IGBT功率模块抗振性能试验的夹具振动特性分析

尚效周，薛进纬，莫非，祝德春

(1.南瑞集团公司 国网电力科学研究院, 江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引言

近年来，电力电子设备在我国电网装备的应用中发展迅速，其中IGBT功率模块是电力电子设备的核心部件，是影响设备质量和寿命的关键部件。功率模块在运输过程中，会受到不同程度的振动与冲击。为了检验功率模块在振动冲击环境下的可靠性，目前通常用软件仿真分析的方法模拟真实环境工况进行验证，确保模块在真实环境下可靠、稳定地工作。振动夹具是连接模块与试验台的中间机构，能有效把振动台的载荷传递给试件，通过测试IGBT模块的振动响应，理论判定模块的可靠性。夹具的结构设计合理与否关系到试验的成败，关系到IGBT功率模块可靠性验证失真程度的大小[1]。

本文根据IGBT功率模块在垂直方向上、位于安装板上、下边沿的安装孔螺栓限位、壁挂偏心安装的要求，设计了相应的夹具结构方案，通过对不同材料、不同结构形式和不同成型方式的夹具固有振动频率的仿真计算，并对夹具的质量、成本进行了分析，形成了最终的夹具设计方案。该方案及其设计方法对类似试验对象垂直方向、偏心安装的振动试验夹具刚度设计具有一定的参考意义。

1 夹具的结构设计

功率模块的力学模拟试验环境和振动夹具的设计以及振动试验的控制方法密切相关，假设在理想状态下振动夹具的作用是能够使功率模块的力学参数准确、真实、清晰地传递到模块上，既不存在试验放大(过实验)，也不存在试验考核不足(欠试验)的情况[2]。

夹具设计的基本要求主要有以下几点[3]：

1)初步设计完成后，对夹具进行仿真分析，确定其应具有尽可能高的固有频率；2)夹具的质量尽可能小；3)夹具的可制造性尽可能简单；4)夹具连接的IGBT功率模块能符合产品实际的工作状态。

夹具的结构设计需要综合考虑多方面的因素，包括与台面连接的多个状态、安装和吊装可重复性等，最重要的是要考虑夹具和试件的质心。该质心应该和振动台激振力的方向保持一致才能避免振动台受力不均或共振等问题[4]。

1.1 振动试验载荷

本次试验根据能源局标准和厂家技术要求对功率模块进行模拟试验分析。将功率模块固定在夹具上，夹具固定在试验平台上。能源局标准《NBT 31041—2012 海上双馈风力发电机变流器》规定耐振动性能应符合GB/T3783—2008 中7.1.13.2的要求，试验条件为GB/T3783—2008表13中规定的“一般场所”，振动试验参数如表1所示。

表1 GB/T3783-2008规定的振动试验参数

厂家对机械振动技术要求如表2所示。

表2 风电变流器主机厂规定的振动试验参数

结合能源局标准要求和厂家机械振动技术要求，本次试验选用振动试验参数为表3所示。

表3 本文选取的振动参数

1.2 夹具的技术指标

夹具作为振动试验的过渡件，要求具有良好的动态特性。夹具通过底部安装板固定在试验台上，将振动台产生的规定频率范围的振动位移或加速度传递给安装在夹具上的IGBT功率模块，通过测试IGBT功率模块在振动环境下的振动响应来评价IGBT功率模块的抗振动性能。夹具设计的主要技术指标为：

1)夹具在垂直壁板单侧提供不少于长360 mm×宽114 mm×高350 mm的IGBT功率模块安装空间，IGBT功率模块最大质量为40 kg；

2)IGBT功率模块振动试验频率范围为2～200 Hz。为避免因制造和分析误差造成夹具固有频率过低从而在试验时夹具本身发生共振，夹具的第1阶固有频率应大于最大试验频率的1.25倍，即250 Hz。

3)满足刚度、频率、位移约束的条件下，应最大限度地降低夹具的质量[5]，建议夹具总质量不超过40 kg。

1.3 夹具的结构设计

根据IGBT功率模块的安装形式要求，夹具需在垂直壁板一侧提供一个U型的安装空间用于安装IGBT功率模块。为保证夹具的振动固有频率和刚度，垂直壁板的另一侧宜设置加强筋。本次试验拟选用型号为DC-4000-40的电动振动试验台，该试验台的主要技术参数如表4所示。

表4 电动振动试验系统参数

振动试验台台面的尺寸为750 mm×750 mm，螺纹安装孔为M8的公制螺纹孔，安装孔间距为100 mm且呈矩阵式排布。IGBT功率模块通过螺栓固定在夹具上。底板与振动试验台的台面通过螺栓连接。

夹具结构的初始设计主要考虑夹具的弯曲和扭转刚度、质量和固有频率等基本参数，质量和刚度是影响固有频率的重要因素。夹具本身质量越大，振动台输出振动加速度就越小。为了保证振动台的功能，夹具的质量在保证刚度的前提下，越小越好[6]。使用Creo1.0软件建立了夹具的三维数字化模型，夹具的三维模型及主要特征尺寸如图1所示。

图1 夹具外观模型及外形尺寸图

2 夹具的振动特性分析

在IGBT功率模块振动试验的夹具有限元模型建模时，IGBT功率模块采用质量为40 kg的点质量等效，点质量与位于夹具上的IGBT功率模块安装孔通过刚性单元连接。位于夹具底板上的振动台连接孔采用固定约束边界。IGBT功率模块在夹具上的安装方式示意图及夹具等效有限元模型图如图2所示。

图2 模块在夹具上安装示意图及等效模型图

振动试验夹具使用的材料应是比刚度大、阻尼大的材料，使得夹具具有质量轻、刚度高且在振动频率范围内无明显的谐振峰值的特点。对于大多数金属而言，它们的比刚度接近，选用不同的金属材料不会明显改变振动夹具的频率特性[7]，但当夹具所使用的材料密度相差较大时，可以明显降低夹具的质量。本文分别对比刚度大、阻尼大的Q235钢和铝合金6063的振动试验夹具振动特性进行分析，上述材料的物理力学性能参数如表5所示。

表5 本文研究的振动夹具拟使用材料的物理力学参数

通过有限元软件计算的采用Q235钢和铝合金6063的振动试验夹具前6阶模态振型分别如图3和图4所示。

图3 Q235钢夹具1-6阶模态振型

图4 铝合金夹具1-6阶模态振型

分别采用Q235钢和铝合金6063的振动试验夹具前6阶模态频率如表6所示。

表6 不同材料振动试验夹具振动模态频率

从图3-图4可以看出，采用Q235钢和铝合金6063材料制成的夹具第1阶振型均为夹具壁板法向1阶弯曲，采用Q235钢制成的夹具第2阶振型为夹具垂直方向1阶扭转，而采用铝合金6063制成的夹具第2阶振型为夹具壁板水平方向1阶弯曲。这两种振型均会影响振动试验中振动台传递至被测对象的载荷幅值与载荷作用的方向。当振动试验载荷频率范围低于夹具的上述振型对应的固有频率时，不存在载荷传递放大和方向改变的情况。从表6亦可以看出，采用Q235钢和铝合金6063材料制成的夹具第1阶固有频率均>250 Hz,均能满足夹具的第1阶固有频率应大于最大试验频率的1.25倍的要求，故采用Q235钢和铝合金6063材料制成的上述夹具振动频率均满足试验要求。

3 振动试验夹具的质量优化设计

振动试验台的所需推力F应满足：

F≥(m1+m2+m3)a

(1)

式中：a为振动加速度；m1为动圈的质量(若有滑台、扩展台面应按照三者的总质量考虑)；m2为振动夹具的质量；m3为模块的质量。为了保护试验台，一般按照振动台最大推力的80%考虑[2]。式中:a=g;m1=120 kg;m3=40 kg。按照以上数值计算，振动夹具m2的质量应<3 040 kg。

经计算，Q235钢材料的夹具质量约为99 kg，铝合金6063材料夹具的质量约为35 kg，均小于要求的质量3 040 kg。

本文通过对比整体机加工成型、铸造、螺接、焊接等几种成型方式[8]，充分考虑加工成本、周期、结构稳定性等因素，基于整体机加工成型的工艺对夹具开展质量优化设计。从上述夹具振动模态振型可以看出，夹具壁板侧面的加强肋主要起减小壁板沿着壁板法向弯曲振动的作用，加强肋与壁板连接的根部区域变形量小，为非主承力区，在设计时该部分材料可以去除。为保证壁板的完整性，未对壁板进行材料去除的质量优化设计。优化设计后的夹具结构尺寸如图5所示。

图5 质量优化后夹具的特征尺寸图

按照上文所述的边界条件，对优化后的夹具进行动力学特性分析，夹具的前6阶振动模态频率和振型如表7所示。

表7 质量优化后夹具的前6阶固有频率

从表7可以看出，质量优化后的夹具第1-2阶模态振型分别为夹具壁板法向1阶弯曲、夹具壁板水平方向1阶弯曲，均为影响载荷传递的主要振型，但对应的模态频率均>250 Hz，依然满足本文研究的试验要求。

经计算，优化后的振动试验夹具为铝合金6063材质，其质量为32.66 kg，相比优化前降低了6.8%，有效降低了振动试验台的负载，达到了减重的目标。

4 结语

本文利用有限元分析软件对IGBT功率模块抗振性能试验夹具进行模态分析，分别计算了采用Q235钢和铝合金6063材料制成的夹具的模态频率和模态振型，分析了振型对从振动台传递至被测对象的载荷幅值与载荷作用方向的影响，进而评估了相应振型对应的模态频率是否处于振动试验载荷频率范围，以此验证初始设计的可行性，在此基础上提出了减重优化设计方案并进行了动力学特性分析校核，获得了质量较轻的振动试验夹具设计方案。本文的研究思路对类似较大高度尺寸夹具的垂直壁板单侧偏心安装的振动试验件，宽频率范围抗振性能试验研究中的夹具结构设计具有一定的参考价值。