大家好，這期我們聊一下NPC-I型三電平的暫態換流過程。我們都知道IGBT屬于電力電子開關器件，絕大部分應用場景都是處于開關狀態。IGBT的電、熱應力大部分是由于器件開關過程造成的，而且器件的大部分失效也是在開關暫態時發生的。因此，換流暫態分析對于器件的可靠應用具有重要意義。在以前的文章中，老耿結合兩電平對IGBT的自然換流和強迫換流進行了分析。三電平相比兩電平器件要多一些，因此暫態換流過程也相對復雜，再復雜的東西也是有規律可循的，只要大家花點時間，把三電平理清楚了，那其它拓撲的分析問題應該都會迎刃而解，廢話不多說了，讓我們趕快進入主題吧！

首先，看一下NPC-I型三電平的拓撲，I型三電平由4個IGBT和兩個鉗位二極管組成。二極管屬于被動器件，對于控制器來說每相橋臂只有4個器件可以控制。

圖1. NPC-I型三電平橋臂拓撲

IGBT在應用時只有開和關兩種狀態。如果用1代表開，0代表關斷，那么一相橋臂一共有16種開關狀態，如表2所示。當然并不是所有的狀態都允許出現，例如紅色的開關狀態表會直接造成橋臂直通或器件過壓損壞。黃色的開關狀態雖然不會直接造成器件的損壞，但也不允許出現，可能會存在潛在的危險。只有綠色的是正常的可以允許出現的開關狀態。

表1. IGBT開關狀態表[1]

表1是按照2進制把一相橋臂器件所有的開關狀態都列出來了。而實際上DSP控制器是按照PWM調制方式來發波的，常規下表1中的黃色和紅色部分是不會出現的。為了方便后面分析，我們把NPC型三電平IGBT正常開關狀態，重新整理如表2所示。

表2. IGBT正常開關狀態表

其中狀態欄里面的16進制代表4個器件的開關狀態，例如C態就是16進制1100，對應的輸出就是正母線電壓，也就是正電平P。同理，6態代表零電平，3態代表負電平N。在3種電平的切換過程中，為了防止橋臂直通，會插入死區時間，分別為4態和2態。

需要說明的是正電平和負電平是不能直接切換的，中間必須要經過0電平，而且對于一個橋臂來說，每次只允許一個器件開關動作，也就是不會出現兩個器件同時開關動作的狀態（故障情況除外，哦，不對，三電平封波也不能像兩電平一樣同時關斷）。三電平允許出現的狀態轉移如圖2所示：

圖2. 三電平狀態切換示意圖

在這里需要再強調一下：

①：3種狀態（P，0，N）持續時間取決于器件的開關頻率，時間相對較長，我們可以認為是穩態；

②：2種死區狀態是過渡態，時間是3-15us，取決于IGBT的開關延時和換流時間，也可以理解為一個很短暫的穩態；

③：IGBT開關引起的換流過程是暫態的，如果不考慮器件延時的話，電流的換向時間一般會在1個us以內，這個時間主要與器件特性和門極驅動相關，這個暫態過程是我們需要重點關注的。

搞清楚IGBT開關狀態后，讓我們回到主題，看看這些開關狀態之間的切換過程是怎樣的？在進行換流分析的時候，我們一定要先假定一種電流方向，這樣可以清晰地把各種換流分析一遍，不然你會把自己繞暈。

圖3. 三電平電壓電流方向定義

我們都知道換流一定是從一種穩態切至另一種穩定狀態，因此除了假定電流方向外，還要假定換流發生前的一刻是什么穩定狀態。前面提到過，對于三電平而言，正電平不會直接跳轉至負電平，中間必須要要經過零電平。結合圖3 ，當輸出電流為正時，我們可以很容易的判斷一共會有4種換流過程，分析如下。

 ①：正電平轉零電平（C態轉6態）

電流的路徑：P-T1-T2 轉換為0-Da-T2

換流過程是由T1關斷引起的，因此換流是在4態完成的，換流完成后才會打開T3管，進入6態。這個換流過程中參與換流的器件主要是C1 T1和Da，也是我們常說的小換流回路。根據換流回路雜感的大小，T1會有一定的關斷電壓尖峰應力。

②：零電平轉負電平（6態轉3態）

電流的路徑：0-Da-T2 轉換為N-D4-D3

換流過程是由T2關斷引起的，因此換流是在2態完成的，換流完成后才會打開T3管，進入3態。這個換流過程中參與換流的器件主要是C2、Da、T2、D3和D4，也是我們常說的大換流回路。根據換流回路雜感的大小，T2會有一定的關斷電壓尖峰應力。

③：負電平轉零電平（3態轉6態）

電流的路徑：N-D4-D3 轉換為0-Da-T2

這個換流過程和上面的不太一樣，關斷T4并沒有發生換流，換流過程是由T2開通引起的，因此換流是在6態完成的。這個換流過程中參與換流的器件主要是C2、T2、T3、D3和D4，這也是一個大換流回路。在T2開通過程中，D4會發生反向恢復，根據換流回路雜感的大小，D4可能會有一定的關斷電壓尖峰應力。

④：零電平轉正電平（6態轉C態）

電流的路徑：0-Da-T2 轉換為P-T1-T2

同上，在狀態轉換過程中，關斷T3并沒有發生換流，換流過程是由T1開通引起的，因此換流是在C態完成的。這個換流過程中參與換流的器件主要是C1、T1和Da，這是個小換流回路。在T1開通過程中，Da會發生反向恢復，根據換流回路雜感的大小，Da可能會有一定的關斷電壓尖峰應力。

圖4. 三電平換流分析（電流方向為正）

以上換流分析的前提是電流為正，當輸出電流為負時，大家可以先自行去分析一下，然后和下面做一下對比，看看是否一致：

①：正電平轉零電平（C態轉6態）

電流的路徑：D2-D1-P 轉換為T3-Db-0

同樣，T1關斷并沒有引起換流，換流過程是由T3開通引起的，因此換流是在6態完成的。這個換流過程中參與換流的器件主要是C1、D1、T2、D2、T3和Db，這是個大換流回路。在T3開通過程中，D1會發生反向恢復，根據換流回路雜感的大小，D1可能會有一定的關斷電壓尖峰應力。

②：零電平轉負電平（6態轉3態）

電流的路徑：T3-Db-0 轉換為T3-T4-N

T2關斷并沒有引起換流，換流過程是由T4開通引起的，因此換流是在3態完成的。這個換流過程中參與換流的器件主要是C2、Db和T4，這是個小換流回路。在T4開通過程中，Db會發生反向恢復，根據換流回路雜感的大小，Db可能會有一定的關斷電壓尖峰應力。

③：負電平轉零電平（3態轉6態）

電流的路徑：T3-T4-N 轉換為T3-Db-0

換流過程是由T4關斷引起的，因此是在2態完成的，換流完成后才會打開T2管，進入6態。這個換流過程中參與換流的器件主要是C2、Db和T4，這也是個小換流回路。根據換流回路雜感的大小，T4會有一定的關斷電壓尖峰應力。

④：零電平轉正電平（6態轉C態）

電流的路徑：T3-Db-0 轉換為D2-D1-P

換流過程是由T3關斷引起的，因此是在4態完成的，換流完成后才會打開T1管，進入C態。這個換流過程中參與換流的器件主要是C1、D1、D2、T3和Db，這是個大換流回路。根據換流回路雜感的大小，T3會有一定的關斷電壓尖峰應力。

圖5. 三電平換流分析（電流方向為負）

以上就是NPC-I型三電平所有的強迫換流分析過程，大家也可以注意到以上換流過程要么是IGBT關斷引起的，要么是IGBT開通引起的。總之是由于IGBT的開關動作迫使電流從一個支路轉移到了另外一個支路，這也就是我們所說的強迫換流或換向。分析完后，我們把強迫換流過程總結如表3所示：

表3. IGBT強迫換流切換表

強迫換流分析完了，讓我們再簡單看一下三電平的自然換流過程，所謂自然換流是IGBT的電流路徑改變沒有受器件開關的影響，而是由外電路其它因素造成的。自然換流路徑如圖6所示，以正電平（C態）為例，當T1和T2處于開通狀態時，電流的方向可以由正轉為負，也可以由負轉為正，其它兩種狀態分析類似。自然換流是一種很慢的換流過程，因此器件基本沒有什么電應力。

圖6 三電平自然換流

最后，總結一下：

1. NPC-I型三電平有8種強迫換流和6種自然換流過程。8種強迫換流中4種由于器件關斷造成的，另外4種是由于器件開通造成的；

2. NPC-I型三電平一共有4種換流回路，兩個大回路，兩個小回路。T1和T4在小換流回路中關斷，T2和T3會在大換流回路中關斷， Da和Db會在小換流回路中發生反向恢復，D1和D4會在大換流回路中發生反向恢復，D2和D3不會發生反向恢復；

3. 大換流回路器件多，器件開關電壓、電流尖峰應力大，自然換流器件基本沒有電壓、電流應力；

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