拓扑，原意为几何学范畴的概念。它是对系统中各元件之间关系的描述，即将各种物体的位置表示成抽象位置。而变换器的拓扑结构，指的是变换器电路中各组成元件之间的抽象位置及其它们之间的关系。变换器的拓扑结构不等于变换器的电路，不同的变换器电路可以具有相同的拓扑结构。因为变换器拓扑结构只对电路中的连接关系进行描述，而不严格考虑电路中的具体器件，通常在表述变换器的拓扑结构时也不考虑辅助电路。例如，图7-1所示的两种不同器件的逆变电路，都可以称作三相两电平拓扑结构，而不管具体所使用的电力半导体器件是IGBT还是GTO。

图7-1 三相两电平逆变器

当然，考虑到具体应用，在一些变换器拓扑结构描述中，也加入一些具体器件的描述，比如在二极管箝位和电容跨接多电平变换器拓扑结构中，就确定了在变换器中的某些特定的位置上为二极管或者电容。图7-2给出了二极管箝位和电容跨接五电平逆变器一个桥臂的示意图。

在分析具体的变换器拓扑结构之前，首先需要明确一些拓扑结构分析常用的词汇。首先是“相数”。相可以认为从电路原理和电机理论中交流电的相位概念而来，简单地说，具有不同相位的电量分属不同的相。反之，当变换器的某两个输出支路中的电流是完全相同时，则认为其是同一相，所以变换器的相数跟桥臂数是可以不一样的。通常所谓的相数是根据变换器的输出电压或电流的相位不同数目所定义的，可由开关器件状态和外接负载特性决定。这里需要注意的是，在一些特定条件下，相同拓扑的变换器的“相数”是可以不同的，举例来说，在图7-1中，三个输出支路的电流彼此存在相位差，则构成三相变换器。如果某两路的电力半导体器件同步动作，即两桥臂并联在一起，则该系统变成单相系统。

图7-2 二极管箝位和电容跨接 五电平逆变器一个桥臂

其次是“电平数”，在电压型变换器中，一般是指变换器的一相输出电压中台阶数目，在电流型变换器中则对应电流的台阶数目。在现有的电压型变换器技术中，多电平变换器一般是指在电力半导体器件电压能力不足的情况，通过变换器拓扑结构的变化，使输出电压台阶和幅值增加的技术。在高压大容量变换器中得到越来越多的应用，需要注意的是，多电平变换器的一些优点与传统的采用多重化技术的变换器很相近，它们都能够做到使输出电平数增加，改善波形，在某些应用中，很容易将两者的概念混淆。目前，还没有完全严格的概念来定义和区分“多电平”与“多重化”。一般地说，多电平变换器能够充分利用现有的电力半导体器件水平，其输出电平数的增加能够提高输出幅值；而多重化技术原本出发点仅是增加输出波形的“台阶”数目来改善波形，往往“台阶”数的增加并没有增加输出幅值，即使增加也是通过变压器等手段间接增加。多电平变换器的拓扑结构有多种形式，但是绝大部分都是DC/AC和AC/DC变换器，少部分是直流变换器。一般认为电压型多电平变换器有三种基本的拓扑结构，即二极管箝位式、电容跨接式和具有独立直流电源的级联式，从这三种基本的拓扑结构可以派生出许多改进型的多电平拓扑结构。图7-3中给出了基于级联拓扑结构的变换器的系统图，这是一个典型的三相11电平变换器，其线电压中有21个电平。

在分析了“相数”和“电平数”的基础上，来看看变换器中常用的拓扑结构。首先是DC/DC变换器的拓扑结构。图7-4中给出了6种不隔离DC/DC变换器的电路，它们都是功率单向流动，即从输入侧流向输出侧。从某种意义上讲，它们都可以看成单相两电平拓扑结构。表7-1中给出这六种变换器输入电压U_S与输出电压U_O之间的关系。其中占空比D表示在一个开关周期内开关S处于导通时间的百分比，给出的结果均是在电流连续工作模式下的结果。

图7-3 级联式变换器系统

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图7-4 六种基本的DC/DC变换器示意图

可以看出这六种变换器具有一个共同的特点：输入和输出的一根线是公共的，因此也称为三端开关式稳压器。同时，在这些DC/DC变换器中，存在两个电力半导体器件，全控开关器件S和二极管。一般地，当全控开关器件的开通或者关断时，会对应二极管的关断和开通，这就是一种典型的变换器换流行为，在后面章节中有更详细的分析。

表7-1 六种DC/DC变换器的输出与输入电压关系

图7-5 大容量电流型变流器主电路结构图

其次是AC/DC整流器和DC/AC逆变器，在实际应用中经常将二者结合起来构成交-直-交变换器。AC/DC整流器中比较常见的有单相和三相二极管整流电路，在传统电力电子技术中还存在使用晶闸管整流电路，而采用全控开关器件的整流电路往往可以看成逆变电路的对称结构。而典型的三相两电平DC/AC逆变器拓扑结构在图7-1中已经给出，如果将负载换成电网和电抗器，则可将其看成基于全控开关器件的整流电路。在实际应用中，还会采用类似图7-2所示的五电平拓扑结构或者图7-3所示的级联式多电平结构。

AC/DC整流器和DC/AC逆变器一般还分为电压型和电流型两种，其主要区别是直流侧是电压源还是电流源性质。一般地，当直流母线并联大的电容，则认为其是电压型；而直流母线串联大的电感，则认为其是电流型的。图7-5中给出了一种实际使用的大容量交-直-交变换器。该变换器的整流侧采用的是18脉头晶闸管整流器，直流母线为大电流的滤波电抗器，逆变器为基于SGCT（对称型IGCT）串联的三相两电平拓扑结构。该变换器的特点是使用的功率器件少，但器件串联带来均压问题，作为变频调速用时二电平输出的du/dt会对电机的绝缘造成危害，要求提高电机的绝缘等级且谐波成分大，需要专门设计输出滤波器，才能供电机使用。

在这些AC/DC整流器和DC/AC逆变器中，使用的电力半导体器件众多，存在较复杂的换流行为，有全控器件与二极管之间的行为，也有全控开关之间的行为，其中电压型的和电流型的换流分析还存在较大的差异，在后面的分析中，如无特别指出，使用的都是电压型的变换器。

最后是AC/AC变换器。其中基于晶闸管的周波交-交变换器在很多传统的电力电子资料中已有详细分析，在此不再赘述。图7-6中给出了n相输入p相输出基于全控器件的矩阵变换器，其中使用的电力半导体器件具有双向可控能力。在实际应用中，较多使用的是三相输入三相输出拓扑结构。