基于任务剖面的牵引变流器IGBT模块焊料层疲劳应力与剩余使用寿命的映射方法

牵引变流器中绝缘栅双极型晶体管(insulatedgate bipolar transistor,IGBT)模块的可靠性与列车的安全可靠运行息息相关。针对列车在运行过程中具有牵引、制动、惰行等多任务剖面,使得IGBT模块焊料层承受着变化的热应力而发生老化,进而影响IGBT模块的可靠性的问题,提出一种基于任务剖面的焊料层应力与剩余使用寿命映射的模型。首先,分析牵引变流器的功率损耗,依据牵引特性曲线并结合双机对拖模型建立IGBT和续流二极管的功率损耗数据空间,进而分析不同牵引特性区间的损耗–转矩–转速规律。然后,建立IGBT模块的有限元模型,以限速为80km/h任务剖面的平均损耗为输入条件,分析全新、25%、50%等3种不同老化程度焊料层的温度场和热应力场,讨论直接覆铜板(directbondedcopper,DBC)焊料层和芯片焊料层的热应力与温度、老化程度的关系。最后,引入优化后的疲劳寿命模型,通过求解不同老化程度下DBC焊料层所受热应力对应的弹性应变,拟合得到DBC焊料层热应力和剩余使用寿命的映射关系模型,得到的寿命趋势与分析相吻合。研究内容可为牵引变流器中IGBT模块焊料层的寿命评价提供一定指导意义。