IGBT功率模塊抗振性能試驗(yàn)的夾具振動(dòng)特性分析

尚效周，薛進(jìn)緯，莫非，祝德春

(1.南瑞集團(tuán)公司 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來(lái)，電力電子設(shè)備在我國(guó)電網(wǎng)裝備的應(yīng)用中發(fā)展迅速，其中IGBT功率模塊是電力電子設(shè)備的核心部件，是影響設(shè)備質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵部件。功率模塊在運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)受到不同程度的振動(dòng)與沖擊。為了檢驗(yàn)功率模塊在振動(dòng)沖擊環(huán)境下的可靠性，目前通常用軟件仿真分析的方法模擬真實(shí)環(huán)境工況進(jìn)行驗(yàn)證，確保模塊在真實(shí)環(huán)境下可靠、穩(wěn)定地工作。振動(dòng)夾具是連接模塊與試驗(yàn)臺(tái)的中間機(jī)構(gòu)，能有效把振動(dòng)臺(tái)的載荷傳遞給試件，通過(guò)測(cè)試IGBT模塊的振動(dòng)響應(yīng)，理論判定模塊的可靠性。夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否關(guān)系到試驗(yàn)的成敗，關(guān)系到IGBT功率模塊可靠性驗(yàn)證失真程度的大小[1]。

本文根據(jù)IGBT功率模塊在垂直方向上、位于安裝板上、下邊沿的安裝孔螺栓限位、壁掛偏心安裝的要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的夾具結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)對(duì)不同材料、不同結(jié)構(gòu)形式和不同成型方式的夾具固有振動(dòng)頻率的仿真計(jì)算，并對(duì)夾具的質(zhì)量、成本進(jìn)行了分析，形成了最終的夾具設(shè)計(jì)方案。該方案及其設(shè)計(jì)方法對(duì)類(lèi)似試驗(yàn)對(duì)象垂直方向、偏心安裝的振動(dòng)試驗(yàn)夾具剛度設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功率模塊的力學(xué)模擬試驗(yàn)環(huán)境和振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)以及振動(dòng)試驗(yàn)的控制方法密切相關(guān)，假設(shè)在理想狀態(tài)下振動(dòng)夾具的作用是能夠使功率模塊的力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確、真實(shí)、清晰地傳遞到模塊上，既不存在試驗(yàn)放大(過(guò)實(shí)驗(yàn))，也不存在試驗(yàn)考核不足(欠試驗(yàn))的情況[2]。

夾具設(shè)計(jì)的基本要求主要有以下幾點(diǎn)[3]：

1)初步設(shè)計(jì)完成后，對(duì)夾具進(jìn)行仿真分析，確定其應(yīng)具有盡可能高的固有頻率；2)夾具的質(zhì)量盡可能小；3)夾具的可制造性盡可能簡(jiǎn)單；4)夾具連接的IGBT功率模塊能符合產(chǎn)品實(shí)際的工作狀態(tài)。

夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面的因素，包括與臺(tái)面連接的多個(gè)狀態(tài)、安裝和吊裝可重復(fù)性等，最重要的是要考慮夾具和試件的質(zhì)心。該質(zhì)心應(yīng)該和振動(dòng)臺(tái)激振力的方向保持一致才能避免振動(dòng)臺(tái)受力不均或共振等問(wèn)題[4]。

1.1 振動(dòng)試驗(yàn)載荷

本次試驗(yàn)根據(jù)能源局標(biāo)準(zhǔn)和廠家技術(shù)要求對(duì)功率模塊進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析。將功率模塊固定在夾具上，夾具固定在試驗(yàn)平臺(tái)上。能源局標(biāo)準(zhǔn)《NBT 31041—2012 海上雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器》規(guī)定耐振動(dòng)性能應(yīng)符合GB/T3783—2008 中7.1.13.2的要求，試驗(yàn)條件為GB/T3783—2008表13中規(guī)定的“一般場(chǎng)所”，振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 GB/T3783-2008規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

廠家對(duì)機(jī)械振動(dòng)技術(shù)要求如表2所示。

表2 風(fēng)電變流器主機(jī)廠規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

結(jié)合能源局標(biāo)準(zhǔn)要求和廠家機(jī)械振動(dòng)技術(shù)要求，本次試驗(yàn)選用振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)為表3所示。

表3 本文選取的振動(dòng)參數(shù)

1.2 夾具的技術(shù)指標(biāo)

夾具作為振動(dòng)試驗(yàn)的過(guò)渡件，要求具有良好的動(dòng)態(tài)特性。夾具通過(guò)底部安裝板固定在試驗(yàn)臺(tái)上，將振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的規(guī)定頻率范圍的振動(dòng)位移或加速度傳遞給安裝在夾具上的IGBT功率模塊，通過(guò)測(cè)試IGBT功率模塊在振動(dòng)環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)IGBT功率模塊的抗振動(dòng)性能。夾具設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1)夾具在垂直壁板單側(cè)提供不少于長(zhǎng)360 mm×寬114 mm×高350 mm的IGBT功率模塊安裝空間，IGBT功率模塊最大質(zhì)量為40 kg；

2)IGBT功率模塊振動(dòng)試驗(yàn)頻率范圍為2～200 Hz。為避免因制造和分析誤差造成夾具固有頻率過(guò)低從而在試驗(yàn)時(shí)夾具本身發(fā)生共振，夾具的第1階固有頻率應(yīng)大于最大試驗(yàn)頻率的1.25倍，即250 Hz。

3)滿(mǎn)足剛度、頻率、位移約束的條件下，應(yīng)最大限度地降低夾具的質(zhì)量[5]，建議夾具總質(zhì)量不超過(guò)40 kg。

1.3 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)IGBT功率模塊的安裝形式要求，夾具需在垂直壁板一側(cè)提供一個(gè)U型的安裝空間用于安裝IGBT功率模塊。為保證夾具的振動(dòng)固有頻率和剛度，垂直壁板的另一側(cè)宜設(shè)置加強(qiáng)筋。本次試驗(yàn)擬選用型號(hào)為DC-4000-40的電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面的尺寸為750 mm×750 mm，螺紋安裝孔為M8的公制螺紋孔，安裝孔間距為100 mm且呈矩陣式排布。IGBT功率模塊通過(guò)螺栓固定在夾具上。底板與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)面通過(guò)螺栓連接。

夾具結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)主要考慮夾具的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、質(zhì)量和固有頻率等基本參數(shù)，質(zhì)量和剛度是影響固有頻率的重要因素。夾具本身質(zhì)量越大，振動(dòng)臺(tái)輸出振動(dòng)加速度就越小。為了保證振動(dòng)臺(tái)的功能，夾具的質(zhì)量在保證剛度的前提下，越小越好[6]。使用Creo1.0軟件建立了夾具的三維數(shù)字化模型，夾具的三維模型及主要特征尺寸如圖1所示。

圖1 夾具外觀模型及外形尺寸圖

2 夾具的振動(dòng)特性分析

在IGBT功率模塊振動(dòng)試驗(yàn)的夾具有限元模型建模時(shí)，IGBT功率模塊采用質(zhì)量為40 kg的點(diǎn)質(zhì)量等效，點(diǎn)質(zhì)量與位于夾具上的IGBT功率模塊安裝孔通過(guò)剛性單元連接。位于夾具底板上的振動(dòng)臺(tái)連接孔采用固定約束邊界。IGBT功率模塊在夾具上的安裝方式示意圖及夾具等效有限元模型圖如圖2所示。

圖2 模塊在夾具上安裝示意圖及等效模型圖

振動(dòng)試驗(yàn)夾具使用的材料應(yīng)是比剛度大、阻尼大的材料，使得夾具具有質(zhì)量輕、剛度高且在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)無(wú)明顯的諧振峰值的特點(diǎn)。對(duì)于大多數(shù)金屬而言，它們的比剛度接近，選用不同的金屬材料不會(huì)明顯改變振動(dòng)夾具的頻率特性[7]，但當(dāng)夾具所使用的材料密度相差較大時(shí)，可以明顯降低夾具的質(zhì)量。本文分別對(duì)比剛度大、阻尼大的Q235鋼和鋁合金6063的振動(dòng)試驗(yàn)夾具振動(dòng)特性進(jìn)行分析，上述材料的物理力學(xué)性能參數(shù)如表5所示。

表5 本文研究的振動(dòng)夾具擬使用材料的物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)有限元軟件計(jì)算的采用Q235鋼和鋁合金6063的振動(dòng)試驗(yàn)夾具前6階模態(tài)振型分別如圖3和圖4所示。

圖3 Q235鋼夾具1-6階模態(tài)振型

圖4 鋁合金夾具1-6階模態(tài)振型

分別采用Q235鋼和鋁合金6063的振動(dòng)試驗(yàn)夾具前6階模態(tài)頻率如表6所示。

表6 不同材料振動(dòng)試驗(yàn)夾具振動(dòng)模態(tài)頻率

從圖3-圖4可以看出，采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的夾具第1階振型均為夾具壁板法向1階彎曲，采用Q235鋼制成的夾具第2階振型為夾具垂直方向1階扭轉(zhuǎn)，而采用鋁合金6063制成的夾具第2階振型為夾具壁板水平方向1階彎曲。這兩種振型均會(huì)影響振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)臺(tái)傳遞至被測(cè)對(duì)象的載荷幅值與載荷作用的方向。當(dāng)振動(dòng)試驗(yàn)載荷頻率范圍低于夾具的上述振型對(duì)應(yīng)的固有頻率時(shí)，不存在載荷傳遞放大和方向改變的情況。從表6亦可以看出，采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的夾具第1階固有頻率均>250 Hz,均能滿(mǎn)足夾具的第1階固有頻率應(yīng)大于最大試驗(yàn)頻率的1.25倍的要求，故采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的上述夾具振動(dòng)頻率均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

3 振動(dòng)試驗(yàn)夾具的質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的所需推力F應(yīng)滿(mǎn)足：

F≥(m1+m2+m3)a

(1)

式中：a為振動(dòng)加速度；m1為動(dòng)圈的質(zhì)量(若有滑臺(tái)、擴(kuò)展臺(tái)面應(yīng)按照三者的總質(zhì)量考慮)；m2為振動(dòng)夾具的質(zhì)量；m3為模塊的質(zhì)量。為了保護(hù)試驗(yàn)臺(tái)，一般按照振動(dòng)臺(tái)最大推力的80%考慮[2]。式中:a=g;m1=120 kg;m3=40 kg。按照以上數(shù)值計(jì)算，振動(dòng)夾具m2的質(zhì)量應(yīng)<3 040 kg。

經(jīng)計(jì)算，Q235鋼材料的夾具質(zhì)量約為99 kg，鋁合金6063材料夾具的質(zhì)量約為35 kg，均小于要求的質(zhì)量3 040 kg。

本文通過(guò)對(duì)比整體機(jī)加工成型、鑄造、螺接、焊接等幾種成型方式[8]，充分考慮加工成本、周期、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素，基于整體機(jī)加工成型的工藝對(duì)夾具開(kāi)展質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。從上述夾具振動(dòng)模態(tài)振型可以看出，夾具壁板側(cè)面的加強(qiáng)肋主要起減小壁板沿著壁板法向彎曲振動(dòng)的作用，加強(qiáng)肋與壁板連接的根部區(qū)域變形量小，為非主承力區(qū)，在設(shè)計(jì)時(shí)該部分材料可以去除。為保證壁板的完整性，未對(duì)壁板進(jìn)行材料去除的質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的夾具結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。

圖5 質(zhì)量?jī)?yōu)化后夾具的特征尺寸圖

按照上文所述的邊界條件，對(duì)優(yōu)化后的夾具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，夾具的前6階振動(dòng)模態(tài)頻率和振型如表7所示。

表7 質(zhì)量?jī)?yōu)化后夾具的前6階固有頻率

從表7可以看出，質(zhì)量?jī)?yōu)化后的夾具第1-2階模態(tài)振型分別為夾具壁板法向1階彎曲、夾具壁板水平方向1階彎曲，均為影響載荷傳遞的主要振型，但對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率均>250 Hz，依然滿(mǎn)足本文研究的試驗(yàn)要求。

經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后的振動(dòng)試驗(yàn)夾具為鋁合金6063材質(zhì)，其質(zhì)量為32.66 kg，相比優(yōu)化前降低了6.8%，有效降低了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的負(fù)載，達(dá)到了減重的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元分析軟件對(duì)IGBT功率模塊抗振性能試驗(yàn)夾具進(jìn)行模態(tài)分析，分別計(jì)算了采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的夾具的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，分析了振型對(duì)從振動(dòng)臺(tái)傳遞至被測(cè)對(duì)象的載荷幅值與載荷作用方向的影響，進(jìn)而評(píng)估了相應(yīng)振型對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率是否處于振動(dòng)試驗(yàn)載荷頻率范圍，以此驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)的可行性，在此基礎(chǔ)上提出了減重優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析校核，獲得了質(zhì)量較輕的振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)方案。本文的研究思路對(duì)類(lèi)似較大高度尺寸夾具的垂直壁板單側(cè)偏心安裝的振動(dòng)試驗(yàn)件，寬頻率范圍抗振性能試驗(yàn)研究中的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。