基于动车组牵引功率模块动应力分析

岳耀雷

摘要：动态应力测试系统用于测试EMU在不同环境温度下牵引功率模块的动态电压。测试结果表明，环境温度对电力模块组件电压的动态变化有一定的影响。当环境温度达到-40℃时，动态应力的强度将增加到最大值，但该值不会超过材料的允许强度，牵引功率模块的组件满足-40℃的要求。目前，中国的高速铁路发展迅速，高速铁路线路通过全国。在中国东北部运行的高速铁路线冬天接近零下40℃，工作环境温度最低。在这种低温模式下，研究EMU Type V牵引功率模块(如水冷基板、IGBT装置和复合母线)主要部件特性的结构变化尤为重要，但目前没有这方面的相应研究报告。本文主要分析基于动车组牵引功率模块动应力分析。

关键词：城际动车；牵引系统；独立架控；主辅一体化

引言

随着区域经济的快速发展和新型城镇化建设步伐的加快，行程在1h左右的都市圈和区域经济圈应运而生。而城际动车组以其安全可靠、经济适用、节能环保以及便捷舒适等特点，成为城际、市域交通解决方案的最佳选择。城际动车组能够实现高速铁路与城市轨道交通的驳接，构建轨道交通综合立体网，促进城市群与区域经济的健康、持续发展。

1、测试设备及原理简介

本文采用动态应力测试系统测试各种环境温度下牵引功率模块主要部件的动态应力。测试设备主要包括LMS-SCR205高性能高精度多通道数据采集前端、BA120-3CA150三向应变计、BA120-3AA150单向应变计和LMS。测试实验室测试软件。结构SCADASSMOBILESCR 205的40通道高性能、高精度多通道数据收集前端可以满足用户在数据记录和管理、模态分析、机械故障诊断等方面的需求。数据收集前端是LMSTest。与Lab数据收集和分析软件紧密集成，可满足振动、动态应力和噪声工程的特定要求。灵活选择硬件模块可以获得最佳性能。实验中，三方电阻应变计和单向应变计用于数据收集。在该试验中，三方应变计用于水冷基板试验和复合总线试验，适用于平面应力下的应变测量。菌株花为0、45和90。三方应变计用于水冷基板和复合总线测试，单向应变计用于IGBT测试。

2、牵引功率模块电路结构

电源模块是交流驱动机车变换器技术的主要执行器组件。有将交流转换为直流的整流模块和将直流转换为交流的逆变模块。在此任务中，以CRH5 EMU牵引整流器的电源模块为例。牵引功率模块主要包括IGBT、水冷基板、高压端子盒、配置板、复合总线、驱动器板等。详细内容如下:1) IGBT电源装置:换向和反转电源转换的开关装置。2)水冷基板:装有水冷散热器的基板和IGBT电源装置。3)高压终端箱:外部电气连接终端。4)配置板:IGBT交换状态采样和过电压保护IGBT闸。5)复合总线:电力模块主电路之间的电气连接。6)驱动器板:接受TCU发送的触发脉冲，控制IGBT交换，并将IGBT交换状态发送到TCU。

3、动应力测试方案及试验工况

本文通过在25℃、-25℃和-40℃下测试牵引电力模块主要部件(水冷基板、IGBT装置、复合增压装置)的动态电压，研究电力模块主要部件在低温下的动态电压变化。水冷基板由6061-T6铝合金制成，IGBT基板由硅铝碳化制成，IGBT壳体由合成树脂制成，复合母排材料为合金铜。

3.1测试方案

为了有效地消除电磁干扰的影响，张量电阻器分别粘合在水冷基板、IGBT装置和复合总线杆上。一方面应变计被铝箔屏蔽，另一方面，在数据处理过程中，挖掘算法的相应程序被特别编译。

3.2实验方法简介

电力模块放置在高温测试室中，分别在+25℃、-25℃和-40℃进行测试。实验所需的设备显示在表1中。在模块的高低温功能测试条件下，动态应力测试的主要电路如下:调整高低温箱的温度，以满足测试条件，保持一段时间的温暖，为高低温箱的牵引模块提供3900V DC的输入功率，连接反应器(星)三相负载的模拟负载。牵引电源模块的输出端监控牵引电源模块正常功率期间水冷基板、IGBT装置和复合总线上测试部件的动态电压变化数据。

3.3绝缘耐压检查

与测试结果相比，绝缘测试失败时，骨折区域主要在包装载体上，主要故障模式包括:1)介质的联合。导致介质腔、腔形成的主要因素有环氧树脂的有机或无机污染、包装过程中操作不当等。空隙的产生很容易导致泄漏，这将导致装置的局部加热，这将降低遗传特性，增加泄漏。2)机械应力下的裂纹。在应用过程中，电压越大，芯片电压就会被打破，从而减少内战压力。这是由于IGBT过电压的关闭而引起的桥臂过热的短路和故障，导致较大的局部电压，IGBT装置中IGBT芯片和FRD芯片的故障和燃烧，底部中间出现裂纹，最后导致绝缘测试的故障。

3.4统计原则

基本上，分析了电力模块故障时间的分布规律，产品故障间隔的时间间隔(距离)是指产品两个相邻故障之间的工作时间(距离)。停电间隔是指模块从故障后试运行到更换的运行时间。现场错误一般分为与相关缺陷无关的缺陷。预计在现场使用时发生的误操作称为联合缺陷，如零件和零件的缺陷造成的缺陷和在使用寿命内磨损的零件的误操作。不相关的故障是指根据规定的条件，被证明为不使用而发生的故障，或被证明为不被接受的设计而发生的故障。从属失败、误用和人为因素、在非使用条件下使用等导致的失败都是不相关的失败。统计中被评价为不相关缺乏的人不被认为是错误。获得所有相关错误数据后，需要进一步的数据处理。原则如下:(1)如果同一个位置的同一个组件能够确定未重新记录的缺陷信息，则必须参与缺陷信息的统计，组件的工作时间是当前缺陷时间减去上次记录的缺陷时间。(2)如果同一组件在同一位置发生多次故障，与第一次故障相比，第二次以上故障里程太小，则暂时不参与组件的寿命统计。如果第二个或更多缺陷的里程不影响组件的资源分配特性，则必须计算。本文选取京沪线A5电力模块RVC CRH380BL EMU误操作的数据作为样本，所有数据均为相关错误数据。

3.5动应力数据对比分析

在功能测试中，分别收集了相当于290A电流的DC3900V总线电压和+25℃、-25℃和-40℃的测试温度分别为水冷基板的三向应变计、IGBT基板的截面应变计、IGBT壳体的单向应变计和复合总线的三相应变计的动态电压。在25℃下，从电力模块的测试点收集的波形如图4所示。需要比较和分析不同环境温度下每个测试点的所有最大动态电压，测试结果见表2。测试结果表明，当环境温度达到-40℃时，电力模块其他部件上相同测试点的最大电压会有一定程度的增加。这主要是因为电力模块由四种材料制成:铝合金(水冷基板)、碳化硅(IGBT基板)、合成树脂(IGBT壳体)和铜合金(复合轮胎杆)。以上四种材料的线性膨胀系数完全不同，材料的线性膨胀系数不同，在应用过程中牵引力模块会变形，从而集中一定的应力。但是，动态电压的最大值不超过材料的允许限制，动态电压的最大值不超过允许限制。IGBT壳体的最大动态应力是四种材料中最低的，这是因为IGBT壳体使用的合成树脂的线性膨胀系数最大。

3.6整流器与逆变器功率模块对比分析

通过比较所有故障数据，可以得出整流电源模块的故障率高于逆变电源模块的故障率，可以得出整流电源模块的可靠性高于逆变电源模块的可靠性的结论，平均使用寿命也基本呈现出相同的特性。原因可能是:四象限整流器的控制需要将功率因数保持在接近1的位置，环境因素引起的控制不当容易导致整流器过载，从而影响整流器电源模块的寿命。此外，肖像、突然的负载切断、主断路器操作和其他操作条件对整流电源模块有影响，但操作条件和控制切换对逆变器影响不大。此外，直流中间线路具有电压电流稳定和过滤功能，为逆变器部件的电源模块提供了更好的工作环境。因此，整流部分电源模块的故障时间大于逆变器部分的故障时间。根据以上比较分析，在维护过程中应强调对整流电源模块的监控，并对电源模块进行优化升级，以提高整流电源模块的可靠性。

结束语

动车组牵引功率模块在+25℃、-25℃和-40℃下进行功能测试。试验过程中，应力片贴在水冷基板、IGBT基板、IGBT壳体和复合材料母线上，数据由专用软件采集。测试结果表明，在-40℃时，功率模块四个部件的动应力都有一定程度的增加，但动应力的最大值没有超过材料的允许极限。

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