前言
21世纪是环保与节能的世纪。所谓环保节能式逆变器，就是对负载和周围环境的谐波污染小，逆变效率高的逆变器。逆变器对负载和环境造成的污染是由其产生的谐波造成的。逆变器产生的谐波是一种只能对负载和环境造成污染，而不能像基波那样在负载中作功的废能。但废能也是一种损耗，也会降低逆变器的逆变效率。例如，当它的输出电压是180°的方波时，波形中将包含所有的奇次谐波，波形畸变率将高达46%，也就是说在逆变器输出的电能中，有46%是不能被负载利用作功的废能，只有54%的基波电能被负载有效利用。这就说明，由谐波造成的损耗比逆变器的欧姆热损耗、电路的开关损耗、自用电损耗之和还要大很多倍，是逆变器产生电能损耗的主要根源。从这个意义上来说，谐波将是逆变器环保与节能革命的主要对象。此外，逆变器产生的谐波也与逆变电路的形式及开关管的工作方式有关，硬开关产生的谐波及开关损耗比软开关产生的谐波及开关损耗要大。因此，实现逆变器环保与节能的主要方法有两个：一是选择合适的逆变电路与逆变方式，以减少逆变器的谐波含量；二是采用软开关，以减少逆变器的开关损耗。
当前逆变器减小输出电压谐波的研究方向有两个：一个是对两电平SPWM逆变器的研究，用高频化和软开关的方式来减少谐波和开关损耗，即用提高逆变器的SPWM开关频率的方法来减小输出电压中的谐波含量。该方法的特点是必须用高频IGBT做开关管，du/dt大，EMI大，开关损耗大，只能提高谐波频率，不能消除谐波。该方法的优点是可以调压；另一个是对多电平逆变器的研究，用增加电平数和逆变器的级联法来减小谐波，即用N个逆变器的级联叠加法，利用波形之间的相位差来消除某些低次谐波。该方法的特点是逆变器工作在基频，开关频率低，可以采用中、低速开关器件，du/dt小，EMI小，开关损耗小，不用软开关，电路简单，成本低廉，但不能调压。该方法的优点是可以消除某些低次谐波。如果把这两个研究方向相结合，集两者的优点，弃其缺点，就可以得到一种新型的环保节能逆变方式，即将N个SPWM逆变器，按照多电平逆变器的级联叠加法进行叠加，由此就可以得到一种新的具有较强消谐波能力的环保节能式SPWM多电平逆变器，这种逆变器既可以在不增加开关损耗的条件下把消谐波的能力提高N倍，又可以进行输出电压的调节。这种优良的逆变器，就是以级联叠加法为手段的H桥级联式多电平逆变器。其特点是使用的元器件数目最少、不存在电容上电压的平衡问题；流过各个开关管的电流相同，便于模块化、控制简单、扩容方便，一般不用软开关。
此外，当前常用的2H桥级联式多电平逆变器的特点是：逆变、级联叠加与SPWM控制都是在逆变器及其逆变开关上进行的。这种传统的逆变方式存在着使用元器件较多，开关损耗较大的缺点。为了进一步扩大逆变器的环保与节能效果，我和我的研究小组（以下简称我们）对其进行了一次技术改革，将级联叠加与SPWM控制都移到直流电源上进行，这将会大大减少元器件的数目，也可使开关损耗减少50%以上。这种逆变器就是将在本书中进行介绍的SPWM直流电源级联式逆变器。
本书主要介绍的内容如下所示。
第1章：主要介绍本书所涉及的一些基础知识，如定义、分类、分析法和所用开关器件等。
第2章：主要介绍H桥的构成及工作原理，如2H桥和3H桥的构成及工作原理，以及它们之间的内在关系，目的是纠正一些文献中的不足之处，为第3章 H桥的级联叠加作准备。
第3章：主要介绍我们开创的H桥SPWM级联的各种叠加法，如IGBT-2H桥的级联叠加、IGBT-3H桥的级联叠加、IGBT-2H桥与IGBT-3H桥的级联叠加、不同开关器件与不同直流电压的2H桥与3H桥的混合级联叠加，2H桥的三进制（3N-1）级联叠加、2H桥的二进制（2N-1）级联叠加、三相半桥式逆变器的级联叠加等。在混合级联叠加法中，我们推导出来了能使各个电平都能进行SPWM控制的最多电平数叠加方式的计算式，为H桥级联叠加实现最环保、最节能效果（最多电平数）找到了依据。
第4章：主要介绍第3章中H桥的各种SPWM级联叠加控制法，如基本单元两电平SP-WM控制法，载波三角波移相SPWM控制法、载波三角波层叠式SPWM控制法，载波分段层叠式SPWM控制法，开关频率优化SPWM控制法等，找出了它们之间的内在联系，并由此推导出了各种H桥级联叠加的输出电压表示式。在第3章中推导出来的最多电平数级联叠加的计算式，和本章介绍的载波三角波分段层叠式SPWM控制法一起使H桥的级联叠加技术达到了顶峰。其标志是：叠加的电平数最多（最节能环保），可以使用廉价的高压低频开关器件，降低了成本，提高了逆变器的性能，是多电平逆变器的一次突破性的发展。
第5章：主要介绍我们最近几年新研发的独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器，独立直流电源N×N′双级联串联叠加和串-并联级联叠加式多电平逆变器、二极管二进制（2N-1）级联叠加式多电平逆变器，以及叠加控制开关的ZVS和ZCS软开关电路。这种逆变器的特点是把级联叠加与SPWM控制都移到了直流电源上进行，从而大大减少了元器件的数目，也使开关损耗减少了50%，这是对多电平逆变器的一次革命性技术改革。
第6章：主要介绍直流电容分压SPWM直流电源级联式多电平逆变器、电容分压直流电源N×N′双级联串联叠加和串-并联叠加式多电平逆变器，它是与第5章中介绍的逆变器同时研发出来的，适合于单一直流电源应用的变形逆变器。
第7章：主要介绍2H桥多重叠加式多电平逆变器。在这一章中着重介绍多重叠加的分组特性及“消去法”，多重叠加的余弦规律、多重叠加法的PWM调制及PWM控制，以及三相逆变器的多重叠加，以求对2H桥的多重叠加法有一个理论上的深入了解。
第8章：主要介绍新研发的电流型H桥及TPWM直流电源级联式逆变器，其中着重介绍了电流型逆变器的PWM调制与级联叠加法，三相典型电流型TPWM逆变器、2H桥三相电流型TPWM逆变器及其并联级联叠加，TPWM直流电流源级联式多电平逆变器、TPWM直流电流源N×N′双级联并联叠加多电平逆变器。这些电流型多电平逆变器在其他文献上是看不到的。
第9章：主要介绍在变频调速系统或UPS中的一些应用举例。
对于在一般文献中作为重点介绍的钳位式多电平逆变器（其中包括二极管钳位，电容钳位或混合钳位式多电平逆变器），由于它具有许多缺点，如使用元器件较多，具有电容上电压平衡问题，流过开关管的电流不相同，SPWM控制较复杂，不易用于电平数大于7的逆变，不能实现高低频开关器件共用，不便于模块化，不便于扩容等，在技术上已经落后，故在本书中不进行介绍。对于受多数人推崇的相应空间电压相量SPWM控制，因为它不适合用于电平数大于5的逆变器，而本书介绍的逆变器的电平数都大于5，故也不介绍。
由于书中所介绍的逆变器是一种各个电平都可以进行SPWM控制的多电平逆变器，它的开关频率和开关损耗本来就不高，一般选用开关频率高一级的开关管，通过提高开关速度，在开关过程中减小管子上的电压和电流重叠时间来减小开关损耗就足够了，不再需要专门设置软开关电路，故本书也不再专门介绍软开关电路（只是对第5章的新型逆变器有点例外）。
本书的编写具有以下特点：突出了环保与节能，内容新、技术新；多数内容是2007年以后新研发的成果；采用了基本单元分析法，并由此揭开了级联式多电平逆变器电路与其控制方法的内在关系；采用了物理概念，图表及数学分析相结合的分析方法，解出了各种逆变器输出电压的表示式，以使读者能够全面、系统地得到最新技术的理论知识和逆变技术的数学分析法。
由于本书介绍的是一些新研发的逆变技术，尚处于发展阶段，故需要广大的读者共同努力来推动它的发展。作者写此书只想起到抛砖引玉的作用。
由于作者水平有限，所以书中难免有不足或错误之处，敬请广大读者批评指正。
作 者
于航天二院