逆变器是新能源应用领域的重要研究课题之一,亦是交通领域如车载电源列车供电系统的研究热点。离网型逆变器是并网型逆变器、光伏发电系统的核心组成部分。现阶段,无论功率级别和电压级别,实现电压逆变的应用几乎全部采用全桥拓扑。由于全桥拓扑存在一些固有缺点,如开关管数量较多;组成逆变桥的浮地开关不易驱动;必须加入使高低端开关管同时关断的死区时间,防止直通导致输入源短路;需加入吸收电路或有源钳位电路抑制寄生电感引起的浪涌电压,以释放开关管电压应力,因此逆变拓扑的改进和研究具有重要的理论意义和实际意义本文改进了创始于上世纪70年代、极少受到关注的Watkins-Johnson(WJ)拓扑,从拓扑层面解决了全桥作为逆变拓扑存在的问题,首次将WJ拓扑推送至DC/AC逆变领域,改变了WJ拓扑仅用于DC/DC变换器的现状,为逆变拓扑族加入了新成员。通过对原生WJ拓扑的改进,使其具有以下优点:功率开关数量少低端开关管易于驱动;两开关交替导通,无需死区时间;能够实现能量向输入源的回馈。本文涉及WJ拓扑的改进方法,以及改进型WJ拓扑在逆变领域的应用,取得的主要研究成果如下首先,通过电感耦合化和开关低端化方式对原生WJ拓扑进行改进与优化,稳态分析得到输入至输出的稳态传递函数,以及描述电感平均电流和负载电流的关系;小信号分析采用状态空间平均模型的分析方法,得到小信号模型及其标准形式,为小信号传递函数和端口阻抗的计算提供了理论依据;此外,讨论了非理想参数、不同导通模式带来的偏差其次,将改进型WJ拓扑应用于高频链逆变级,实现隔离型逆变器高压直流母线后的电压逆变过程。分别讨论了开环控制和闭环控制,前者推导出了纯正弦输出所需的占空比函数,后者构建闭环模型并设计了环路补偿电路。采用Middlebrook附加元件定理辅助输入滤波器设计,并研究了耦合电感的磁设计。由于改进型WJ拓扑依然存在开关管电压应力较高的缺点,因此它适用于低电压级别、低功率的逆变应用再次,提出了传递函数到拓扑(TF2T)的理论体系,定义基本拓扑集、扩充拓扑集、衍生拓扑集、拓扑算子、衍生算子等概念和衍生拓扑的优化方法。将传统开关电源分析方法倒置,理论上可由任意构建的稳态传递函数得到电路拓扑最后,采用TF2T方法遍历二目串联型拓扑,得到并命名L3拓扑,它是单级非隔离升压型逆变拓扑。与传统前级升压、后级逆变的双级式非隔离拓扑不同,它无需大容量的直流链电容维持直流母线电压的稳定,而是采用脉冲链电容的方式实现高频电压的接力,具有提高变换器效率、降低电路复杂度的优点。为了输出高于输入电压的纯正弦波,分别研究了适用于L3拓扑的开环和闭环控制方式。L3拓扑理论上能够输出任意幅值的正弦波,但非理想参数限制了它的输出范围,造成输出波形的失真,因此L3逆变器适用于低升压比、低功率的非隔离逆变应用。论文针对高频链逆变级和L3逆变器分别搭建了实验原型电路,用于波形采集、数据分析,验证了文中所提方法的有效性。最后,对全文工作进行了总结,对需要进一步需要研究的工作提出了建议。本文共包含图114幅,表3个,公式232个,参考文献139篇。