基于動車組牽引功率模塊動應(yīng)力分析

中車永濟電機有限公司 高戰(zhàn)軍

使用動應(yīng)力測試系統(tǒng)對動車組牽引功率模塊進(jìn)行不同環(huán)境溫度下的動應(yīng)力測試，測試的結(jié)果表明，環(huán)境溫度對功率模塊部件的動應(yīng)力變化有一定影響，環(huán)境溫度達(dá)到-40℃時，動應(yīng)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(fā)展十分迅猛，高鐵線路遍布全國各地。在我國東北地區(qū)運營的高鐵線路，冬天最低的運行環(huán)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(guān)鍵部件（如水冷基板、IGBT器件、復(fù)合母排）結(jié)構(gòu)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(guān)研究報道。

本文擬采用動應(yīng)力測試的方法測試低溫下功率模塊關(guān)鍵部件動應(yīng)力的變化，借助動應(yīng)力測試系統(tǒng)分析溫度對功率模塊關(guān)鍵部件動應(yīng)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(shè)備及原理簡介

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

圖1 電阻應(yīng)變片圖

圖2 45°應(yīng)變花示意圖

2 動應(yīng)力測試方案及試驗工況

本文針對牽引功率模塊關(guān)鍵部件（水冷基板、IGBT器件、復(fù)合母排），在25℃、-25℃、-40℃環(huán)境溫度下進(jìn)行功率模塊功能試驗下的動應(yīng)力測試，研究低溫條件下功率模塊關(guān)鍵部件的動應(yīng)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(fù)合母排材料為合金銅。

圖3 應(yīng)變片粘貼位置

2.1 測試方案

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

表1 動應(yīng)力測試所需設(shè)備

表2 各測試點動應(yīng)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(nèi)，分別在+25℃、-25℃、-40℃溫度下進(jìn)行試驗測試，實驗中所需的設(shè)備如表1所示。

模塊高低溫功能試驗條件下進(jìn)行動應(yīng)力測試的主要方案如下：調(diào)節(jié)高低溫箱溫度達(dá)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(cè)接入模擬負(fù)載——三相電抗器負(fù)載（星形），在牽引功率模塊正常輸出過程中監(jiān)測水冷基板、IGBT器件、復(fù)合母排測試部位動應(yīng)力變化數(shù)據(jù)。

圖4 功率模塊測試點動應(yīng)力時域圖

3 動應(yīng)力數(shù)據(jù)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(yīng)變片、IGBT基板單向應(yīng)變片、IGBT外殼單向應(yīng)變片、復(fù)合母排三相應(yīng)變片的動應(yīng)力進(jìn)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(huán)境溫度下，取個各測試點所有動應(yīng)力最大值進(jìn)行對比分析，測試結(jié)果如表2所示：

從測試結(jié)果中可看出，環(huán)境溫度到達(dá)-40℃時，功率模塊不同部件上同一測點的應(yīng)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(fù)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(shù)有較大的差異（四種材料的線膨脹系數(shù)如表3所示），材料的不同線膨脹系數(shù)將使?fàn)恳β誓K在運用過程中產(chǎn)生變形，進(jìn)而將產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，但是動應(yīng)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(huán)境下使用不會造成各部件（含IGBT）不會發(fā)生疲勞破壞。IGBT外殼的動應(yīng)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(shù)最大。

表3 四種常用材料的線膨脹系數(shù)

表4 幾種常用材料的屈服極限

結(jié)語：動車組牽引功率模塊在+25℃、-25℃、-40℃溫度條件進(jìn)行功能試驗測試，在試驗過程中將應(yīng)力片粘貼在水冷基板、IGBT基板、IGBT外殼及復(fù)合母排上，通過特定軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗結(jié)果表明-40℃條件下，功率模塊四種部件的動應(yīng)力有一定程度增加，但動應(yīng)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。