高频环节逆变器是应用电力半导体器件将直流电能变换成交流电能并且具有20kHz以上高频电气隔离的一类静止变流装置，在以直流发电机、蓄电池等为主直流电源的二次电能逆变场合具有重要的应用价值。《高频环节逆变器》按变换器的拓扑结构性质、连接方式、模块数和相数划分方式，提出并系统深入地论述级联直流变换器型、级联直流斩波器型、单级周波变换器型、差动直流变换器型、差动直流斩波器型、并联与三相高频环节逆变器以及输入直流与输出交流滤波器、控制和驱动缓冲电路。《高频环节逆变器》集新概念、系统性、理论性和工程性于一体，是一本内容翔实、理论与工程紧密结合的著作。

第1章 绪论
　　1.1 引言
　　1.1.1 电力电子变换的类型 图1-1 电力电子学与其他学科的关系 电力电子学(power electronics)是电力学(发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络)、电子学(各种电子器件和处理信息的电子电路)和控制理论(模拟控制和数字控制理论)三者结合的新兴交叉学科，如图1-1所示。
　　自1957年美国通用电气公司发明晶闸管器件至今已有60多年，电力电子学在器件、电路、装置与应用诸方面均取得很大的发展。
　　按照供电电源和用电负载的种类，电力电子变换器可分为DC-DC变换器、AC-DC变换器、DC-AC逆变器和AC-AC变换器四类，如图1-2所示。通过直流电动机-交流发电机组来实现这种电能的逆变，则称为旋转变流机；通过电力半导体器件来实现这种电能的逆变，则称为静止变流器。静止变流器在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均比旋转变流机优越，故静止变流器必将并且正在逐步取代旋转变流机。
　　图1-2 电力电子变换的类型
　　DC指直流，AC指交流
　　1.1.2 逆变器的类型
　　逆变器的种类繁多，但大致可按照交流输出能量去向、功率流动方向、输入直流电源性质、输出与输入电气隔离、电路拓扑结构、组成功率电路的器件、占空比调制方式、输出交流电压电平、输出交流电压波形、输出交流电相数、输出交流电频率、功率开关工作方式、输入直流电源的路数等方面加以分类，如图1-3所示。
　　图1-3 逆变器种类
　　SCR指逆阻型晶闸管，GTR指双极结型晶体管，GTO指可关断晶闸管，MOSFET指金属-氧化物半导体场效应晶体管，IGBT指绝缘门极双极型晶体管，IGCT指集成门极换流晶闸管
　　1.1.3 何谓高频环节逆变器
　　逆变器中的变压器起到输出与输入电压匹配和电气隔离的作用。如果变压器的工作频率等于输出电压频率，如工频50Hz、400Hz，那么这类逆变器称为低频环节逆变器，或低频环逆变器、低频链逆变器；如果变压器的工作频率高于输出电压频率，一般为音频20kHz以上，那么这类逆变器称为高频环节逆变器，或高频环逆变器、高频链逆变器。
　　而非电气隔离型逆变器通常可看成电气隔离型逆变器在变压器匝比等于1:1的特殊情形。下面以此划分来论述逆变技术的现状与发展[1，2]。
　　1.2 逆变技术的现状与发展
　　1.2.1 低频环节逆变器
　　矩形波、阶梯波合成、正弦脉宽调制波逆变器的共同特点是，用来实现电气隔离和调整电压比的变压器的工作频率等于输出电压频率，其体积和重量大，音频噪声也大，故称为低频环节逆变器。低频环节逆变器的电路结构由逆变电路、工频变压器以及输入、输出滤波器构成，如图1-4所示。图1-4中的输出滤波电感也可与工频变压器的原边绕组串接，如此还可吸收工频变压器的原边漏感。
　　图1-4 低频环节逆变器电路结构
　　LFAC指低频交流
　　需要强调的是，本书的“单级功率变换”是指一个完整的直流-直流(DC-DC)变换器、直流-交流(DC-AC)变换器，是由单个或多个单元变换组成的。例如，一个完整的DC-DC变换器既可看成单级功率变换，也可看成由单个DC-AC单元变换和单个AC-DC单元变换的级联；一个完整的DC-AC变换器既可看成单级功率变换，也可看成单个DC-AC单元变换。
　　1.矩形波逆变器
　　矩形波逆变器的输出电压为矩形波，是*简单、出现*早的一种逆变器，其电路拓扑主要有推挽式、半桥式和全桥式三种。
　　矩形波逆变器具有如下特点：①拓扑结构简洁，单级功率变换(DC-LFAC)即一单元功率变换，双向功率流，变换效率高；②功率器件开关频率等于输出电压频率；③工频变压器的体积、重量大；④脉宽等于180°的矩形波，即方波的输出电压总谐波畸变(THD)达48%，输出滤波器的体积和重量大；⑤对于电源电压和负载的波动，系统的动态响应特性差；⑥变压器和输出滤波电感的音频噪声大；⑦为了确保输出电压不超过负载额定电压，应采用输出电压有效值而不是平均值反馈控制策略。
　　2.阶梯波合成逆变器
　　为了降低矩形波逆变器输出波形的谐波含量，可将多个矩形波逆变器进行移相叠加，从而构成阶梯波合成逆变器。阶梯波的阶高按正弦规律变化，若每个周期阶梯波的阶梯数为2N，则需要N台单相方波逆变器或N/3台三相方波逆变器。每个单相功率电路相同，可采用推挽、桥式或三相桥式电路。
　　阶梯波合成逆变器具有如下特点：①拓扑结构复杂、功率开关数多，单级功率变换即一单元功率变换、双向功率流、变换效率高；②功率器件的开关频率等于输出电压频率，开关损耗小；③工频变压器的体积、重量大；④输出电压THD和输出滤波器的体积、重量较大，如阶梯数为18时，THD为9.48%；⑤对于电源电压和负载的波动，系统动态响应特性较差；⑥变压器和输出滤波电感的音频噪声较大；⑦逆变器输出电压的调节难度较大，整机的体积、重量仍较大。
　　3.正弦脉宽调制逆变器
　　阶梯波合成逆变器改善了输出电压波形质量，但同时增加了拓扑结构的复杂程度。正弦参考波与高频三角形载波交截生成的正弦脉宽调制信号用来控制驱动逆变桥的功率开关，逆变器就可输出谐波含量小的正弦脉宽调制电压。如果合理地解决功率器件的开关损耗，那么正弦脉宽调制逆变器将同时兼有矩形波逆变器和阶梯波合成逆变器二者之优点。
　　正弦脉宽调制逆变器具有如下特点：①拓扑结构简洁，单级功率变换即一单元功率变换，双向功率流，变换效率高；②变压器仍工作在工频，体积大且笨重，其体积和重量仅与输出电压频率有关，与逆变器的开关频率无关；③输出电压THD和输出滤波器的体积、重量小；④对于电源电压和负载的波动，系统的动态响应特性快；⑤变压器和输出滤波电感的音频噪声小；⑥功率器件的开关频率高，开关损耗增加，降低了变换效率。
　　1.2.2 高频环节逆变器
　　为了克服低频环节逆变器的缺陷，文献[3]提出了可变高频环节逆变器新概念。该电路拓扑由并联逆变电路和十二个晶闸管组成的周波变换电路构成，具有简单的自适应换流、高频电气隔离、*立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限工作能力等优点，如图1-5所示。受当时电力半导体器件的限制，谐振储能电路工作频率局限在2～4kHz范围，未完全体现出高频环节逆变器的优越性。
　　图1-5 可变高频环节逆变器电路拓扑
　　用高频变压器替代低频环节逆变器的工频变压器，有效克服了低频环节逆变器存在的体积与重量大、变压器铜铁用量大、音频噪声大、成本高，以及非隔离型逆变器存在的输出与输入无隔离、电压增益小、电磁干扰严重、用电安全性弱等缺陷，显著提高了逆变器的特性。因此，高频环节逆变器会引起人们浓厚的研究兴趣，并取得显著的研究成果。随着铜、铁原材料和能源的日益紧张及其价格的急剧增长，高频环节逆变器越来越展现出*特的优势，在电气、电子通信、新能源发电等工业领域和航空、航天、航海等国防领域均具有重要应用价值。
　　按照功率传输的方向，高频环节逆变器可分为单向功率流型(unidirectional power flow type)和双向功率流型(bi-directional power flow type)两类；按照功率变换器的连接方式，高频环节逆变器可分为级联式(cascade type)、*立式(stand alone type)、差动式或差分式(differential type)三类；按照功率变换的级数，高频环节逆变器可分为两级(two-stage)、准两级(quasi two-stage)和单级(single-stage)三类；按照变换器的拓扑结构性质，高频环节逆变器可分为降压型(Buck type)即电压源(voltage source)、升压型(Boost type)即电流源(current source)、升降压型(Buck-Boost type)三类，或直流变换器型(DC-DC converter type)、直流斩波器型(DC-DC chopper type)和周波变换器型(cycloconverter type)三类，其中直流变换器型、直流斩波器型高频环节逆变器又可分为级联式和差动式两类；按照输入电源的路数，高频环节逆变器可分为单输入源型(single-input source type)和多输入源型(multi-input source type)两类。由此可见，高频环节逆变器的种类颇多，划分起来也较复杂。对此，本书将高频环节逆变器细分为级联直流变换器型、级联直流斩波器型、单级周波变换器型、差动直流变换器型和差动直流斩波器型五类。
　　1.级联直流变换器Buck型高频环节逆变器
　　级联直流变换器Buck型高频环节逆变器是在直流电源和Buck型DC-AC变换器之间加入一级隔离型单向直流变换器，即由隔离型单向直流变换器与Buck型DC-AC变换器两级级联构成，使用高频变压器实现电压比调整和电气隔离，省掉了体积庞大且笨重的工频输出变压器，降低了音频噪声，其拓扑结构和控制策略如图1-6所示[4-10]。前置直流变换器将输入电源电压Ui变换成后级所需的直流电压Udc，后置Buck型DC-AC变换器通过三态准PWM(脉宽调制)电流滞环或SPWM(正弦脉宽调制)控制再将直流电压Udc变换成负载所需的正弦交流电压uo。这类逆变器的拓扑性质是由后置Buck型DC-AC变换器决定的，与前置直流变换器无关，故称为“Buck型”或“电压型”。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 电力电子变换的类型 1
1.1.2 逆变器的类型 2
1.1.3 何谓高频环节逆变器 3
1.2 逆变技术的现状与发展 3
1.2.1 低频环节逆变器 3
1.2.2 高频环节逆变器 5
1.2.3 逆变器的相关技术 16
1.3 逆变器的技术指标与应用领域 18
1.3.1 逆变器的技术指标 18
1.3.2 逆变器的应用领域 19
本章小结 20
第2章 级联直流变换器Buck型高频环节逆变器 21
2.1 引言 21
2.2 级联直流变换器Buck型高频环节逆变器电路结构与拓扑族 21
2.2.1 电路结构 21
2.2.2 电路拓扑族 22
2.3 级联直流变换器Buck型高频环节逆变器控制策略 26
2.3.1 电压型控制策略 26
2.3.2 电流型控制策略 27
2.4 前级DC-DC变换器的稳态原理特性 30
2.4.1 Buck型DC-DC变换器 30
2.4.2 Boost型DC-DC变换器 35
2.4.3 Buck-Boost型DC-DC变换器 39
2.4.4 Boost-Buck型DC-DC变换器 41
2.4.5 Zeta型、Sepic型DC-DC变换器 43
2.4.6 前置DC-DC变换器的性能比较 46
2.5 后级Buck型DC-AC变换器稳态原理特性 46
2.5.1 后级Buck型DC-AC变换器的稳态原理 46
2.5.2 后级Buck型DC-AC变换器输出外特性 49
2.6 1kVA级联直流变换器Buck型高频环节逆变装置实验 52
2.6.1 逆变装置构成 52
2.6.2 逆变装置实验 57
本章小结 59
第3章 级联Buck和Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器 60
3.1 引言 60
3.2 级联单向Buck和Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器 60
3.2.1 电路结构与拓扑族 60
3.2.2 控制策略 64
3.2.3 仿真分析 64
3.3 级联双向Buck和Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器 65
3.3.1 电路结构与拓扑族 65
3.3.2 控制策略 69
3.4 并接反激式能量回馈电路的级联单向直流变换器型
高频环节逆变器 69
3.4.1 电路结构与拓扑族 69
3.4.2 控制策略 70
3.4.3 稳态原理与关键电路参数设计准则 73
3.5 3kVA级联Buck直流变换器型高频环节逆变装置实验 74
本章小结 75
第4章 级联Buck直流斩波器型高频环节逆变器 77
4.1 引言 77
4.2 级联Buck直流斩波器型高频环节逆变器电路结构与拓扑族 77
4.2.1 电路结构 77
4.2.2 电路拓扑族 78
4.2.3 高频脉冲直流电压占空比的扩展方法 80
4.3 级联Buck直流斩波器型高频环节逆变器的控制策略 81
4.3.1 隔离Buck直流斩波器的控制策略 81
4.3.2 Buck型DC-AC变换器的三态DPM电流滞环控制策略 81
4.4 级联Buck直流斩波器型高频环节逆变器原理特性 83
4.4.1 稳态原理分析 83
4.4.2 大信号特性 86
4.5 级联Buck直流斩波器型高频环节逆变器关键电路参数设计 91
4.5.1 隔离Buck型直流斩波器 91
4.5.2 三态DPM DC-AC变换器 97
4.6 750VA级联Buck直流斩波器型高频环节逆变装置实验 99
4.6.1 逆变装置构成 99
4.6.2 功率电路参数设计 102
4.6.3 逆变装置实验 106
本章小结 108
第5章 单级Buck和Boost周波变换器型高频环节逆变器 110
5.1 引言 110
5.2 单级Buck周波变换器型高频环节逆变器电路结构与拓扑族 110
5.2.1 电路结构 110
5.2.2 电路拓扑族 111
5.3 双极性移相控制单级Buck周波变换器型高频环节逆变器 112
5.3.1 双极性移相控制策略 112
5.3.2 稳态原理特性 114
5.3.3 仿真与实验 122
5.4 单极性移相控制单级Buck周波变换器型高频环节逆变器 125
5.4.1 单极性移相控制策略 125
5.4.2 稳态原理特性 127
5.4.3 逆变装置实验 133
5.4.4 单级周波变换器型高频环节逆变器构成的离线式不间断电源系统 135
5.5 单级Boost周波变换器型高频环节逆变器 135
5.5.1 电路结构与拓扑族 135
5.5.2 电压瞬时值反馈移相控制策略 136
5.5.3 稳态原理分析 138
5.5.4 仿真分析 141
本章小结 143
第6章 单级Buck-Boost周波变换器型高频环节逆变器 144
6.1 引言 144
6.2 单级Buck-Boost周波变换器型高频环节逆变器电路结构与拓扑族 144
6.2.1 电路结构 144
6.2.2 电路拓扑族 145
6.3 单级Buck-Boost周波变换器型高频环节逆变器稳态原理特性 146
6.3.1 稳态原理分析 146
6.3.2 输出外特性 147
6.3.3 储能式变压器的磁芯工作状态 151
6.4 具有四种工作模式选择的电压瞬时值反馈SPWM控制策略 151
6.4.1 控制方案的确定 151
6.4.2 电压瞬时值反馈SPWM控制策略 152
6.5 单级Buck-Boost周波变换器型高频环节逆变器的关键电路参数
设计 154
6.5.1 高频储能式变压器 154
6.5.2 功率开关电压与电流应力 154
6.5.3 输出滤波电容Cf 154
6.5.4 *大等效占空比Dmax 156
6.6 250VA单级Buck-Boost周波变换器型高频环节逆变装置实验 156
6.6.1 逆变装置构成 156
6.6.2 逆变装置实验 156
本章小结 158
第7章 差动直流变换器型高频环节逆变器 159
7.1 引言 159
7.2 差动直流变换器型高频环节逆变器的构成原理与工作方式 159
7.2.1 构成原理 159
7.2.2 工作与控制方式 160
7.3 差动Buck直流变换器型高频环节逆变器 163
7.3.1 电路结构与拓扑族 163
7.3.2 控制策略 165
7.3.3 稳态原理特性 168
7.4 差动Boost直流变换器型高频环节逆变器 173
7.4.1 电路结构与拓扑族 173
7.4.2 控制策略 175
7.4.3 稳态原理特性 176
7.4.4 若干关键问题的讨论 180
7.4.5 逆变装置实验 184
7.5 差动Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器 186
7.5.1 电路结构与拓扑族 186
7.5.2 控制策略 187
7.5.3 稳态原理特性 188
7.5.4 逆变装置实验 192
本章小结 194
第8章 差动Buck直流斩波器型高频环节逆变器 195
8.1 引言 195
8.2 差动Buck直流斩波器型高频环节逆变器电路结构与拓扑族 195
8.2.1 电路结构 195
8.2.2 电路拓扑族 196
8.3 差动Buck直流斩波器型高频环节逆变器控制策略 198
8.3.1 控制策略的选择 198
8.3.2 两种电流瞬时值反馈控制策略 199
8.4 差动Buck直流斩波器型高频环节逆变器稳态原理特性 200
8.4.1 低频输出稳态分析 200
8.4.2 高频开关工作过程分析 204
8.4.3 输出外特性 211
8.4.4 若干关键问题的讨论 211
8.5 1kVA差动Buck直流斩波器型高频环节逆变装置实验 215
8.5.1 逆变装置构成 215
8.5.2 功率电路参数设计 217
8.5.3 逆变装置实验 220
本章小结 222
第9章 差动Buck-Boost直流斩波器型高频环节逆变器 223
9.1 引言 223
9.2 差动Buck-Boost直流斩波器型高频环节逆变器电路结构与拓扑族 223
9.2.1 电路结构 223
9.2.2 电路拓扑族 224
9.3 电压瞬时值反馈分时半波SPWM控制策略 226
9.3.1 控制策略的选择 226
9.3.2 电压瞬时值反馈分时半波SPWM控制策略 226
9.4 差动Buck-Boost直流斩波器型高频环节逆变器稳态原理特性 228
9.4.1 低频输出稳态分析 228
9.4.2 高频开关工作过程分析 231
9.4.3 输出外特性 234
9.5 差动Buck-Boost直流斩波器型高频环节逆变器的关键电路参数设计 235
9.5.1 功率电路 235
9.5.2 Buck型有源箝位电路 237
9.6 1kVA差动Buck-Boost直流斩波器型高频环节逆变装置实验 238
9.6.1 逆变装置构成 238
9.6.2 逆变装置实验 240
本章小结 241
第10章 并联和三相高频环节逆变器 242
10.1 引言 242
10.2 并联高频环节逆变器 242
10.2.1 不均流的产生原因与抑制 242
10.2.2 并联逆变器的均流方式 245
10.2.3 并联逆变器的均流电路与同步 250
10.3 三相高频环节逆变器电路结构与拓扑族 251
10.3.1 级联直流变换器Buck型 251
10.3.2 单级周波变换器型 252
10.3.3 组合型 253
10.4 具有三相三线制输出的高频环节逆变器 255
10.4.1 全桥Buck型三相矩形波调制DC-AC变换电路 255
10.4.2 全桥Buck型三相SPWM DC-AC变换器 257
10.5 具有三相四线制输出的三相高频环节逆变器 259
10.5.1 负载侧并接中点形成变压器 259
10.5.2 直流侧并接中点形成电容桥臂 259
10.5.3 直流侧并接中点形成开关桥臂 260
10.5.4 三个单相逆变电路的负载端连成公共端 262
10.6 3kVA三态DPM电流滞环控制级联Buck直流斩波器型三相/单相并联高频环节逆变装置实验 264
10.6.1 逆变装置的构成 264
10.6.2 功率电路参数的设计 267
10.6.3 3kVA 27DC/200V400HzAC三相/单相并联逆变装置实验 271
本章小结 276
第11章 输入直流与输出交流滤波器 277
11.1 引言 277
11.2 输入直流滤波器 277
11.2.1 单级LC输入直流滤波器 277
11.2.2 电容输入直流滤波器 27