逆变器是一种将直流电转换为交流电的电能变换装置。多电平逆变器具有开关管电压应力低、输出电压质量高以及电磁干扰小等诸多优势受到广泛研究。相对于传统多电平逆变器而言,双向高频隔离多电平逆变器结合了高频链技术和多电平逆变技术,不仅具有多电平技术的诸多优势,还兼具有高频电气隔离、双向功率流等优点。目前,双向高频隔离多电平逆变器主要采用基于双有源桥的两级式架构。两级式架构由高频隔离DC-DC和全桥DC-AC构成,其优点是高频变压器与多电平电压波形分别属于前后两级,可以完整地保留多电平逆变器优势,但导致逆变器所含开关管数量较多,且每增加一个电平等级,增加的开关管数量高达八个。降低开关管数量可以降低开关管及其驱动电路导致的成本和损耗,提高逆变器效率和可靠性。为此,本文对单级式双向高频隔离多电平逆变器进行研究,旨在提出新型单级双向高频隔离多电平逆变器拓扑,降低开关管数量,同时降低全部或部分开关管电压应力。本文取得的主要成果如下:1、提出了一种适用于单级高频隔离多电平逆变器的拓扑推衍方法。尽管从多电平逆变技术被提出以来,各种多电平逆变拓扑不断涌现,但对于拓扑推衍方法的研究却较少。拓扑推衍方法主观性较强,难以形成统一的方法论,但对推衍方法的研究有利于将数量繁多的多电平拓扑分类研究和对比,因此具有一定的研究意义。为此,本文通过对各类基本拓扑的研究,提出一种适用于单级高频隔离多电平逆变拓扑的推衍方法。该方法以构造多条独立可控的电流回路为基本思想,构造出多种多电平逆变单元。每种多电平逆变单元与不同类型变压器和周波变换器组合后可以得到新型单级双向高频隔离多电平拓扑;该方法还可以将现有多电平拓扑进一步推衍至更高电平数的多电平拓扑。2、提出了多个新型单级高频隔离多电平逆变拓扑族。基于所提出的拓扑推衍方法,本文提出了多个新型单级高频隔离多电平逆变拓扑族,所提拓扑族涵盖正激、推挽和反激等不同类型的高频隔离逆变拓扑,从而满足各类功率等级的应用场合。所提拓扑均不含中间直流环节,具有高频电气隔离、双向功率流动、开关管电压应力低等优点。对所提拓扑进行理论分析,证明相比于两级式双向高频隔离五电平逆变器,提出的推挽式单级双向高频隔离五电平逆变器尽管需增大输出滤波电感感值以保证相同的输出电压质量,但所含开关管数量减少一半,并降低了部分开关管的电压应力;提出的反激式单级双向高频隔离五电平逆变器进一步降低了开关管数量和电压应力。此外,提出了新型多重载波调制策略和直流侧电容电压均衡策略,相比于传统多电平逆变器,扩大了均压可行域,增强了逆变器带负载能力。3、对所提新拓扑进行仿真和实验验证。基于PSIM软件搭建推挽式和反激式高频隔离五电平逆变器仿真模型,仿真结果证明所提拓扑输出电压质量较高、带负载能力较强,同时证明所提拓扑的正确性和控制策略有效性。成功研制了1000VA推挽式单级双向高频隔离五电平逆变器样机和200VA反激式单级双向高频隔离五电平逆变器样机,并基于DSP TMS320F28335实现数字闭环控制,实验结果进一步验证所提出的逆变拓扑和控制策略的正确性和有效性。