1.2.1 基于半導體器件串聯/高壓寬禁帶半導體器件的直流變壓器

直流變壓器實際是一種電壓、功率等級較高的隔離型DC/DC變換器，因此在現有各類全橋、半橋、DAB或LLC等隔離型DC/DC變換器中采用高耐壓的開關器件，是構建面向中壓直流場合DCT最為直觀的想法，其典型拓撲結構如圖1.4所示。

圖1.4 基于高壓寬禁帶半導體或開關串聯的單模塊直流變壓器典型拓撲結構

近年來，隨著SiC等高壓寬禁帶半導體器件與器件串聯技術的發展，單個器件閥組的耐壓能力、開關性能顯著提升，使得這種想法成為可能。自1997年J.N.Shenoy與J.A.Cooper等人發布首例耐壓為750V的6H-SiC平面溝道MOSFET以來[12]，Cree、Infineon等公司對SiC-MOSFET進行了深入研發，不斷提升SiC器件的耐壓水平與通流能力。2004年，Cree公司首次發布了10kV級的高壓SiC MOSFET器件[13]，并通過增大器件面積、改進MOSFET結構，不斷降低器件導通電阻、提升開關性能。2011年，D.Grider等人成功完成了10kV/120A等級SiC半橋模塊的研制與測試[14,15]，其100A下的導通電阻低至44mΩ，但文獻中未給出10kV/120A SiC半橋模塊的開關損耗。2015年，Cree公司基于8.1mm×8.1mm晶圓研制了新一代10kV/15A等級SiC-MOSFET與二極管[16]，并在7kV/15A/150℃工況下測試得到MOSFET開關損耗約為20mJ，僅是6.5kV級Si-IGBT開關損耗的1/10。2017年，Cree公司進一步發布了10kV/240A等級SiC-MOSFET半橋模塊[17]，并測試得到3.6kV/250A下的開關損耗為130mJ，為6.5kV級Si-IGBT的1/20。得益于較高的開關速度與較低的開關損耗，高壓SiC-MOSFET在6kV電壓下仍可工作于10kHz以上的開關頻率，使得采用單一全橋、半橋實現直流變壓器中壓端口輸出成為可能。但遺憾的是，10kV級SiC-MOSFET造價高昂，并未實現商業化，僅僅在國內外研究機構與高校內有少量應用。同時，參考文獻[18]指出，隨著SiC-MOSFET耐壓的升高，漂移區摻雜濃度下降，導致比導通電阻（定義為單位面積芯片的導通電阻）急劇上升，因此10kV以上的SiC-MOSFET存在導通電阻較大、通流能力不足的局限，這大大限制直流變壓器的功率等級。

相較于采用高壓10kV開關器件，現有1200～3300V級Si或SiC開關器件耐流可達數百A以上，且價格遠低于10kV開關器件。因此，采用低電壓開關器件直接串聯方式不失為降低器件成本、提高直流變壓器功率的一種可行方法。但由于各開關器件寄生參數、開關特性、驅動及外圍電路、甚至對地（散熱器）寄生電容的不一致性[19]，串聯開關器件多存在電壓不均的問題，需要增加額外的均壓電路來保證串聯開關器件在靜態與動態工況下的電壓均衡。參考文獻[20-25]分析了串聯IGBT器件電壓失衡的原因，并提出了如并聯緩沖回路[20]、驅動信號動態控制[21-24]、器件驅動自舉[25]等器件均壓方法。但由于大功率IGBT開關特性不佳、開關損耗較高，串聯IGBT工作頻率受限，多用作AC/DC換流器或固態斷路器中的換向開關，而當其用于直流變壓器時，將導致較低的開關頻率及龐大的無源元件。

與串聯IGBT方案相比，串聯SiC-MOSFET器件兼具較高的開關速度與較低的開關損耗，在直流變壓器場合中更具優勢。參考文獻[26-30]對串聯SiC-MOSFET器件的均壓方法進行了研究，提出了各類驅動信號調節方法。特別地，參考文獻[29]和[30]分別提出了結合SiC-MOSFET與SiC-JFET的串聯器件，如圖1.5所示，通過控制SiC-MOSFET的通斷，利用負載電流逐級實現JFET門極結電容充/放電，從而實現SiC-JFET逐個關斷/開通，并且參考文獻[30]在相鄰JFET門極間連接電容均衡了各JEFT開關速度，進一步保證了串聯JFET與MOSFET的均壓。但由于各級JFET是依次開通與關斷的，串聯器件的開關時間較長，導致開關損耗增加。

圖1.5 基于SiC-MOSFET與SiC-JFET的串聯器件結構

基于上述高壓半導體器件，參考文獻[29，31-36]進行了直流變壓器樣機研制，樣機參數如表1.1所示，相關工作主要集中于瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）與美國北卡萊羅納州立大學（NCSU）。2008年，J.W.Kolar等人基于低壓SiC-MOSFET與SiC-JFET串聯器件，提出了全橋/三電平混合DAB型直流變壓器[29]，其工作頻率可達50kHz，但論文中僅對串聯開關與高頻變壓器進行了測試，并未給出整機測試結果。2016年，A.Tripathi等人結合三電平結構與15kV SiC器件，將中壓端口電壓推升至22kV，并對比了15kV SiC-IGBT與SiC-MOSFET損耗，在相同工況下，基于SiC-MOSFET的直流變壓器效率較SiC-IGBT提升約1.4%，但該樣機實際測試電壓為8kV/10kW，遠低于設計額定值。2017～2021年，ETH與NCSU團隊繼續對基于高壓SiC-MOSFET的直流變壓器進行了數次設計迭代，并完成了相應測試。2021年，浙江大學基于低壓SiC-MOSFET串聯技術，研制了5kV/400V/30kW半橋諧振型直流變壓器，但該直流變壓器低壓側采用整流二極管，無法進行功率雙向傳輸。

表1.1 基于高壓半導體器件的直流變壓器樣機參數

根據表1.1，現有基于高壓半導體器件的直流變壓器工作頻率可達10kHz以上，有效降低了母線電容、電感、變壓器等元件體積，但受限于高壓SiC器件的通流能力，直流變壓器功率等級普遍較?。?00kW以下），應用場景較為受限。而其在實際應用中還存在兩個主要問題：①高壓半導體器件可靠驅動、保護技術尚不成熟，且單一模塊的結構難以實現冗余，降低了直流變壓器的工作可靠性；②在直流變壓器中壓側，高壓SiC器件的高開關速度使得變壓器繞組面臨著惡劣的高dv/dt工況，對繞組、磁心的絕緣提出了嚴峻挑戰。另一方面，高dv/dt導致電路對變壓器寄生參數更加敏感，可能激勵嚴重的開關電壓振蕩與尖峰[37]。