随着城市轨道交通的迅速发展,地铁列车已经逐渐成为人们出行的重要交通工具。牵引变流器是地铁列车牵引系统的核心装置,IGBT功率器件又是牵引变流器的核心部件,因此IGBT的可靠性与列车的安全性息息相关。本文以轨道交通线路所使用的IGBT模块为研究对象,焊料层老化不同程度下,通过ANSYS有限元方法,对IGBT模块老化过程进行了研究。首先,在IGBT老化应力诱因分析和再现方面,本文基于Matlab/Simulink进行双机对拖电热等效仿真,再现了牵引变流器在实际地铁应用场景下的负荷曲线,在特定的负荷曲线下研究了不同转速、转矩下结温及发热功率的变化规律。建立起不同工况下IGBT模块损耗的数据空间,为多物理场耦合仿真提供参考数据。其次,针对IGBT模块焊料层老化过程中,模块温度、应力分布及变化趋势,进行了详细的建模与有限元多物理场耦合仿真。由于IGBT键合线通常在焊料层老化将近一半时才开始老化,且焊料层失效参数在线测量十分困难。本文选取老化0%、25%、37.5%、50%四个不同节点,以限速80km/h工况下的IGBT损耗为输入条件,着重分析了焊料层热应力的变化情况。结果表明,热应力受温度幅值和温度梯度的共同影响,而且随着老化加剧,焊料层热应力逐渐增大且增长率加快。另外,考虑到地铁列车行进过程中不可避免地发生振动,且振动是电子设备失效的重要影响因素,因此对IGBT模块进行了模态分析与随机振动分析。观察振动应力分布情况可知,列车运行中常规的振动对键合线的影响较大,但是相比于温度产生的老化影响,振动对于键合线和焊料层的老化并没有明显的加速作用。最后,从材料失效原理的角度分析了焊料层疲劳失效产生的应变,并结合Conffin-Manson模型和Basquin公式,针对不同老化程度的IGBT模块进行了寿命预测。当应力持续大于185MPa时,IGBT模块已基本完全失效。图109幅,表26个,参考文献73篇。