从某种意义讲，图7-6所示的变换器可以看成广义的变换器，它能够从另一个角度来解释变换器的拓扑结构具有的性质，以及不同拓扑结构变换器之间的联系。

变换器的拓扑特性是与其本质密切相关的。变换器的本质是实现电能特征的变换。但是，只有电力半导体器件是不能构成变换器的。电力半导体器件之间、电力半导体器件与变换器其他器件之间的电路连接必须遵循一定的规律，这些电路连接规律不仅要发挥电力半导体器件的“开关”作用，还要与变换器的控制相协调，共同决定变换器的特性。这些变换器电路连接规律，就是电力电子变换器的拓扑特性。

图7-6 n相输入p相输出 矩阵变换器

在上一节所分析的这些常见变换器中，无论是非常复杂的矩阵变换器，还是非常简单的Buck变换器，它们由电力电子开关组成的变换器拓扑都遵循相同的基本原则，即

1）具有电压源性质的元件，包括电压源、电容等，不能被短路。

2）具有电流源性质的元件，包括电流源，电感等，不能被开路。

假如所分析的变换器处于理想状态，即处在理想的拓扑结构、器件特性和控制条件下。理想的拓扑结构指的是只考虑变换器中主要器件的参数，忽略电路中的杂散参数以及其他因素的影响，理想的控制指的是忽略门极驱动电路等各种控制非理想特性的影响，理想的电力半导体器件是关注的要点，从前面章节的电力半导体器件内部结构特点来看，绝大部分电力半导体器件都可以看成双稳态器件，简单的可以把它看成一个双电阻的模型。一般认为理想开关具有以下几点性质：

1）通态时，看成是一个阻值极低的电阻，可以认为阻值为零。

2）阻态时，看成是一个阻值极大的电阻，可以认为阻值为无穷大。

3）开通和关断，即通态和阻态之间切换时，切换时间为零。

4）通态时，至少在一个方向上能流通电流；阻态时，至少能在一个方向承受电压，最理想的开关能够双向流通电流，双向承受电压，即双向全控开关。

为了更好地理解电力电子变换器理想开关的定义，不从器件内部特性考虑，而用其外特性，即两端压降和流经电流，来描述变换器理想开关的性质，也可以描述为

1）通态时，无论其流经的电流为多大，两端压降为零。

2）阻态时，无论其两端承受的电压为多大，流经电流为零。

3）开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在零时间内降为零。

4）关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流经电流在零时间内降为零。

5）相对于实际器件，理想器件还具有这样的特性，即其通态和阻态时间宽度可以无限小（即没有最小脉宽限制）。

在这样的理想假设条件下，很容易忽略不同容量、拓扑结构变换器之间的器件行为的差异。此时，变换器拓扑结构存在一定的通用性。比如，当如图7-6所示的n相输入p相输出开关矩阵变换器中的n=p=1时，就可以转化成如图7-7所示的变换器。如果将二极管也看成广义的全控器件，很明显该变换器与DC/DC变换器中的Buck和Boost变换器相同。一般可以认为，如图7-7所示的拓扑结构就是变换器的理想基本拓扑单元，考虑到前面分析的变换器遵循的基本原则，则基本拓扑单元的两个理想电力半导体器件状态是互反的。

图7-7 n相输入p相输出 矩阵变换器（n=p=1）

对于电压型变换器来说，其基本拓扑单元也可以理解成单相输入单相输出的变换器拓扑（此时变换器的输出只能在一个非零电平和零电平之间切换），如图7-8a所示。该图与图7-7的差别在于对电压源的极性进行了规定，以方便确定器件的耐压方向。可以看出，对于该单元中的两个开关来说，一般只承受单向的电压。由于要保证功率的双向流动，两开关中流通的电流是双向的，同时考虑到两个开关的相互作用，减小不必要的控制，则两开关中的每一个开关轨迹如图7-8c所示。可以看出此时的理想开关与前面的双向全控开关存在一定的差异，为了区分，借用IGBT的符号来表示变换器基本拓扑单元，如图7-8b所示，注意图中的IGBT是理想的IGBT，其开关轨迹如7-8c所示。

需要注意的是，在图7-8c所示的单个开关轨迹中，开关中的电流是双向流动的，但是只有在正向流经开关的电流是可以控制的，而反向流经开关的电流是不可控制的，就跟实际IGBT中的反并联二极管中流经的电流是相同的，虽然单个开关中存在电流不可控现象，但是并不影响开关单元对电流的控制。

图7-8 变换器基本拓扑单元以及开关轨迹(www.daowen.com)

不难发现，在变换器基本拓扑单元始终有无源器件电容和电感的参与，它们是变换器中换流分析中非常重要的因素。

首先来分析电感，电感是磁场储能元件，具有以下的性质：

1）电流不能突变。电感对任何电流变化趋势产生起阻碍作用的反电动势，即在参考方向相同的情况下，u=L·di/dt，其中L是电感值，u、i分别是电感电压和电流；

2）电感中储存能量为Li²/2，其中i是流过电感的电流值；

3）载流的电感不能瞬时开路，其所在支路必须有顺应其电流方向的阻抗适当的能量释放回路与之相并联，否则电感中储存的能量会因为瞬时开路而消失，不符合能量守恒定律，或者说在瞬时开路的瞬间，电感两端的电压将为无穷大（理想电感，理想开关）。

4）电感是无源器件，它不能够产生能量。

实际的电感器不能储存超过设计限度的能量，否则会因为饱和而失去原有的特性。在实际的电感器中，还存在导线电阻、匝间电容，使用铁磁材料磁芯的还有涡流损耗、磁滞损耗等非理想因素，而在将电感器作为理想电感考虑时，这些因素都被忽略。

可以认为电容器与电感器存在对偶关系，电容器具有以下性质：

1）电压不能突变。对任何电压变化的趋势产生起阻碍作用的反电流，即在参考电压相同的情况下，i=C·dv/dt，其中C是电容值，u、i分别是电容电压、电流；

2）电容中储存能量为Cu²/2，其中u是电容两端的电压；

3）承受电压的电容不能瞬时短路，其所在回路中必须有阻抗适当的能量释放元件与之串联，否则电容中储存的能量会因为瞬时短路而消失，不符合能量守恒定律，或者说在瞬时短路的瞬间，电容中流过的电流将为无穷大（理想电容，理想开关）。

4）电容是无源器件，也不能够产生能量。

实际的电容器不能储存超过设计限度的能量，否则会因为承受电压过高而失去原有特性。在实际的电容器中，还存在引线电感、电极间漏电电阻、电介质极化损耗等非理想特性，而在将电容器作为理想电容考虑时，这些因素都被忽略。相对于电感器，实际的电容器更接近于理想特性。

电感和电容都可以看成变换器中具有广泛意义的电压源和电流源。一般来说，电压源的输出电压不随着其流过的电流而改变，或者说，电压源的输出电压相对于其流过的电流来说变化非常缓慢，显然电压源不能短路，这些特性都与电容器的特性相似。从电工理论的角度来看，电压源可以视为有特定端电压-时间函数关系的无穷大电容。同理，电流源可以视为具有特定电流-时间函数关系的无穷大电感。则可以定义变换器中具有广泛意义的电压源和电流源，与足够大的电容并联的支路可以看成电压源，与足够大的电感串联的支路可以看成电流源。这里的“足够大”是保证在一小的时间段内电容的电压或者电感电流的变化非常小，即可以把它们看成直流电源。

图7-9 变换器基本拓扑 单元的换流形式

在这样的假设条件下，可以很容易地看出变换器基本拓扑单元的几种基本换流形式，如图7-9所示。当电流流出桥臂时，上桥臂的主动开关部分与下桥臂的反并联二极管之间构成换流；当电流流入桥臂时，上桥臂的反并联二极管与下桥臂主动开关部分之间构成换流。

而在功率单向流动的DC/DC变换器中，比如Buck变换器中，电流断续模式下还存在如图7-10所示的换流过程，即负载电流在二极管续流过程中降为零，此时二极管关断不是由于另外一个全控器件的开通而发生。这时桥臂输出点的电位既不等于高电平，也不等于零电平，而是由负载侧的电路情况决定。在实际的电压型逆变器中也存在类似的换流行为，如图7-11所示，当变换器桥臂处于死区状态，即两个全控器件都处于阻态，负载电流非常小（比如负载交流电流过零点附近）时，也存在二极管自然关断的现象，桥臂输出电位由负载侧电路决定，称作“零电流箝位”现象。

图7-10 Buck电路的电流断续 模式时的换流

图7-11 两电平变换器死区时 的零电流箝位

在理想拓扑结构和理想的电力半导体器件分析模式下，上面分析的电流断续而形成的二极管关断和普通换流模型下的没有物理过程的区别，因为前提是“理想的”。而在实际应用分析中，上面对应的情况显然是存在差别的。举例来说，在理想情况下是可以不考虑二极管的反向恢复特性，也就谈不上其对可控器件开通造成的附加电流情况。在真实变换器中，普通的可控器件和二极管的换流过程中，可控器件的开通时流过的电流峰值要大于负载电流；而二极管断续模式下，可控器件的开通电流中没有二极管反向恢复电流的影响，所以要更准确地分析电力半导体器件在变换器中的换流行为，一般要考虑器件的特性。