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在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，工頻變壓器是實(shí)現(xiàn)電能分配和電壓等級(jí)變換的主要電氣設(shè)備。工頻變壓器的主要組成部件為鐵芯和繞組，常采用油浸式或者干式，具有可靠性高，效率高，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著新能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)概念的大范圍推廣，傳統(tǒng)變壓器的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)。除了變壓器本身笨重，絕緣油對(duì)環(huán)境造成污染之外，傳統(tǒng)變壓器在電網(wǎng)發(fā)生故障或者需要支撐的情況下，不能提供合適的功能支持，只能增加額外的配電設(shè)備來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。
隨著電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體的發(fā)展，固態(tài)變壓器（Solid-state transformer,SST）的應(yīng)用發(fā)展日趨成熟。固態(tài)變壓器也稱為電力電子變壓器（Power Electronic Transformer,PET），通過電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器的功能。除了基本的電氣隔離和電壓轉(zhuǎn)換的功能，固態(tài)變壓器還可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償、功率調(diào)節(jié)與控制以及多端口接入等功能。
固態(tài)變壓器使用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)隔離功能，可以大幅度減小變壓器的重量和體積。由于電力電子器件可以實(shí)現(xiàn)高度的可控性，因此可以在提高電網(wǎng)供電質(zhì)量的同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。靈活的拓?fù)浞绞竭€為固態(tài)變壓器提供了交流和直流的接口，便于不同應(yīng)用的并網(wǎng)連接。安全可靠的通信連接也為固態(tài)變壓器對(duì)于配電網(wǎng)或者微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制提供了保障。特別是隨著可再生能源，儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，部分區(qū)域或者工業(yè)園區(qū)的微網(wǎng)連接為固態(tài)變壓器的發(fā)展提供了更加強(qiáng)烈的需求。
除了配電網(wǎng)微網(wǎng)的應(yīng)用，固態(tài)變壓器也可以用在機(jī)車牽引的場(chǎng)合，提供更加靈活可靠的能源變換。
關(guān)鍵應(yīng)用及基本架構(gòu)
以目前常見的光儲(chǔ)充一體的10kV直掛低壓配電網(wǎng)為例，其基本的架構(gòu)如圖1所示。
圖1：10kV固態(tài)變壓器直掛光儲(chǔ)充微網(wǎng)架構(gòu)
其中，固態(tài)變壓器內(nèi)部常見的架構(gòu)為級(jí)聯(lián)H橋，如圖2所示。目前常見的功率器件電壓等級(jí)偏低，少量高壓的IGBT器件由于損耗大，開關(guān)頻率低等問題，不適合應(yīng)用于固態(tài)變壓器的應(yīng)用場(chǎng)合。因此通過級(jí)聯(lián)的方式，可以減少每個(gè)單元的AC輸入電壓，使用1200V的功率器件實(shí)現(xiàn)10kV的電網(wǎng)交流輸入。常見的固態(tài)變壓器功率等級(jí)為1MW或更高，通常采用30~60kW的子模塊級(jí)聯(lián)得到。
除此之外，模塊化多電平（modular multilevel converter,MMC）也是可行的方案，但是存在分布電容數(shù)量多，電容電壓平衡復(fù)雜等問題。
圖2：級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，ACDC變換器需要實(shí)現(xiàn)PFC功能，兩電平的全橋拓?fù)洹uck/boost電路以及整流橋都比較常見，而母線電壓較高時(shí)常采用三電平NPC。目前英飛凌有2kV的SiC MOSFET產(chǎn)品，也可以在高母線電壓的情況下使用兩電平結(jié)構(gòu)，簡化電路拓?fù)?/a>和控制，如圖3所示。
a.I型三電平ACDC變換器拓?fù)?/em>
b.兩電平ACDC變換器拓?fù)?/em>
圖3：固態(tài)變壓器中高直流母線ACDC變換器拓?fù)?/em>
對(duì)于變壓器原副邊的隔離DCDC變換器，常常采用LLC/CLLC或者DAB的拓?fù)洌▓D4）。其中，LLC和CLLC的諧振拓?fù)溆捎诳梢詫?shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的ZVS，減小開關(guān)損耗，因此開關(guān)頻率得到進(jìn)一步提升，對(duì)于高頻變壓器以及其他無源器件的容量和體積減小起到進(jìn)一步的推動(dòng)作用。對(duì)于雙向的固態(tài)變壓器，副邊采用MOSFET實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變換，在整流的工況下采用同步整流的方式進(jìn)一步減小損耗。對(duì)于單向的固態(tài)變壓器，副邊可以采用二極管整流橋?qū)崿F(xiàn)整流，進(jìn)一步降低成本。
a. 副邊二極管拓?fù)涞膯蜗騆LC
b. 副邊MOSFET拓?fù)涞碾p向CLLC
c. 副邊二極管拓?fù)涞膯蜗駾AB
圖4：固態(tài)變壓器中隔離DCDC變換器拓?fù)?/em>
SiC器件在固態(tài)變壓器挑戰(zhàn)及機(jī)遇
由于本身功率大，以及多級(jí)的變換器架構(gòu)帶來更多的損耗，固態(tài)變壓器的效率是其應(yīng)用的重點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的Si器件，采用SiC，GaN等寬禁帶器件可以降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的開關(guān)頻率，優(yōu)化系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。更高的開關(guān)頻率會(huì)帶來更小的電壓電流波動(dòng)，因此可以減小變壓器、電容等無源器件的體積，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。
本文以60kW的SST子單元DCDC變換器為例進(jìn)行評(píng)估。子單元功率為60kW，輸入電壓為1500VDC，輸出電壓為800VDC。在10kV電網(wǎng)電壓的SST系統(tǒng)中，每相由8個(gè)SST子單元級(jí)聯(lián)而成，三相的整體功率為1.5MW。圖5給出了功率為1500V母線電壓系統(tǒng)分別使用1200V IGBT和1200V SiC MOSFET的解決方案和效率對(duì)比。評(píng)估過程選用英飛凌最新的IGBT7系列的快速開關(guān)管IKY50N120CH7和電流等級(jí)接近的CoolSiC? IMZA120R014M1H進(jìn)行對(duì)比。在相同的電路條件下，開關(guān)頻率為諧振頻率的工況下，SiC MOSFET可以帶來更低的損耗和更高的結(jié)溫。此時(shí)器件的開關(guān)損耗小，如果開關(guān)頻率偏移諧振頻率，功率器件的關(guān)斷損耗占比更大，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)也更加明顯。因此，使用SiC MOSFET，可以進(jìn)一步提升變換器的開關(guān)頻率，從而減小無源器件的體積，提高系統(tǒng)的功率密度。
a. 1200V IGBT/SiC MOSFET電路拓?fù)浜头抡鏃l件
b. 1200V器件仿真波形
c. 1200V IGBT/SiC MOSFET仿真結(jié)果對(duì)比
圖5：1500V 母線系統(tǒng)IGBT和SiC MOSFET解決方案對(duì)比
同時(shí)，對(duì)于固態(tài)斷路器而言，更高耐壓的功率器件可以大幅度降低固態(tài)變壓器中級(jí)聯(lián)單元的數(shù)量，從而提高功率密度，降低控制的復(fù)雜度。
為了減小級(jí)聯(lián)數(shù)量，需要提升每個(gè)單元的電壓等級(jí)，比如將電網(wǎng)電壓整流后的DC母線電壓從800V提升為1500V。由于母線電壓提高，對(duì)于隔離的DCDC變換器提出了更高的要求。為了滿足1500V的母線系統(tǒng)，可以采用器件串聯(lián)的方式，多電平的拓?fù)浠蛘呤褂酶唠妷旱墓β势骷?。綜合考慮執(zhí)行難度和性價(jià)比，更高耐壓的功率器件是實(shí)現(xiàn)高母線電壓，減小級(jí)聯(lián)數(shù)量的最有方式。
采用Infineon最新的2kV SiC MOSFET產(chǎn)品可以簡化電路拓?fù)?，?yōu)化電路結(jié)構(gòu)，減少配套電路的數(shù)量，降低控制的復(fù)雜度。圖66所示，是母線電壓1500V的DCDC變換器使用1200V SiC MOSFET和2kV SiC MOSFET的半橋解決方案。
a. 1200V SiC MOSFET解決方案
b. 2kV SiC MOSFET解決方案
圖6：1500V系統(tǒng)的不同器件解決方案對(duì)比
使用2kV SiC MOSFET替代1200V SiC MOSFET，以60kW的子單元系統(tǒng)為例，SST系統(tǒng)中DCDC變換器原邊的SiC器件數(shù)量從96個(gè)減小為48個(gè)，為之前的一半。級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)渲?，功率開關(guān)器件數(shù)量多，對(duì)于固態(tài)變壓器整體的體積和重量都產(chǎn)生了一定的負(fù)擔(dān)。更高耐壓的器件帶來更少的器件數(shù)目，為整體的布局優(yōu)化和功率密度的提升提供了可能。雖然對(duì)于單個(gè)器件而言，2kV的SiC MOSFET損耗可能偏高，但是由于簡化的電路結(jié)構(gòu)，更少的器件數(shù)量，整個(gè)系統(tǒng)的損耗、成本、體積等都會(huì)得到改善。
相較于傳統(tǒng)的工頻變壓器，固態(tài)變壓器解決了體積和重量的問題，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)質(zhì)量改善、系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，具有靈活適應(yīng)性強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)。寬禁帶器件的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提升固態(tài)變壓器的性能和功率密度，在減小器件數(shù)量的同時(shí)還可以優(yōu)化控制邏輯，降低損耗和結(jié)溫。寬禁帶器件會(huì)成為未來固態(tài)變壓器應(yīng)用的主流器件。
下載ECAD模型
