武文杰-逆变器系统IGBT模块连接可靠性仿真优化及AI技术应用探索.pdf

1、2025 ANSYS,Inc.逆变器系统IGBT模块连接可靠性仿真优化及AI技术应用探索武文杰 时晓蕾 关鹏/阳光电源股份有限公司_中央研究院研究背景-IGBT模块市场前景广阔SG125中国新型储能累计投运装机规模预测（2025-2030年）IGBT模块市场预测（2025-2029年）IGBT模块是光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心器件，对电能起到整流、逆变等作用；目前风电、光伏、储能产品装机量发展势头仍然强劲，同时带动IGBT需求快速增长。研究背景-IGBT模块可靠性评价试验 目前各模块厂家在IGBT单体可靠性评价体系方面已经非常完善。研究背景-IGBT模块Pin针存在脱落风险焊点开裂

2、FIB切面分析PCBA散热器 但匹配逆变器系统时，温度循环可靠性试验提前发现IGBT模块Pin针存在脱落风险；Pin针根部焊点脱落为主要失效形式，断层扫描电镜分析结果显示，其失效模式符合疲劳断裂特征；Pin针脱落会导致IGBT模块与外部电路连接失效，影响逆变器系统正常运行。Pin针Pin针结构示意IGBT模块+PCBA+散热器系统连接示意Ansys多物理场仿真在电力电子设备研发中的应用案例1：IGBT精细化电-热-固耦合仿真；分析功率模块在机械振动/温度循环/温度冲击/功率循环等工况下的热特性和机械特性。案例2：电抗器磁芯及灌封胶热-固耦合仿真；分析灌封胶温升膨胀力对磁芯结构强度影响，指导灌封

3、胶选型。案例3：换热器流-热-固耦合仿真；精确识别复现结构应力集中失效位置，快速筛选改善方案，提升产品温循疲劳寿命。案例4：母排电磁-流-热-固耦合仿真；考虑涡流与趋肤效应，精确计算母排温升与电磁力，校核母排绝缘件支撑强度。器件级-整机级-系统级的电磁场-流场-温度场-结构场多物理场耦合仿真；仿真体系建立：复现产品故障，预测产品性能，正向驱动设计。Ansys应用-逆变器系统板级总成热-固耦合仿真+0.2mm安装公差+板级快温变变形云图+0.2mm安装公差125高温-40低温 基于PCB板+IGBT模块+散热器总成热-固耦合精细化仿真模型，精准复现整机由于各层结构CTE不同导致的“呼吸效应”热变

4、形；Pin针对比组工况1号点/N2号点/N3号点/N4号点/N5号点/N6号点/N+0.2mm安装18.520.8311.3111.581.2815.911255.804.434.584.526.541.33-4026.972.6619.0719.692.1025.01+0.2mm安装12.520.646.947.832.8511.211254.473.622.973.655.081.57-4017.801.9911.7612.424.2517.56123456四角及靠近螺栓位置Ansys应用-逆变器系统板级总成热-固耦合仿真 Pin针焊层一直承受循环变化的拉力载荷，以1号点为例，拉力变化幅度

5、高达21.17N，是最大拉力26.97N的78%；Pin针厚度由0.45mm减小至0.35mm，仿真应力峰值改善约34%（26.97N17.80N），应力幅（23.68N15.99N）改善约33%，TC温循试验循环次数提升230%，Pin针结构刚性严重影响焊层疲劳寿命。技术难点-Pin针结构无法进行手动优化A式样B式样Pin针结构刚性对比角度1角度2角度3圆角1圆角2 Pin针“S弯”结构涉及3个角度+2个圆角自变量参数，这种复杂性使得手动设计优化变得不可行；Ansys应用-Pin针参数化驱动建模 将Pin针结构在Creo中进行参数化驱动建模，借助Creo-Workbench Interfac

6、e接口，实现Workbench完全调用Creo尺寸参数功能；Creo参数化建模（2D）搭建Creo-Workbench接口Ansys应用-基于遗传算法的响应面优化Workbench定义参数化输入参数寻优目标基于遗传算法的响应面优化仿真流程约束条件 定义S弯角度+折弯圆角作为输入参数，Pin针拉力作为寻优目标，Pin针折弯处高度作为约束条件；基于遗传算法，利用响应面优化方法对Pin针结构参数进行迭代优化，计算效率显著提升，寻优时间缩短至24h以内。Ansys应用-基于遗传算法的响应面优化参数A式样B式样优化式样角度1