所分析的基于IGCT的三电平逆变器主电路示意图如图7-37所示（从后面分析可以知道该电路中部分电路细节没有给出），准确地说该电路是一个三相二极管箝位式三电平逆变器。按照前面的分析，其所接负载是三相的。在电力传动系统中，变换器输出接的是三相电动机；在逆变并网系统中，变换器输出接的是三相电网。它们的共同点是变换器输出接有较大的电感（定子电感或并网电抗器）。变换器的每个桥臂输出可以为三个不同的电平，在输出线电压中有五个电平。

对于如图7-37所示的三电平逆变器来说，具有以下一些突出的优点：

1）主电路中的每个开关器件承受一半的直流母线电压，可以实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。

2）由于电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形的畸变（THD）。

图7-37 基于IGCT的三电平逆变器 主电路示意图

3）可以以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同品质的输出电压波形，因而开关损耗较小，效率高。

4）由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，逆变器输出电压突变的台阶大大减小，使du/dt应力大大减小。

其中，“每个开关器件承受一半的直流母线电压”是该拓扑结构中的关键，也是后面分析中器件相互影响分析中重点关注的对象。

在此对变换器中的各个时间常数做简单的罗列。在电力半导体器件内部，载流子寿命在ps量级，组成的载流子导电行为在ns级；在逆变器中的器件之间的换流过程一般在μs级；而逆变器输出电流的时间常数约在ms级；电机或者电抗器等设备的温度时间常数一般在分钟至小时量级。其中逆变器中的换流行为是此节关注的重点，可以认为在换流过程时逆变器的桥臂输出电流的大小和方向不发生改变。同时假设不同桥臂之间的器件动作之间存在一定的间隔。这样就可以忽略负载与桥臂之间、桥臂和桥臂之间的相互影响。所以，该逆变器的一个桥臂成为此节分析中的主要对象。

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图7-38 三电平逆变器 中的一个桥臂

为表述方便，一个桥臂的示意图如图7-38所示，并自上而下定义四个IGCT的名称为T₁～T₄，桥臂输出点为A，直流母线中点为Z，则桥臂输出相电压U_AZ中存在三个电平。

对于三电平逆变器来说，换流过程等效分析相对较复杂，一个原因是桥臂中的可控器件逻辑增加，同时需要考虑三电平一个桥臂中四个开关的逻辑关系，该逻辑如表7-5所示。其中，四个开关的状态只能在表内上下相邻的状态之间切换。为了表达方便，用四个由0和1组成的序列依次表征T₁、T₂、T₃和T₄的开通和关断状态。则三电平之间的开关逻辑切换，发生1100和0110，0110和0011之间的切换（包含了死区过程），而不能使用1100到0011的切换，这种输出电平从最高到最低之间的切换，丧失三电平拓扑结构的优点，导致输出du/dt过高，换流过程承担过大电压等。

穷举桥臂中开关状态的切换过程和桥臂输出电流正负的组合，存在四种基本换流过程，分别对应四个开关器件的开通/关断电流行为，其中T₁参与的换流过程为1100⇔0100⇔0110，输出电流方向为正。此过程中，T₃中无电流，0100⇔0110不影响换流过程，换流回路示意图如图7-39a所示。图中的“增加”和“减小”是从左边稳态到右边稳态时的电流过渡情况，如果是从右边到左边，则互换。同理，其他三种换流过程示意图如图7-39b～d所示，分别对应了T₂～T₄中开通/关断电流的换流过程。

表7-5 三电平开关逻辑（1：通，0：断）

这些换流过程看似复杂繁琐，其实存在一定的规律或者分析方法。从换流的初始和最终状态看，当桥臂中的电流处于稳态时，从逆变器的直流母线到负载有一条通路流经电流。初始和最终状态的电流通路不同，则换流过程表现为两个通路中电流的此消彼长。所以，分析并判断初始和最终状态的电流通路就非常重要。由于这里只给出了逆变器的部分电路，基于整个电路分析的方式在这里并不适用，这里可以使用比较简单的办法。举例来说，在图7-39a中的初始状态，即1100状态下，如果不考虑直流母线三个点之间的电位差，从直流母线的上端、中端和下端都存在让电流流到桥臂输出点的通路，而实际电路中，电流是从上端流向输出点的。在这样的电路分析中，是可以认为电流从更高电位的流出。同样在图7-39d的最终状态，即0011状态下，不考虑电位差，桥臂输出点流向母线各个点都存在通路，实际中是可以简单认为电流流向更低电位的节点。当然，在一些情况下，如图7-39c中最终状态，即0011状态下，只存在一条通路使电流从直流母线流向输出点，那就是实际的电流通路。当然，这种分析方法是在合理的主电路暂态过程时间常数假设前提下成立的。电流通路的判断和分析是变换器拓扑结构分析中非常重要的一项内容。

图7-39 三电平逆变器中的四种换流方式