如前所述，将基于理想器件和理想拓扑结构的拓扑单元用于实际分析中，具有许多明显的缺陷，这些缺陷的产生主要是因为对电力半导体器件的理想化造成的，即忽略了电力半导体器件的应用特性。从前面的分析可知，其应用特性不但体现在自己体内的PN结特性和PN结与PN结相互作用特性，还体现为器件内部PN结与外界条件之间相互作用，即与变换器中其他元件之间的作用。相对于理想器件的叙述，将电力半导体器件的应用特性简单修改如下：

1）通态时，其流通的电流工作在限制的范围内，两端压降与流经电流相关，一般来说其值很小，称之为通态压降。

2）阻态时，其两端承受的电压工作在限制的范围内，其漏电流与两端承受电压相关，一般来说其值很小，称之为阻态漏电流。

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一定的时间内按照一定的规律变化降为通态压降。

4）关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流通电流在一定的时间内按照一定的规律变化降为阻态漏电流。

5）无论通态或者阻态，其维持时间宽度不能为无限小，即电力半导体器件开通后不能马上关断或者关断后马上开通，这主要是受半导体器件恢复特性和外围电路的影响。

6）开关器件两端承受电压以及流通电流的变化率必须受一定的限制，即开关器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。

根据对开关器件特性的修改，可以进一步推出基于半导体器件特性的基本拓扑单元应具有以下几点性质：

1）开关单元输入或者输出的电压或者电流，以及它们的变化率，必须在额定的范围内。

2）两个开关为互锁关系，不能造成电压源短路或者电流源开路的情况。

3）因为开关的开通和关断需要一定的时间，则两开关的开通存在一定的“死区”。

4）因为开关器件存在最小通态和断态时间，则基本拓扑单元控制存在最小脉宽。

5）两个开关的动态特性相互影响不同。

根据变换器拓扑单元中电能流动的情况，变换器中的一些主要换流形式可以罗列如下：

1）在电压型变换器中，大部分换流可以看做有源开关器件（可控器件）和无源开关器件（二极管）成对工作，有源开关器件的开通和关断的暂态过程伴随着无源开关器件的关断和开通的暂态过程，此时二极管的反、正向恢复特性将对有源开关器件的开通电流和关断电压产生影响。在有源开关器件开通的时候，可以认为其两端电压按照一定的规律在一定的时间内降为导通压降，此时伴随着二极管的关断，即有源器件的开通和二极管的关断特性（包括反向恢复特性）同时对换流过程产生影响。当有源开关关断的时候，可以认为其流通电流按照一定规律在一定的时间内降为阻态漏电流，此时伴随着二极管的开通，同样两者的特性同时影响了变换器的换流行为。因此在对变换器桥臂的外围电路（比如吸收电路）进行设计时，要综合考虑有源开关器件和二极管的特性，不能单单考虑有源开关器件自己的特性。

2）当变换器的一桥臂输出电流很小时，换流过程存在二极管中的电流自然降到零的现象，可以认为二极管自然关断，此时二极管的暂态行为对全控器件的影响一般很小。

3）在电压型变换器中，当一桥臂输出电流发生了方向改变，可能发生全控开关器件与其反并联二极管之间的换流。对于不同类型的器件，这种换流行为存在差异。

图7-12 IGBT变换器中的 输出电流换向(www.daowen.com)

例如图7-12所示的基于IGBT的变换器中，当上桥臂的IGBT保持开通，下桥臂的IGBT保持关断，桥臂输出电流从流出变为流入时，电流从IGBT的主管部分换到了反并联二极管中，反之从反并联二极管换到了主管中。下桥臂的IGBT的导通过程也存在类似的情况。

而在如图7-13所示的基于GTO的变换器中，当上桥臂的GTO保持开通，下桥臂的GTO保持关断，桥臂输出电流从流出变为流入时，电流从GTO的主管部分换到了反并联二极管中，这与IGBT变换器保持一致。可当电流从流入变为流出时，则有所不同。由于GTO的通态呈现典型的4层3结器件特性，在没有足够的电流流过时，其会自然关断。而其门极是电流脉冲触发控制，一般门极电路在触发时刻过后对GTO的导通没有维持电流作用。所以当电流流入时，上桥臂的GTO控制上认为是导通状态，而实际上主管没有电流流过，也不承担电压，是一种不完全导通状态。当负载电流从流入变为流出且电流变化率较大时，GTO的这种状态就无法满足从反并联二极管到主管的换流行为，而使变换器的换流变得复杂，会造成变换器的输出电平非控制所需，甚至会造成故障。一种可行的解决方法是在输出电流换向的时候，对控制认为已经“导通”的GTO再进行一次开通触发，保障电流的顺利流过。在IGCT中，在一定电流变化率限制下，这种“再触发”功能由其门极集成电路自动完成，“再触发”的需求不仅仅发生在电流换流时，在其他情况下也有所需要，这在后面章节中有具体分析。为什么IGBT变换器中不需要“再触发”，这是与IGBT特性有密切关系。简单地说，IGBT的栅极是电平触发，当控制其导通并维持其导通电平时，IGBT的主管部分都可以认为是有导通能力的，跟其是否有流经电流没有关系。

图7-13 GTO变换器中的输出电流换向

4）而在具有MOSFET的变换器中，还存在另外一种反并联二极管与主管之间的换流。在前面的章节已经分析过，MOSFET的通态是靠其体内形成的导电沟道来导电的，该导电沟道中的电流是可以双向流通的，这与IGBT和IGCT等器件不同，它们的主管是不允许电流反向流通的。

在图7-14a所示的MOSFET的Buck电路中，增加一个MOSFET来取代原来的负载续流二极管，若新增的MOSFET，即T₂保持关断，则整个变换器的换流与原变换器几乎没有区别。在前面章节中给出了MOSFET的各导通状态情况示意图，重画如图7-14b所示。根据图7-14a当T₂的反并联二极管续流时，触发T₂导通，可能存在电流从反并联二极管到反并联二极管+MOSFET主管这样一种换流过程，即当T₂触发导通后，电流在主管和反并联二极管之间进行了重新分配，两者电流的比例取决于所采用MOSFET的具体参数。此时MOSFET的反向导通是单极型的沟道特性与双极型二极管特性的分段组合。当然这种分段组合在低压大电流的功率MOSFET中体现的比较明显，此时沟道区电阻阻值相对较低，在较宽的电流范围形成的压降比PN结的压降要小；对于一些高承压的MOSFET，沟道电阻阻值比较大，仅在非常窄的电流范围内形成的压降比PN结的压降小，几乎看不出分段组合。所以这种方式在低压大电流的功率MOSFET中使用的较多。进一步分析还发现，这种换流方式还可以改变二极管反向恢复过程的影响，因为MOSFET的沟道导电的几乎没有恢复过程。同时这里利用了T₂的反向导电情况，当负载电流衰减到零并换向时，T₂的正向导电特性也要参与到变换器的换流行为中，影响到变换器的断续工作模式，具体分析请参考MOS-FET的同步整流技术。在此不作详细分析。

图7-14 MOSFET的正反向导通特性应用

5）在电流型变换器中，大部分的换流发生在全控开关器件之间，同时也存在器件在电流断续模型的关断。在此不做分析。

上面只是列出变换器中部分换流情况，还存在一些更复杂的换流行为，无法一一列举。但它们的共同点是跟所使用的器件的特性存在密切联系，即使在相同的拓扑结构和控制下，不同器件组成变换器的换流行为也可能是不同的。除了器件特性对变换器中的换流行为有明显影响，变换器的其他元素同样十分重要，包括控制参数、机械结构、温度、杂散参数、吸收电路和负载特性等。

在更准确的变换器换流行为分析中，变换器的拓扑结构的非理想化是重要因素。从电磁能量变换的角度来看，由于电磁能量变换的过渡过程以及器件与连接件的非线性因素（变换时间、杂散参数、磁饱和等）的影响，每一个系统的瞬间换流拓扑都是不一样的。如要准确描述一个典型的二极管箝位型的三电平变换器瞬态换流过程，不但必须考虑非理想开关器件的过渡过程还要考虑那些在理想拓扑结构中被忽略的连接元件分布参数，如图7-15所示。鉴于电路拓扑和结构对称性，这里只给出两个桥臂的等效电路。为了电路的简洁性，图中仅包含各计算单元母排的自感。由图可见，同一桥臂中的开关器件，其开关过程中对应的换流回路是不一样的，所经历的杂散参数不同。不同桥臂但同一位置的开关器件的换流回路不同，所经历的杂散参数也不相同。正是由于这些杂散参数的存在，使得开关器件上的开通关断电压和电流波形发生了改变。例如图7-16为不考虑杂散参数的器件的关断过程仿真波形，图7-17给出实际变换器在对应的相同母线电压和负载电流时的开关器件关断电压电流波形。两图存在较大的差异。由此看，摆脱理想器件和集中参数的束缚，引进分布参数和瞬态回路的概念，从电磁能量的角度进行换流行为的描述将是电力电子变换器研究的深化课题。

图7-15 实际IGCT三电平逆变器的换流回路分析

图7-16 没有杂散电感影响的仿真波形

图7-17 IGCT关断实验波形