陳昌中 朱佳麟 王成根

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

陶瓷 PTC 電加熱器（下面簡稱電加熱器）是一種由陶瓷 PTC 發(fā)熱元件與鋁散熱件組成的具備低熱阻、高換熱效率的恒溫電加熱器[1]。PTC發(fā)熱元件是具有正溫度系數(shù)的陶瓷熱敏電阻，它是以鈦酸鋇為主要成分的氧化物陶瓷元件，可根據(jù)不同的應用場合制成各種形狀，在空調(diào)器中應用的多半是片裝的正方體[2]。電加熱器的特點是無明火，安全系數(shù)高，功率可自動調(diào)節(jié)。當溫度高時，內(nèi)阻增大，功率降低；溫度低時，內(nèi)阻變小，功率增大（在一定范圍內(nèi)）。當超過一定溫度時，內(nèi)阻變成無窮大，相當于自動切斷電源。因此，它具有自動保護功能，比其他電加熱器更加安全。電加熱器具有耐電壓、耗電小、自動恒溫、無安全隱患、可靠性高、節(jié)能顯著等特點。隨著人們對節(jié)能要求的提高，陶瓷PTC電加熱器現(xiàn)廣泛應用于分體空調(diào)器室內(nèi)機中。

1 電加熱器通電擊穿的原因

1.1 擊穿現(xiàn)象介紹及產(chǎn)生原因研究

陶瓷PTC電加熱器主體部分主要是由鋁散熱條、鋁管、PTC元件、白瓷片、硅膠、絕緣膜、電極條等組成，如圖1所示。根據(jù)對我司21年全年售后數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)電加熱器頭部、中部、尾部均存在通電擊穿現(xiàn)象，其中尾部擊穿占比達70.83 %。

圖1 陶瓷PTC爆炸圖

根據(jù)對電加熱器通電擊穿的集中復核分析，確定電加熱器售后擊穿的原因主要是PTC片邊緣存在金屬導電異物、掛鋁現(xiàn)象導致?lián)舸TC片本身耐電壓強度不夠導致?lián)舸?、多次極間測試后PTC片受損傷導致?lián)舸┮约半娂訜崦芊獠涣妓秩雽е聯(lián)舸┧念?，具體如下：

1）PTC片邊緣存在金屬導電異物導致?lián)舸?，如圖2所示。

圖2 異物擊穿

異物擊穿占比售后擊穿約10 %比例，主要較為集中在早期失效，分為兩類：第一類為廠家生產(chǎn)過程中有金屬異物混入管體內(nèi)部；對電加熱器生產(chǎn)流程進行排查分析異物來源有鋁管中的鋁屑，電極片上所帶的雜質(zhì)，現(xiàn)場產(chǎn)生的灰塵，發(fā)熱片周轉過程中摩擦、撞擊產(chǎn)生的碎屑等。異物進入PTC功率片材之間、兩電極片之間、頭部插片之間將減小兩電極的電氣間隙，導致陶瓷PTC短路擊穿，致使炸管。

第二類為片材掛鋁；主要原因為噴鋁模板邊緣有毛刺造成裝片后上下模板之間存在較大間隙（不貼合），噴鋁時鋁容易噴到片子側面，以及噴鋁模板長期使用后螺釘孔磨損，與螺釘之間間隙偏大，螺釘鎖緊不牢靠，上下模板之間相對偏移產(chǎn)生間隙，噴鋁時容易噴到片子側面，此兩點均會造成在噴鋁電極過程中片子側邊產(chǎn)生掛鋁。PTC片掛鋁直接導致兩電極爬電距離不夠，在通電后產(chǎn)生短路擊穿現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 PTC片掛鋁現(xiàn)象

2）PTC片本身耐電壓強度不足導致?lián)舸?/p>

售后因片材本身耐電壓強度不足導致?lián)舸┘s占比5 %，主要原因有兩種，一種為PTC片生產(chǎn)煉制過程中未徹底清除原礦石中殘留的一定比例金屬和非金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)降低的PTC片極限耐壓強度，而PTC片在高電壓情況下，表面溫度會非常高，如圖4所示。

圖4 電壓與溫度的對應情況

PTC片在最高溫度點內(nèi)呈現(xiàn)的是正溫度系數(shù)關系，即溫度上升，電阻增大。超過該片的最高溫度點時，呈現(xiàn)的是負溫度系數(shù)關系（NTC），即溫度上升，電阻下降，此時，PTC片就很容易擊穿。

圖5中劃線1是指在201 ℃時，呈現(xiàn)最小電阻值；劃線2是指居里溫度；劃線3是指在322.2 ℃時，該PTC片達到最高溫度值為1.008 M。超過此溫度后，PTC片電阻值呈下降趨勢，單片功率將會增大。這種雜質(zhì)造成的缺陷一般會在一次上電時便跳火擊穿，但存在較小的缺陷，在早期正常使用條件下不會造成短路，但經(jīng)多次使用或高壓沖擊后，缺陷點頻繁跳火碳化，最終將短路擊穿。

圖5 單個PTC片在不同溫度下的電阻值

另一種原因是目前 PTC片 材料主要分為鈦酸鹽系[3]、金屬氧化物系[4]、高分子系[5]，其中最常用的是鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷，而鈦酸鋇陶瓷為多孔結構，在生產(chǎn)過程中需要加入一定量的粘結劑（PVA），燒結時PVA揮發(fā)，留下大量的微小空隙。目前工藝無法避免產(chǎn)生該類型的空隙，如圖6所示。在惡劣環(huán)境下，有機還原性氣體會隨著這些空隙進入PTC片內(nèi)部，使PTC片本身耐電壓性能下降，導致?lián)舸以擃悡舸┩l(fā)生在PTC片邊緣部位。

圖6 PTC片微觀放大

3）多次極間測試后PTC片受損傷導致?lián)舸?/p>

在PTC元件的兩端加上高電壓，隨著電壓值的增加，電流值也增加，PTC片內(nèi)部應力也增大。大電流沖擊對陶瓷片的破壞是十分嚴重的，會導致PTC片開裂，極端情況下會導致邊緣打火拉弧。同時在PTC元件的兩端加上高電壓，PTC功率提高，內(nèi)部溫度會比之前正常電壓提高30 ℃左右。PTC片附近空氣中電子的活潑性增強，導電性也增強。其次溫度升高更容易讓硅膠和絕緣膜內(nèi)氣體揮發(fā)出來，擴散到PTC片上，奪取PTC片晶界上吸附的氧離氣，導致晶界的電阻變小，發(fā)生還原反應。PTC片電阻變小耐電壓性能下降。PTC片的邊緣部分是接觸異常氣氛的前沿，是元件擊穿的弱點。

①不同電壓PTC元件表面溫度試驗

從表1中數(shù)據(jù)分析，加載電壓越高，PTC表面的溫度也越高，引起熱擊穿的可能性也越高。反復進行高電壓試驗的產(chǎn)品，引起熱擊穿的可能性就會比較大。

表1 電壓、溫度對應表

②通過3次極間耐壓對PTC片損傷的單片及組件的驗證結論見表2。

表2 不同檔位電壓擊穿率

同批次生產(chǎn)的PTC組件測試3遍500 V極間耐壓結果見表3，將管子解剖后片子小心取出，對片子進行（650 ～850）V極限測試，統(tǒng)計不良率。（部分片子在破鋁管拆解過程中，被破壞，未再作檢測（650～850）V極限測試）。

表3 測試3遍500 V后不同檔位電壓擊穿率

結果表明PTC片經(jīng)過3次500 V耐壓之后的部分耐壓值明顯要比初始值低。

4）電加熱密封不良水汽或油污侵入導致短路擊穿。

售后因水汽或油污入侵擊穿約占比85 %。我司電加熱選型為頭部普通密封、尾部全密封狀態(tài)（標準無全密封要求），空調(diào)整機在夏天制冷時潮態(tài)冷凝水由電加熱器的頭部膠口以及鋁管縫隙滲入內(nèi)部，這些冷凝水在短期內(nèi)不會影響PTC安全；到了冬天制熱PTC一旦通電會管體內(nèi)的水份會向兩頭移動，在頭部可以滲出，但在尾部因密封處理而無法排出，長時間集中在尾部則會影響到PTC電極的爬電距離導致炸管。售后退回電加熱解剖可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有大量水垢，部分樣品還有明顯水滴殘余，如圖7所示。部分炸管直接發(fā)送在假片兩端，因水汽等導電液體進入造成PTC兩電極片（即零火線）之間短路擊穿。

圖7 鋁管內(nèi)部水垢

2 電加熱器擊穿問題防治方法

根據(jù)對售后數(shù)據(jù)的分析可以了解到，目前大部分售后投訴集中在電加熱密封不良水汽或油污侵入導致短路擊穿這一原因，對此可制定如下措施：

1）在給污染較重的環(huán)境安裝空調(diào)時，要盡量避開污染源的地段；另外，定期對排污設備以及空調(diào)進行清潔，保證使用空間內(nèi)的清爽，盡量減少空氣中污染排放物。

2）對空調(diào)增加防水防油煙方面的改進設計（可設計專用于污染較重環(huán)境下使用的空調(diào)），減少外部因素干涉導致的質(zhì)量問題。

對于PTC片和電加熱器生產(chǎn)過程及測試過程導致的不良，可進行如下防治：

①對PTC片使用的原材料進行管控，選擇優(yōu)質(zhì)原材料（純度高，顆粒合適），減少PTC片內(nèi)部雜質(zhì)點；

②改進PTC片燒結工藝，制定最佳的燒結溫度和溫度曲線，確保爐子升溫，保溫，減溫速率，確保PTC片晶粒正常生長，提高PTC片耐電壓強度；

③使用磨光機對噴鋁模板邊緣進行打磨（每天檢查進行1次打磨），避免噴鋁模板因邊緣有毛刺造成的間隙；

④改進噴鋁模板：面板和底板設計成不同形狀，防止上下模板混用。同時，在噴鋁模板上安裝一個高強度定位銷，進一步鎖緊上下模板保證上下模板之間不產(chǎn)生間隙，避免產(chǎn)生掛鋁現(xiàn)象。

3 結論

電加熱器通電擊穿問題，目前重點受限于無法杜絕外界因素影響，對此需在電加熱結構上進行改進和驗證；我司前期對 PTC 加熱器防水等方面做了改進和驗證（將PTC 管體兩端封死，防止水進入發(fā)熱芯內(nèi)部），驗證時發(fā)現(xiàn)將 PTC 管體兩端封死后（PTC 發(fā)熱芯處在一個完全密封的環(huán)境下工作），其極間耐壓不良率明顯上升，對產(chǎn)品質(zhì)量造成了一定的影響，此方案效果不佳。目前還需研究出 PTC防水優(yōu)化方案，以減少此類現(xiàn)象問題產(chǎn)生。