1.1 两级式单相变换器的应用

1.1.1 单相变换器的应用

随着电力电子技术的发展，电力电子变换器已广泛应用于各种电能变换场合。作为交流电和直流电之间的电能变换接口，DC-AC逆变器和AC-DC变换器在新能源（太阳能、风能等）发电、航空航天、轨道交通、车载电气系统和发光二极管（Lighting Emitter Diode，LED）照明等场合得到大量应用。下文以新能源发电系统、电动汽车电气系统、多电飞机电力系统和LED照明系统为例，介绍DC-AC逆变器和AC-DC变换器的重要作用。

1.新能源发电系统

随着人类社会的快速发展，人们对能源的需求和依赖日益增长。传统化石能源（包括煤、石油和天然气等）储量有限，在开发和使用过程中带来了严重的环境污染问题。为了缓解能源紧缺和环境污染，光伏和风力发电等新能源发电正在快速发展[1]。

图1.1给出了一种典型的基于交流母线的新能源分布式发电系统结构图[2,3]。由于太阳能、风能等可再生能源受自然环境影响较大，具有较强的随机性、波动性和间歇性，因此需要加入储能单元（如飞轮、蓄电池、超级电容等），以起到“削峰填谷”的作用，实现电能的稳定供给。电力电子变换器是整个供电系统的重要组成部分，其中，DC-AC逆变器用来将光伏电池产生的直流电能转化为交流电能并馈入交流母线；而AC-DC-AC变换器则用来将风机发出的交流电能转换为特定频率和电压等级的交流电能，以馈入交流母线；蓄电池、超级电容或飞轮储能单元经过DC-AC逆变器或AC-DC-AC变换器连接至交流母线，以实现能量的储存和释放。类似地，在基于直流母线的新能源发电系统中，也需要用到大量DC-AC逆变器和AC-DC变换器。从图1.1可以看出，DC-AC逆变器和AC-DC变换器是交/直流发电单元和交流电网间的重要接口，对新能源发电系统的安全、稳定和高质量运行具有十分重要的作用。

2.电动汽车电气系统

相比于传统内燃机汽车，电动汽车成为了高燃料效益和低排放的代名词，对缓解环境污染和能源危机具有深远的影响。电动汽车需要具有极高的经济性、安全性和可靠性，其技术的发展在许多方面面临挑战，这里包括了复杂的车载电气系统。

图1.2给出了电动汽车电气系统的示意图[4]。在电动汽车中，储能电池的电压变化范围较宽，为200～500V。而一般市电为110V或者220V交流电。为了给蓄电池充电，需要用到AC-DC变换器，以将交流电转化为直流电。为了驱动汽车牵引系统，需要用到DC-AC逆变器，用来将蓄电池的200~500V直流电变换为交流电。显然，DC-AC逆变器和AC-DC变换器是电动汽车电气系统的核心部件，对电动汽车的正常工作起着关键作用。

3.多电飞机电力系统

传统飞机中的二次能源包括电能、液压能和气压能等。与液压能和气压能相比，电能具有更高效、更易于传输和调控等优点。将液压能和气压能逐步用电能替代，可减小飞机的体积和重量，提高飞机的可靠性和燃油利用率。这样，电能将在二次能源中占据主要地位，这就形成了多电飞机的概念。

图1.3给出了简化的多电飞机变频交流电力系统示意图[5,6]。其中，发电部分为变频交流三级式发电机，发电机控制单元用来调节交流输出端口电压，使其幅值恒定，但是交流电压频率是变化的。多电飞机电力系统中亦用到大量的DC-AC逆变器和AC-DC变换器。DC-AC逆变器用来将直流电转换为交流电，驱动各类电机类负载，如泵类、作动机构等；而AC-DC变换器用来将交流电变换为直流电，同时实现功率因数校正。现阶段，AC-DC变换器多采用变压整流器（Transformer Rectifier Unit，TRU）和自耦变压整流器（Auto Transformer Rectifier Unit，ATRU），但是其体积和重量较大。随着电力电子技术的发展，采用电力电子化的AC-DC变换器是大势所趋。

4.LED照明系统

照明是电能消耗的一个重要方面。据国际能源署统计，全球消耗的电能中大约有20%用于照明[7]。相比于白炽灯和荧光灯，LED具有绿色环保、寿命长、发光效率高、响应速度快等优点，已被广泛应用在各种领域，如汽车车灯、景观照明、室内装饰灯、普通照明等，成为21世纪最具发展前景的绿色光源。

LED的核心为一个半导体PN结，可以采用恒定直流驱动，故其两端电压为恒定的直流电压。对于大功率LED灯的驱动，如景观照明及家庭照明等场合，一般是由市电供电，此时需要一个AC-DC LED驱动电源，用来将交流电转换为直流电，如图1.4所示[8]。AC-DC LED驱动电源的性能直接影响LED照明的性能，因此为发挥LED照明的优势，保证LED照明的发光品质和整体性能，设计高品质高效率的AC-DC LED驱动电源至关重要。在中小功率场合，一般采用单相AC-DC变换器。

1.1.2 单相变换器的结构

单相DC-AC逆变器可以分为单级式和两级式结构，如图1.5所示。单级式DC-AC逆变器结构简单、成本较低，一般应用于小功率场合。两级式DC-AC变换器由前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器构成，其中，前级DC-DC变换器将直流输入电压变换为与交流输出电压相匹配的中间直流母线电压，并根据需要实现电气隔离；后级DC-AC逆变器将中间直流母线电压变换为交流电，为交流负载供电或馈入交流电网。与单级式结构相比，两级式结构可以分别对前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器进行优化设计，从而获得较高的变换效率，特别适合光伏电池和燃料电池等输出电压较低且变化范围较宽的应用场合。

由于AC-DC变换器大多具有功率因数校正功能，本书称之为PFC变换器。单相PFC变换器也可分为单级式结构和两级式结构，如图1.6所示。单级式PFC变换器一般采用反激变换器，在手机充电器、LED照明驱动电源等小功率场合应用广泛。两级式单相PFC变换器由前级PFC变换器和后级DC-DC变换器构成，其中，前级PFC变换器用来实现功率因数校正，并得到稳定的中间直流母线电压；后级DC-DC变换器将中间直流母线电压变换为所需的直流输出电压，为直流负载供电或并入直流电网。为了适应全球交流电网输入（即AC 110V和AC 220V电压等级）或风力发电的宽范围输出交流电压，PFC变换器通常采用两级式结构，这样可以分别对前级PFC变换器和后级DC-DC变换器进行优化设计，从而获得较高的变换效率。