2025大赛优秀作品 | 基于多物理场仿真技术的高速动车用功率器件主端子连接结构设计与评价
2025年12月31日 13:29
“Ansys 2025 全球仿真大会”仿真应用大赛优秀作品展示
本届仿真应用大赛最终评选出 30 篇 TOP 优秀作品，分别荣获一、二、三等奖及行业最佳实践奖。近 200 位来自汽车、半导体、高科技、能源等行业的仿真精英参赛，他们以前沿思维与创新实践，充分展现了仿真技术的无限潜能。我们将陆续为大家分享获奖佳作，带您一同领略仿真赋能创新的非凡力量，希望用户能从中汲取灵感、启迪思路。
作品名称：基于多物理场仿真技术的高速动车用功率器件主端子连接结构设计与评价
作者： 曾祥浩 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 仿真高级工程师
关键词：高速动车 ，IGBT，多物理场仿真，Ansys
作者说
Ansys人机交互友好，界面简洁，使用逻辑符合仿真一般流程。同时，Ansys包含多个功能模块，能够支持机电热磁多物理场仿真，功能强大，是仿真融入正向研发，指导故障分析的重要帮手。
为了提高高速动车服役环境下功率器件主端子连接结构的服役可靠性，本文通过有限元分析对IGBT器件主端子结构焊层的疲劳可靠性进行研究，并且运用不同的理论预测焊层疲劳寿命并通过功率循环试验进行了验证。结果表明，随着主端子焊层孔洞率的增加，循环周次会降低，但影响并不明显。随着主端子焊层厚度逐渐增加，循环周次呈现出先增加后减少的变化规律。在功率循环过程中，主端子结构焊层的退化表现为灰色含Sn相的粗化，采用基于能量的Darveaux模型进行分析更加符合功率器件主端子结构焊层的退化过程。故在主端子结构中，影响其服役寿命的主要因素为焊层厚度。
挑战/需求
IGBT广泛应用于轨道交通等高可靠性领域，其封装热应力引发的失效多发生在连接部位。本文针对高速动车IGBT真实工况，基于Ansys工具，采用多物理场仿真研究主端子连接结构可靠性，重点分析连接层孔洞与厚度的影响，并通过功率循环试验验证结果。
使用工具：Ansys Workbench, Ansys Mechanical
最终成果
基于Ansys 软件，采用子模型与生死单元技术，对IGBT器件在功率循环工况下进行多物理场仿真，并通过相关理论评价关键结构可靠性。结果表明，基于能量的Darveaux模型进行分析更加符合功率器件主端子结构焊层的退化过程。
主端子结构焊层可靠性主要受焊层厚度影响而孔洞率影响不大，故在器件结构设计与制造中优先控制好焊层厚度，同时可以允许一定的孔洞率，本仿真工作有效指导了器件的设计与制造。
参赛作品一览
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