大家好，這期我們聊一下NPC-I型三電平的暫態(tài)換流過程。我們都知道IGBT屬于電力電子開關(guān)器件，絕大部分應(yīng)用場景都是處于開關(guān)狀態(tài)。IGBT的電、熱應(yīng)力大部分是由于器件開關(guān)過程造成的，而且器件的大部分失效也是在開關(guān)暫態(tài)時發(fā)生的。因此，換流暫態(tài)分析對于器件的可靠應(yīng)用具有重要意義。在以前的文章中，老耿結(jié)合兩電平對IGBT的自然換流和強(qiáng)迫換流進(jìn)行了分析。三電平相比兩電平器件要多一些，因此暫態(tài)換流過程也相對復(fù)雜，再復(fù)雜的東西也是有規(guī)律可循的，只要大家花點(diǎn)時間，把三電平理清楚了，那其它拓?fù)涞姆治鰡栴}應(yīng)該都會迎刃而解，廢話不多說了，讓我們趕快進(jìn)入主題吧！

首先，看一下NPC-I型三電平的拓?fù)洌琁型三電平由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?fù)?/span>

IGBT在應(yīng)用時只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。如果用1代表開，0代表關(guān)斷，那么一相橋臂一共有16種開關(guān)狀態(tài)，如表2所示。當(dāng)然并不是所有的狀態(tài)都允許出現(xiàn)，例如紅色的開關(guān)狀態(tài)表會直接造成橋臂直通或器件過壓損壞。黃色的開關(guān)狀態(tài)雖然不會直接造成器件的損壞，但也不允許出現(xiàn)，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(xiàn)的開關(guān)狀態(tài)。

表1. IGBT開關(guān)狀態(tài)表[1]

表1是按照2進(jìn)制把一相橋臂器件所有的開關(guān)狀態(tài)都列出來了。而實(shí)際上DSP控制器是按照PWM調(diào)制方式來發(fā)波的，常規(guī)下表1中的黃色和紅色部分是不會出現(xiàn)的。為了方便后面分析，我們把NPC型三電平IGBT正常開關(guān)狀態(tài)，重新整理如表2所示。

表2. IGBT正常開關(guān)狀態(tài)表

其中狀態(tài)欄里面的16進(jìn)制代表4個器件的開關(guān)狀態(tài)，例如C態(tài)就是16進(jìn)制1100，對應(yīng)的輸出就是正母線電壓，也就是正電平P。同理，6態(tài)代表零電平，3態(tài)代表負(fù)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(qū)時間，分別為4態(tài)和2態(tài)。

需要說明的是正電平和負(fù)電平是不能直接切換的，中間必須要經(jīng)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(guān)動作，也就是不會出現(xiàn)兩個器件同時開關(guān)動作的狀態(tài)（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(guān)斷）。三電平允許出現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示：

圖2. 三電平狀態(tài)切換示意圖

在這里需要再強(qiáng)調(diào)一下：

①：3種狀態(tài)（P，0，N）持續(xù)時間取決于器件的開關(guān)頻率，時間相對較長，我們可以認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)；

②：2種死區(qū)狀態(tài)是過渡態(tài)，時間是3-15us，取決于IGBT的開關(guān)延時和換流時間，也可以理解為一個很短暫的穩(wěn)態(tài)；

③：IGBT開關(guān)引起的換流過程是暫態(tài)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(nèi)，這個時間主要與器件特性和門極驅(qū)動相關(guān)，這個暫態(tài)過程是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的。

搞清楚IGBT開關(guān)狀態(tài)后，讓我們回到主題，看看這些開關(guān)狀態(tài)之間的切換過程是怎樣的？在進(jìn)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(wěn)態(tài)切至另一種穩(wěn)定狀態(tài)，因此除了假定電流方向外，還要假定換流發(fā)生前的一刻是什么穩(wěn)定狀態(tài)。前面提到過，對于三電平而言，正電平不會直接跳轉(zhuǎn)至負(fù)電平，中間必須要要經(jīng)過零電平。結(jié)合圖3 ，當(dāng)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(zhuǎn)零電平（C態(tài)轉(zhuǎn)6態(tài)）

電流的路徑：P-T1-T2 轉(zhuǎn)換為0-Da-T2

換流過程是由T1關(guān)斷引起的，因此換流是在4態(tài)完成的，換流完成后才會打開T3管，進(jìn)入6態(tài)。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(jù)換流回路雜感的大小，T1會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

②：零電平轉(zhuǎn)負(fù)電平（6態(tài)轉(zhuǎn)3態(tài)）

電流的路徑：0-Da-T2 轉(zhuǎn)換為N-D4-D3

換流過程是由T2關(guān)斷引起的，因此換流是在2態(tài)完成的，換流完成后才會打開T3管，進(jìn)入3態(tài)。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(jù)換流回路雜感的大小，T2會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

③：負(fù)電平轉(zhuǎn)零電平（3態(tài)轉(zhuǎn)6態(tài)）

電流的路徑：N-D4-D3 轉(zhuǎn)換為0-Da-T2

這個換流過程和上面的不太一樣，關(guān)斷T4并沒有發(fā)生換流，換流過程是由T2開通引起的，因此換流是在6態(tài)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(fā)生反向恢復(fù)，根據(jù)換流回路雜感的大小，D4可能會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

④：零電平轉(zhuǎn)正電平（6態(tài)轉(zhuǎn)C態(tài)）

電流的路徑：0-Da-T2 轉(zhuǎn)換為P-T1-T2

同上，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，關(guān)斷T3并沒有發(fā)生換流，換流過程是由T1開通引起的，因此換流是在C態(tài)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(fā)生反向恢復(fù)，根據(jù)換流回路雜感的大小，Da可能會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)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(dāng)輸出電流為負(fù)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(zhuǎn)零電平（C態(tài)轉(zhuǎn)6態(tài)）

電流的路徑：D2-D1-P 轉(zhuǎn)換為T3-Db-0

同樣，T1關(guān)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(tài)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(fā)生反向恢復(fù)，根據(jù)換流回路雜感的大小，D1可能會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

②：零電平轉(zhuǎn)負(fù)電平（6態(tài)轉(zhuǎn)3態(tài)）

電流的路徑：T3-Db-0 轉(zhuǎn)換為T3-T4-N

T2關(guān)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(tài)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(fā)生反向恢復(fù)，根據(jù)換流回路雜感的大小，Db可能會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

③：負(fù)電平轉(zhuǎn)零電平（3態(tài)轉(zhuǎn)6態(tài)）

電流的路徑：T3-T4-N 轉(zhuǎn)換為T3-Db-0

換流過程是由T4關(guān)斷引起的，因此是在2態(tài)完成的，換流完成后才會打開T2管，進(jìn)入6態(tài)。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(jù)換流回路雜感的大小，T4會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

④：零電平轉(zhuǎn)正電平（6態(tài)轉(zhuǎn)C態(tài)）

電流的路徑：T3-Db-0 轉(zhuǎn)換為D2-D1-P

換流過程是由T3關(guān)斷引起的，因此是在4態(tài)完成的，換流完成后才會打開T1管，進(jìn)入C態(tài)。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(jù)換流回路雜感的大小，T3會有一定的關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力。

圖5. 三電平換流分析（電流方向為負(fù)）

以上就是NPC-I型三電平所有的強(qiáng)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(guān)斷引起的，要么是IGBT開通引起的。總之是由于IGBT的開關(guān)動作迫使電流從一個支路轉(zhuǎn)移到了另外一個支路，這也就是我們所說的強(qiáng)迫換流或換向。分析完后，我們把強(qiáng)迫換流過程總結(jié)如表3所示：

表3. IGBT強(qiáng)迫換流切換表

強(qiáng)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(guān)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(tài)）為例，當(dāng)T1和T2處于開通狀態(tài)時，電流的方向可以由正轉(zhuǎn)為負(fù)，也可以由負(fù)轉(zhuǎn)為正，其它兩種狀態(tài)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(yīng)力。

圖6 三電平自然換流

最后，總結(jié)一下：

1. NPC-I型三電平有8種強(qiáng)迫換流和6種自然換流過程。8種強(qiáng)迫換流中4種由于器件關(guān)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(guān)斷，T2和T3會在大換流回路中關(guān)斷， Da和Db會在小換流回路中發(fā)生反向恢復(fù)，D1和D4會在大換流回路中發(fā)生反向恢復(fù)，D2和D3不會發(fā)生反向恢復(fù)；

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

好了，今天就給大家分享到這里，由于作者水平有限，以上內(nèi)容若有不對之處，請大家批評指正！