頻變壓器應(yīng)用于我司變頻空調(diào)分體外機(jī)控制器上，失效機(jī)型、位置、電路集中。使用在開(kāi)關(guān)電源中，在電路中主要作用是對(duì)直流電源進(jìn)行降壓。開(kāi)關(guān)電源電路輸出原理圖如圖4 所示， 主要是提供5 V、12 V、15 V電源。

圖4 開(kāi)關(guān)電源電路輸出原理圖

4   高頻變壓器引腳受力破損的解決方案

對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行改善，受P板布局，以及器件高度密集集中化限制，改善難度較大，等于是重新開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。重新改設(shè)計(jì)、開(kāi)模，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，且浪費(fèi)人力與物力。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用以及驗(yàn)證分析，受力因素?zé)o法改變，采用表1的方案均可以改善。綜合各方面因素，方案2是最有效的可靠性解決方案，已大面積推廣到其它相同類型控制器，使用效果良好，整改后機(jī)型售后再未見(jiàn)有此故障失效。

4.1 改善隔音棉

圖5所示將壓縮機(jī)隔音棉與高頻變壓器接觸的部分去除，增大了間隙0.6 cm以上，減少了整機(jī)各部件裝配后導(dǎo)致高頻變壓器受力擠壓的隱患。

圖5 去掉隔音棉一部分平面圖

4.2 開(kāi)發(fā)新的高頻變壓器矮封裝物料

開(kāi)發(fā)新的高頻變壓器矮封裝物料，對(duì)高度進(jìn)行降低，且各項(xiàng)性能不發(fā)生變化。目前已在不同機(jī)型的多個(gè)主板使用。圖6為更改前后尺寸對(duì)比，可見(jiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)更改后差別明顯，且比周邊大的器件高度低，可有效杜絕高頻變壓器受力故障的發(fā)生。

圖6 更改前后尺寸主視圖

5   結(jié)束語(yǔ)

本文從高頻變壓器的產(chǎn)品構(gòu)造，受力破損的失效機(jī)理等多方面進(jìn)行分析，將高頻變壓器受力破損故障徹底解決。分析研究結(jié)果：在不改變?cè)性O(shè)計(jì)的情況下，通過(guò)改變高頻變壓器的封裝高度尺寸大小，可以有效地杜絕售后惡劣運(yùn)輸周轉(zhuǎn)、整機(jī)振動(dòng)各部件之間擠壓造成的破損，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用取得顯著效果，整改后售后再無(wú)此故障失效。該方案在其它電子制造領(lǐng)域同樣值得借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 陳保國(guó).開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技,1999(6).

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）