基于動車組牽引功率模塊動應力分析

中車永濟電機有限公司 高戰軍

使用動應力測試系統對動車組牽引功率模塊進行不同環境溫度下的動應力測試，測試的結果表明，環境溫度對功率模塊部件的動應力變化有一定影響，環境溫度達到-40℃時，動應力強度增大到最大值，但該值均未超過材料的許用強度，牽引功率模塊部件滿足-40℃的使用要求。

目前，我國高速鐵路發展十分迅猛，高鐵線路遍布全國各地。在我國東北地區運營的高鐵線路，冬天最低的運行環境溫度逼近零下40℃，在如此低的溫度條件下，五型動車組牽引功率模塊關鍵部件（如水冷基板、IGBT器件、復合母排）結構性能變化的研究，就顯得尤為重要，但目前還沒有這方面相關研究報道。

本文擬采用動應力測試的方法測試低溫下功率模塊關鍵部件動應力的變化，借助動應力測試系統分析溫度對功率模塊關鍵部件動應力變化的影響，研究低溫條件下五型動車組牽引功率模塊的運行可靠性。

1 測試設備及原理簡介

本文采用動應力測試系統對牽引功率模塊關鍵部件進行不同環境溫度下的動應力測試，測試設備主要包括LMS-SCR205高性能高精度多通道數據采集前端、BA120-3CA150三向應變片、BA120-3AA150單向應變片、LMS.Test lab測試軟件。LMS INSTRUMENTS SCADAS MOBILE SCR205型40通道高性能高精度多通道數據采集前端，可滿足用戶在數據記錄與管理、模態分析、機械故障診斷等多方面的要求。數據采集前端與LMS Test.Lab數據采集及分析軟件緊密集成，可以滿足振動、動應力、噪聲工程的特定需要，通過靈活地選擇硬件模塊，以達到最佳的性能。實驗采用三向電阻應變片及單向應變片進行數據采集，如圖1所示。本次試驗水冷基板測試及復合母排測試使用三向應變片，它適用于平面應力狀態下的應變測量，應變花取0°、45°、90°的應變花，如圖2所示，水冷基板及復合母排測試采用三向應變片，IGBT測試采用單向應變片。

圖1 電阻應變片圖

圖2 45°應變花示意圖

2 動應力測試方案及試驗工況

本文針對牽引功率模塊關鍵部件（水冷基板、IGBT器件、復合母排），在25℃、-25℃、-40℃環境溫度下進行功率模塊功能試驗下的動應力測試，研究低溫條件下功率模塊關鍵部件的動應力變化情況，其中水冷基板材料為鋁合金6061-T6，IGBT基板材料為鋁碳化硅，IGBT外殼為合成樹脂，復合母排材料為合金銅。

圖3 應變片粘貼位置

2.1 測試方案

分別在水冷基板、IGBT器件、復合母排上使用專用粘貼劑粘貼應變片，為了有效去除電磁干擾的影響，一方面在應變片上外敷鋁箔屏蔽，另一方面在數據處理過程中特意編制了相關陷波算法程序。應變片的安裝位置如圖3所示，其中1-4號為水冷基板應變片粘貼位置，5-8號為IGBT應變片粘貼位置，9-10號為復合母排應變片粘貼位置。

表1 動應力測試所需設備

表2 各測試點動應力最大值/MPa

2.2 實驗方法簡介

功率模塊放置于高低溫試驗箱內，分別在+25℃、-25℃、-40℃溫度下進行試驗測試，實驗中所需的設備如表1所示。

模塊高低溫功能試驗條件下進行動應力測試的主要方案如下：調節高低溫箱溫度達到測試條件并保溫一定時間，給在高低溫箱中的牽引模塊提供3900VDC直流輸入電源，牽引功率模塊輸出側接入模擬負載——三相電抗器負載（星形），在牽引功率模塊正常輸出過程中監測水冷基板、IGBT器件、復合母排測試部位動應力變化數據。

圖4 功率模塊測試點動應力時域圖

3 動應力數據對比分析

功能試驗中母線電壓DC3900V，等效電流290A，試驗溫度分別為+25℃、-25℃、-40℃條件下，分別對水冷基板三向應變片、IGBT基板單向應變片、IGBT外殼單向應變片、復合母排三相應變片的動應力進行采集，25℃條件下功率模塊測試點采集波形如圖4所示。

在不同環境溫度下，取個各測試點所有動應力最大值進行對比分析，測試結果如表2所示：

從測試結果中可看出，環境溫度到達-40℃時，功率模塊不同部件上同一測點的應力最大值有一定程度上升，主要是因為功率模塊采用了鋁合金（水冷基板）、鋁碳化硅（IGBT基板）、合成樹脂（IGBT外殼）及銅合金（復合母排）四種不同的材料裝配組成，上述四種材料的線膨脹系數有較大的差異（四種材料的線膨脹系數如表3所示），材料的不同線膨脹系數將使牽引功率模塊在運用過程中產生變形，進而將產生一定的應力集中，但是動應力的最大值均沒有超過材料的許用極限（四中材料的許用極限如表4所示），在低溫環境下使用不會造成各部件（含IGBT）不會發生疲勞破壞。IGBT外殼的動應力最大值在四種材料中最小，這也是由于IGBT外殼所使用的材料合成樹脂的線膨脹系數最大。

表3 四種常用材料的線膨脹系數

表4 幾種常用材料的屈服極限

結語：動車組牽引功率模塊在+25℃、-25℃、-40℃溫度條件進行功能試驗測試，在試驗過程中將應力片粘貼在水冷基板、IGBT基板、IGBT外殼及復合母排上，通過特定軟件進行數據采集，試驗結果表明-40℃條件下，功率模塊四種部件的動應力有一定程度增加，但動應力的最大值均沒有超過材料的許用極限，滿足-40℃下的使用要求。