2025大赛优秀作品 | 基于多物理场仿真技术的高速动车用功率器件主端子连接结构设计与评价

作品名称：基于多物理场仿真技术的高速动车用功率器件主端子连接结构设计与评价

作者： 曾祥浩 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 仿真高级工程师

关键词：高速动车 ，IGBT，多物理场仿真，Ansys

 

IGBT器件多物理场仿真：（a）器件三维模型；（b）器件多物理场仿真；（c）主端子焊层温度；（d）故障位置焊层非弹性应变变化情况    

为了提高高速动车服役环境下功率器件主端子连接结构的服役可靠性，本文通过有限元分析对IGBT器件主端子结构焊层的疲劳可靠性进行研究，并且运用不同的理论预测焊层疲劳寿命并通过功率循环试验进行了验证。结果表明，随着主端子焊层孔洞率的增加，循环周次会降低，但影响并不明显。随着主端子焊层厚度逐渐增加，循环周次呈现出先增加后减少的变化规律。在功率循环过程中，主端子结构焊层的退化表现为灰色含Sn相的粗化，采用基于能量的Darveaux模型进行分析更加符合功率器件主端子结构焊层的退化过程。故在主端子结构中，影响其服役寿命的主要因素为焊层厚度。

挑战/需求

IGBT广泛应用于轨道交通等高可靠性领域，其封装热应力引发的失效多发生在连接部位。本文针对高速动车IGBT真实工况，基于Ansys工具，采用多物理场仿真研究主端子连接结构可靠性，重点分析连接层孔洞与厚度的影响，并通过功率循环试验验证结果。

使用工具：Ansys Workbench, Ansys Mechanical

最终成果

 

器件主端子评价：（a）子模型技术；（b）非弹性应变能变化情况；（c）焊层厚度对寿命影响；（d）试验验证    

基于Ansys 软件，采用子模型与生死单元技术，对IGBT器件在功率循环工况下进行多物理场仿真，并通过相关理论评价关键结构可靠性。结果表明，基于能量的Darveaux模型进行分析更加符合功率器件主端子结构焊层的退化过程。

主端子结构焊层可靠性主要受焊层厚度影响而孔洞率影响不大，故在器件结构设计与制造中优先控制好焊层厚度，同时可以允许一定的孔洞率，本仿真工作有效指导了器件的设计与制造。