电力机车服役IGBT模块焊料层空洞演化机理研究

牵引变流器作为电力机车关键部件,通过大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)实现直流能量与交流能量之间的转换,达到对交流牵引电动机启动、制动和调速的控制,其可靠性直接关系电力机车运行安全,而焊料层失效是IGBT模块主要失效模式之一,分析研究焊料层缺陷变化规律对IGBT模块可靠性至关重要.通过对电力机车服役前后的IGBT模块焊料层进行CT扫描,统计结果显示不同服役里程数的IGBT模块焊料层空洞数量服从泊松分布,并且泊松分布方差λ值与器件服役里程数具有映射关系;基于空洞统计分布规律建立了计及初始缺陷的电力机车用IGBT模块多物理场仿真模型,从焊料层上下表面的应变数学描述研究了随机空洞的演化诱因与规律;基于能量的疲劳寿命模型得到了空洞分布、尺寸与演化速率的关系,为指导器件优化设计和主动运维提供支撑.