大家好，这期我们聊一下NPC-I型三电平的暂态换流过程。我们都知道IGBT属于电力电子开关器件，绝大部分应用场景都是处于开关状态。IGBT的电、热应力大部分是由于器件开关过程造成的，而且器件的大部分失效也是在开关暂态时发生的。因此，换流暂态分析对于器件的可靠应用具有重要意义。在以前的文章中，老耿结合两电平对IGBT的自然换流和强迫换流进行了分析。三电平相比两电平器件要多一些，因此暂态换流过程也相对复杂，再复杂的东西也是有规律可循的，只要大家花点时间，把三电平理清楚了，那其它拓扑的分析问题应该都会迎刃而解，废话不多说了，让我们赶快进入主题吧！

首先，看一下NPC-I型三电平的拓扑，I型三电平由4个IGBT和两个钳位二极管组成。二极管属于被动器件，对于控制器来说每相桥臂只有4个器件可以控制。

图1. NPC-I型三电平桥臂拓扑

IGBT在应用时只有开和关两种状态。如果用1代表开，0代表关断，那么一相桥臂一共有16种开关状态，如表2所示。当然并不是所有的状态都允许出现，例如红色的开关状态表会直接造成桥臂直通或器件过压损坏。黄色的开关状态虽然不会直接造成器件的损坏，但也不允许出现，可能会存在潜在的危险。只有绿色的是正常的可以允许出现的开关状态。

表1. IGBT开关状态表[1]

表1是按照2进制把一相桥臂器件所有的开关状态都列出来了。而实际上DSP控制器是按照PWM调制方式来发波的，常规下表1中的黄色和红色部分是不会出现的。为了方便后面分析，我们把NPC型三电平IGBT正常开关状态，重新整理如表2所示。

表2. IGBT正常开关状态表

其中状态栏里面的16进制代表4个器件的开关状态，例如C态就是16进制1100，对应的输出就是正母线电压，也就是正电平P。同理，6态代表零电平，3态代表负电平N。在3种电平的切换过程中，为了防止桥臂直通，会插入死区时间，分别为4态和2态。

需要说明的是正电平和负电平是不能直接切换的，中间必须要经过0电平，而且对于一个桥臂来说，每次只允许一个器件开关动作，也就是不会出现两个器件同时开关动作的状态（故障情况除外，哦，不对，三电平封波也不能像两电平一样同时关断）。三电平允许出现的状态转移如图2所示：

图2. 三电平状态切换示意图

在这里需要再强调一下：

①：3种状态（P，0，N）持续时间取决于器件的开关频率，时间相对较长，我们可以认为是稳态；

②：2种死区状态是过渡态，时间是3-15us，取决于IGBT的开关延时和换流时间，也可以理解为一个很短暂的稳态；

③：IGBT开关引起的换流过程是暂态的，如果不考虑器件延时的话，电流的换向时间一般会在1个us以内，这个时间主要与器件特性和门极驱动相关，这个暂态过程是我们需要重点关注的。

搞清楚IGBT开关状态后，让我们回到主题，看看这些开关状态之间的切换过程是怎样的？在进行换流分析的时候，我们一定要先假定一种电流方向，这样可以清晰地把各种换流分析一遍，不然你会把自己绕晕。

图3. 三电平电压电流方向定义

我们都知道换流一定是从一种稳态切至另一种稳定状态，因此除了假定电流方向外，还要假定换流发生前的一刻是什么稳定状态。前面提到过，对于三电平而言，正电平不会直接跳转至负电平，中间必须要要经过零电平。结合图3 ，当输出电流为正时，我们可以很容易的判断一共会有4种换流过程，分析如下。

 ①：正电平转零电平（C态转6态）

电流的路径：P-T1-T2 转换为0-Da-T2

换流过程是由T1关断引起的，因此换流是在4态完成的，换流完成后才会打开T3管，进入6态。这个换流过程中参与换流的器件主要是C1 T1和Da，也是我们常说的小换流回路。根据换流回路杂感的大小，T1会有一定的关断电压尖峰应力。

②：零电平转负电平（6态转3态）

电流的路径：0-Da-T2 转换为N-D4-D3

换流过程是由T2关断引起的，因此换流是在2态完成的，换流完成后才会打开T3管，进入3态。这个换流过程中参与换流的器件主要是C2、Da、T2、D3和D4，也是我们常说的大换流回路。根据换流回路杂感的大小，T2会有一定的关断电压尖峰应力。

③：负电平转零电平（3态转6态）

电流的路径：N-D4-D3 转换为0-Da-T2

这个换流过程和上面的不太一样，关断T4并没有发生换流，换流过程是由T2开通引起的，因此换流是在6态完成的。这个换流过程中参与换流的器件主要是C2、T2、T3、D3和D4，这也是一个大换流回路。在T2开通过程中，D4会发生反向恢复，根据换流回路杂感的大小，D4可能会有一定的关断电压尖峰应力。

④：零电平转正电平（6态转C态）

电流的路径：0-Da-T2 转换为P-T1-T2

同上，在状态转换过程中，关断T3并没有发生换流，换流过程是由T1开通引起的，因此换流是在C态完成的。这个换流过程中参与换流的器件主要是C1、T1和Da，这是个小换流回路。在T1开通过程中，Da会发生反向恢复，根据换流回路杂感的大小，Da可能会有一定的关断电压尖峰应力。

图4. 三电平换流分析（电流方向为正）

以上换流分析的前提是电流为正，当输出电流为负时，大家可以先自行去分析一下，然后和下面做一下对比，看看是否一致：

①：正电平转零电平（C态转6态）

电流的路径：D2-D1-P 转换为T3-Db-0

同样，T1关断并没有引起换流，换流过程是由T3开通引起的，因此换流是在6态完成的。这个换流过程中参与换流的器件主要是C1、D1、T2、D2、T3和Db，这是个大换流回路。在T3开通过程中，D1会发生反向恢复，根据换流回路杂感的大小，D1可能会有一定的关断电压尖峰应力。

②：零电平转负电平（6态转3态）

电流的路径：T3-Db-0 转换为T3-T4-N

T2关断并没有引起换流，换流过程是由T4开通引起的，因此换流是在3态完成的。这个换流过程中参与换流的器件主要是C2、Db和T4，这是个小换流回路。在T4开通过程中，Db会发生反向恢复，根据换流回路杂感的大小，Db可能会有一定的关断电压尖峰应力。

③：负电平转零电平（3态转6态）

电流的路径：T3-T4-N 转换为T3-Db-0

换流过程是由T4关断引起的，因此是在2态完成的，换流完成后才会打开T2管，进入6态。这个换流过程中参与换流的器件主要是C2、Db和T4，这也是个小换流回路。根据换流回路杂感的大小，T4会有一定的关断电压尖峰应力。

④：零电平转正电平（6态转C态）

电流的路径：T3-Db-0 转换为D2-D1-P

换流过程是由T3关断引起的，因此是在4态完成的，换流完成后才会打开T1管，进入C态。这个换流过程中参与换流的器件主要是C1、D1、D2、T3和Db，这是个大换流回路。根据换流回路杂感的大小，T3会有一定的关断电压尖峰应力。

图5. 三电平换流分析（电流方向为负）

以上就是NPC-I型三电平所有的强迫换流分析过程，大家也可以注意到以上换流过程要么是IGBT关断引起的，要么是IGBT开通引起的。总之是由于IGBT的开关动作迫使电流从一个支路转移到了另外一个支路，这也就是我们所说的强迫换流或换向。分析完后，我们把强迫换流过程总结如表3所示：

表3. IGBT强迫换流切换表

强迫换流分析完了，让我们再简单看一下三电平的自然换流过程，所谓自然换流是IGBT的电流路径改变没有受器件开关的影响，而是由外电路其它因素造成的。自然换流路径如图6所示，以正电平（C态）为例，当T1和T2处于开通状态时，电流的方向可以由正转为负，也可以由负转为正，其它两种状态分析类似。自然换流是一种很慢的换流过程，因此器件基本没有什么电应力。

图6 三电平自然换流

最后，总结一下：

1. NPC-I型三电平有8种强迫换流和6种自然换流过程。8种强迫换流中4种由于器件关断造成的，另外4种是由于器件开通造成的；

2. NPC-I型三电平一共有4种换流回路，两个大回路，两个小回路。T1和T4在小换流回路中关断，T2和T3会在大换流回路中关断， Da和Db会在小换流回路中发生反向恢复，D1和D4会在大换流回路中发生反向恢复，D2和D3不会发生反向恢复；

3. 大换流回路器件多，器件开关电压、电流尖峰应力大，自然换流器件基本没有电压、电流应力；

好了，今天就给大家分享到这里，由于作者水平有限，以上内容若有不对之处，请大家批评指正！