前言

随着社会的发展和科技的进步，轨道交通发展迅猛，极大地满足了人们的出行需求，但轨道交通相关技术也面临了更多的挑战。牵引变流器作为高铁牵引系统和地铁牵引系统的核心部分，其特性和可靠运行受到越来越多的关注。

本书对多年牵引变流器的研究成果进行了总结归纳，针对牵引变流器的电热特性，主要从多物理域耦合的角度对大功率牵引变流器的IGBT建模、电热耦合、直流母排杂散电感及损耗求解和散热的内容进行了阐述。本书主要包括了以下五个部分。

第一，本书在研究IGBT开通和关断机理基础上，建立了IGBT考虑温度影响和损耗的电气模型。所建模型提取参数的过程较为简单，仿真速度较快。仿真和试验结果表明所建模型有较高的准确度。运用所建模型，本书研究了结温对开关特性的影响、缓冲电路对IGBT关断过程的影响、器件杂散参数对IGBT并联的影响以及线路杂散电感对IGBT电气特性的影响。

第二，本书在建立IGBT模块的热模型和电热模型的基础上，推导建立了牵引变流器散热系统的热模型，并首次提出了牵引变流器系统的电热耦合模型，给出了用有限元求解温度场提取电热模型中热阻热容参数的方法。依据该电热模型，可以通过电路仿真的方法分析变流器的电热耦合特性，求得变流器的电气特性、功率损耗、芯片结温和散热器表面温度以及IGBT的开关特性。通过对牵引变流器电热特性的研究，本书得出了IGBT和VDR的结温温升随开关频率和变流器输出电流的变化规律，分析结果表明了所建电热模型的有效性。

第三，本书对牵引变流器直流母排的杂散电感及其优化方法进行了研究，具体包括影响IGBT关断电压过冲的杂散电感构成、杂散参数的计算方法、结构因素对母排杂散电感的影响规律。然后，本书从外接直流电源和电容的布局、母排层数和母排间桥接方法三个方面提出了杂散电感的优化方法。仿真和实验结果证明了提取杂散电感方法以及优化方法的有效性。

第四，本书以计算牵引变流器的功率损耗为目标，首次研究分析了线路杂散电感和直流母线电压对IGBT模块损耗的影响规律，结果表明：直流母线电压对损耗的影响符合指数关系，该指数是影响IGBT模块损耗计算的关键因素之一。其次本书提出了一种基于IGBT开关特性求解该指数的方法。依据该方法求得的母线电压对损耗的影响指数与经验值相比更为准确。在分析IGBT模块损耗的主要影响因素和影响规律基础上，本书提出了一种基于电流波形的IGBT模块损耗计算方法。该方法采用二次多项式拟合的方式考虑了门极电阻的影响，以线性插值的方法考虑了线路杂散电感和结温的影响，以指数函数关系考虑了母线直流电压的影响，并考虑了结温和损耗之间的耦合作用。

第五，本书研究了牵引变流器散热系统的设计、分析和优化方法，建立了强迫风冷散热系统的分析模型，并采用有限元仿真的方法求解牵引变流器散热系统的温度场。在对某牵引变流器进行强迫风冷散热系统设计的基础上，本书研究了风速、功率损耗、模块布局等对散热的影响规律。实验和仿真结果证明了所提设计分析方法的正确性。

本书由河南理工大学朱艺锋副教授独著。在本书的写作过程中，得到了研究生郑景乐、田野等的大力协助。他们以读者的角度提出了很多宝贵意见和建议，并提供了大量有价值的参考文献和相关资料。同时，与本书有关的研究工作得到了以下课题的支持：

（1）国家自然科学基金委-河南省政府联合基金项目（U1504518）：电力电子变压器中直流母排杂散电感的影响机理和优化方法；

（2）河南省教育厅科技研究重点项目（14A470005）：大功率变流器杂散电感及电热特性研究；

（3）河南省高等学校控制工程重点学科开放实验室资助项目（KG2014-15）：基于IGBT的功率变换器电热特性及杂散电感研究；

（4）河南理工大学博士基金（72103/001/021）：牵引变流器的暂态特性及控制方法研究。

由于作者水平有限，不足之处在所难免，敬请读者不吝指教。

著者