變頻空調(diào)應(yīng)用中DIPIPM的健康管理

講座導(dǎo)語(yǔ)

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡(jiǎn)稱(chēng)，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車(chē)空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

變頻空調(diào)應(yīng)用中DIPIPM的健康管理

Q有沒(méi)有更貼近我們生活的例子？

A那就說(shuō)說(shuō)我們生活中常用的空調(diào)吧。

DIPIPM幾乎是伴隨著變頻空調(diào)的發(fā)明而誕生。變頻空調(diào)是很久很久以前，為了解決日本東西部的供電頻率差異，人們想出來(lái)的一個(gè)辦法。因?yàn)闁|日本的供電頻率是50赫茲，而在包括名古屋、京都和大阪在內(nèi)西日本的供電頻率是60赫茲。那么在非變頻機(jī)型里，就會(huì)涉及到兩套完全不同部件清單。對(duì)于部件采購(gòu)和銷(xiāo)售都會(huì)有很大的麻煩。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工程師們想到了變頻，以交直交的形式來(lái)統(tǒng)一電路設(shè)計(jì)。而我們目前經(jīng)常提到的節(jié)能，靜音等效果并不是最初的目的。

在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，變頻空調(diào)里只有壓縮機(jī)采用了變頻技術(shù)。而目前最新的高能效空調(diào)都至少擁有3個(gè)變頻“電機(jī)”，包括1個(gè)變頻壓縮機(jī)，1個(gè)室外風(fēng)機(jī)和1個(gè)室內(nèi)風(fēng)機(jī)。如圖15所示。

圖15 變頻空調(diào)的結(jié)構(gòu)

接下來(lái)我們就以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的主DIPIPM為例，看看怎么在實(shí)際應(yīng)用中評(píng)價(jià)器件的運(yùn)行壽命。

首先我們需要了解變頻空調(diào)在不同工況下的運(yùn)行狀況。根據(jù)空調(diào)的不同運(yùn)行條件，選擇若干組比較典型的運(yùn)行工況，像表6這樣。

表6 空調(diào)惡劣工況舉例

接下來(lái)，我們就要像3.2節(jié)中介紹的那樣對(duì)每一種工況進(jìn)行功耗仿真，以確定每種工況下實(shí)際產(chǎn)生的溫升ΔTj。

假設(shè)測(cè)試條件如下：

SLIMDIP-L, Vcc=300V, fc=5kHz, Ic=7.5Arms, fo=60Hz, PF=0.8, M=1.0, Ts=90℃

圖16 空調(diào)仿真數(shù)據(jù)

所以在這次運(yùn)行中，Tc從Ta=50℃開(kāi)始上升，直到90℃；而Tj從Ta=50℃開(kāi)始上升，直到119.7℃。

ΔTj = 119.7℃ - 50℃ ≈ 69.7℃

結(jié)合圖5，完成30000個(gè)周期后，DIPIPM故障率約為1%，記為L(zhǎng)n。

Q那怎么把周期數(shù)換算成年呢？

A這是最復(fù)雜的一部分

我們可以利用表7和表8進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

表7 氣溫→運(yùn)行次數(shù)示例

表8 運(yùn)行次數(shù)→壽命示例

顯然，表7牽扯出兩個(gè)很難填平的大坑，各地的氣象條件以及不同用戶的使用習(xí)慣。顯然北京會(huì)開(kāi)更多制熱和除霜，而廣州會(huì)開(kāi)更多制冷以及除濕。而別墅和普通住宅，大平層和老破小也會(huì)造成很大的差異。如果說(shuō)各地的氣象數(shù)據(jù)還可以根據(jù)各地氣象臺(tái)的數(shù)據(jù)做個(gè)統(tǒng)計(jì)。那么用戶習(xí)慣則更依賴專(zhuān)業(yè)工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷。

Q有了公式也算是有一種辦法了，為什么你還這么糾結(jié)？

A因?yàn)榘凑者@套思路做出來(lái)的結(jié)果，可以說(shuō)有用，也可以說(shuō)沒(méi)什么用。

雖然之前的分析看起來(lái)都很有道理，但是我們并沒(méi)有足夠多壞品來(lái)證明這套理論的正確性。截止發(fā)稿時(shí)，三菱電機(jī)DIPIPM的發(fā)貨量已經(jīng)超過(guò)10億片了。但是明確定性為功率循環(huán)壽命問(wèn)題的損壞，實(shí)際上只有個(gè)位數(shù)。而在三菱電機(jī)收到各種“高齡”DIPIPM壞品中，更多的也只是各種過(guò)壓，過(guò)流和過(guò)熱。

其實(shí)，仔細(xì)想想也可以理解這里面的道理。

首先，如果一臺(tái)空調(diào)能運(yùn)行10年以上出現(xiàn)了損壞，大多數(shù)用戶的選擇會(huì)是買(mǎi)一臺(tái)新的。如果運(yùn)氣比較好，驅(qū)動(dòng)器能回到空調(diào)原廠?？照{(diào)廠是否會(huì)將DIPIPM返回三菱電機(jī)也是一個(gè)概率問(wèn)題。這就導(dǎo)致返回到三菱電機(jī)的“高齡”DIPIPM數(shù)量及其稀少。

其次，空調(diào)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，里面有機(jī)械部件，有電氣部件。每一個(gè)器件都會(huì)有自己對(duì)應(yīng)的壽命極限。而空調(diào)的壽命取決于其中最短的那個(gè)器件。另一方面高齡的空調(diào)更像一個(gè)高齡的老人，各種特性的劣化導(dǎo)致最終一個(gè)普通工況就成了壓死駱駝的最后一根稻草。熱疲勞損壞的前提是器件能扛過(guò)各種過(guò)壓過(guò)流過(guò)熱，但是很多時(shí)候它抗不過(guò)。

Q感謝大師的講解，能對(duì)DIPIPM壽命管理的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)嗎？

A隨緣，隨緣就好。有緣人立地成佛，無(wú)緣魂炸雞啤酒。命中自有定數(shù)。

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車(chē)、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅