电力电子装置在工业和生活中得到越来越广泛的应用,随之给人们也带来了一系列的新问题:无功和谐波问题日益严重,变换器效率仍然较低,电磁干扰依然严重,环境继续恶化等。在提倡节能降耗的背景下,电力电子双向开关在AC/AC和AC/DC单级变换器中的应用成为了近年来的研究热点之一。这种单级变换器具有高功率因数、能量可双向流动、变换效率高、节能效果明显、控制简单、性能优良以及对电网污染小等优点,具有广泛的应用前景。本文紧紧围绕着电力电子双向开关在单级变换器中的应用及其控制系统展开研究,主要对交流直接变换器和三相Buck型高频隔离双向开关整流器的拓扑结构、数学模型、主电路设计、控制策略及系统性能改善等方面进行研究。本文的主要工作和取得的研究成果如下:(1)将电力电子双向开关应用于传统的直流基本变换电路拓扑族,并以电力电子双向开关的多种电路形式为基础,将单管电力电子双向开关和双管电力电子双向开关结合进行电路拓扑改进,提出交流基本变换电路拓扑族。根据上述拓扑族的电路结构的差异,将现有的交流基本变换电路拓扑族分为电压源型交流基本变换电路拓扑族和电流源型交流基本变换电路拓扑族(2)以上述的交流基本变换电路拓扑族为基础,对矩阵变换器的基于电压或电流方向的四步换流法进行分析,通过检测输入电压的极性方向预测续流电流的极性方向,提出基于电流预测方向和互补PWM合成的两步换流法。当实际续流电流的极性方向与电流预测的极性方向相同时,主控开关管和续流开关管将实现非互补的续流PWM控制,当实际续流电流的极性方向与电流预测的极性方向不同时,主控开关管和续流开关管将实现互补PWM控制。仿真分析验证了该电路拓扑和上述PWM换流方案的可行性。(3)以Buck型交流斩波的正弦波调光模块为基础,为了减小交流双向开关的二极管反向恢复电流,对交流双向开关在电路中的应用进行了缓冲设计,减小了换流过渡过程中di/dt和dv/dt冲击问题。在双向开关器件之间提供低阻分流之路限制器件的浪涌电压,有效的保障了电路的工作安全,降低了开关损耗,提高系统效率。为了改善系统在轻载或空载情况下的振荡问题,对输出滤波器进行改进,在系统状态空间模型的基础上实现占空比前馈的双闭环控制,在实现稳态精度的前提下改善了系统的动态性能。对系统的磁性元件和EMI滤波器进行分析和设计,同时对多模块并联运行的控制系统进行设计和分析。最终通过仿真和实验结果验证了上述主电路设计和控制系统的可行性。(4)对三相Buck电流型整流器(CSR)的电路拓扑进行分析,建立三相abc静止坐标系下和dq同步旋转坐标系下的数学模型,对三相电流型整流器模型进行静态特性、有功、无功功率以及系统的单位功率因数控制进行分析。在上述基础上,进行三相电流空间矢量PWM调制分析,并对电流变换器的SPWM和SVPWM的电流利用率进行讨论,阐述了电流控制的原理和方法,为后面的三相Buck型高频隔离双向开关整流器的系统设计提供了理论基础。(5)以三相Buck型高频隔离双向开关整流器的工作原理和数学模型为基础,深入地对其三相PWM调制策略及换相进行分析,给出三相Buck型高频隔离双向开关整流器的主电路结构及硬件参数设计。以三相Buck型高频隔离双向开关整流器的数学模型为基础,给出了其双闭环数字控制系统,在输出直流电压控制的同时,实现输入侧的高功率因数和低输入电流电流谐波畸变率。本文从变压器的直流磁偏分析入手,提出基于电流峰值控制的数字化直流磁偏控制,并取得较好的直流磁偏控制效果。接着针对直流变换器的数字化控制中出现的数字极限环振荡现象,本文给出基于误差累积的数字PWM的数字抖动技术,减小数字极限环振荡影响,明显降低输出电压纹波,并针对DPWM数字抖动技术的应用效果进行量化分析。最后,论文通过仿真和实验研究,验证了上述方案的可行性和有效性。