电力电子变换器广泛应用到能源、通信、计算机、家用电子产品和航天等领域中,随着应用范围的不断拓展,负载类型的多样性对其动态性能和稳态性能要求越来越高,特别是对变换器的输出跟踪的准确性和快速性提出了更高要求。电力电子变换器属于典型的开关非线性系统,现有的线性PID控制技术已经无法满足其高性能的要求。因此,除了不断的优化变换器的拓扑结构外,采用先进的控制理论,保证变换器准确的跟踪、稳定的输出以及较好的动态性能成为人们关注的重点。而随着非线性控制理论的不断发展,将非线性控制理论应用于电力电子变换器的控制中,提高其性能将具有重要的理论意义和实际价值。本文完成的研究工作有如下几点:(1)受到物理领域的能量守恒定律的启发,推导电力电子变换器拓扑中的能量守恒:在每个开关周期,使电路中输入的能量与输出的能量和电路消耗的能量总和始终保持平衡。根据电力电子变换器的能量守恒分析,提出了非线性控制方式-能量平衡控制(EBC)策略。(2)以buck变换器为研究对象,通过buck变换器的运行分析推导出buck变换器能量平衡控制策略的控制方程,设计了能量平衡控制器,并对其进行了稳定性的证明和动态性能的分析。研究对比表明,所提出的能量平衡控制策略具有良好的动态响应调节和稳态误差调节特性,从而具有一般性理论和实际意义。(3)建立能量平衡控制的boost非线性模型,进一步验证了能量平衡控制器的可行性和优越性。同时,为了避免价格昂贵的高频电流和电压传感器的使用,设计了电感电流观测器,节约了成本。其次,对能量平衡控制的控制方程进行变换,提出了改进能量平衡控制(IEBC)策略,使其不再依赖电路元件的寄生参数,表现出更强的鲁棒性。(4)针对传统桥式逆变电路的桥臂直通的问题,提出了桥式逆变器双buck调制模式。该调制模式在不增加拓扑结构的复杂程度的基础上解决了桥臂直通的问题,同时也消除了采用含有复位积分器的控制策略时传统全桥逆变电路的输出电压直流偏移和纹波影响的问题。同时,将能量平衡控制引入到双buck调制逆变电路中,实现了具有良好动静态性能的UPS电源的研制。(5)随着高压大容量电力电子系统的迅速发展,多电平逆变器成为电力电子领域新的研究热点。本文系统地研究和总结了多电平逆变器的拓扑结构,提出了一种两级串联的级联多电平逆变器拓扑。其突出的优点即为减少了全控型开关(IGBT)及其开关驱动电路的使用数量,简化了多电平逆变电路拓扑的结构及节约了实现成本。同时,引入能量平衡控制策略,有效地改善了变换器的动态性能,由此进一步探讨了复杂电力电子变换器的非线性控制技术。综上所述,本论文以buck、boost、双buck逆变器及新型多电平逆变器为研究对象,基于能量守恒定律,系统分析变换器电路内部的能量守恒,提出了新的非线性能量平衡控制策略,促进了非线性控制理论在电力电子变换器中的应用研究。