1.2.3 基于ISOP或ISOS結構的直流變壓器

采用多個電壓、功率等級較小的DC/DC變換器作為基本功率變換模塊，將其端口進行串并聯組合，也是構建DCT的常用思路，拓撲結構如圖1.8所示。在中壓直流端口處多模塊端口串聯，以降低模塊內開關器件電壓應力，低壓端口處多模塊端口并聯，以提升直流變壓器電流輸出能力。基于ISOP/ISOS結構的直流變壓器具有良好的模塊化特性，單個功率變換模塊電壓與功率等級較低，有利于降低制造難度，提升裝置冗余性。因此，該類型DCT廣泛應用于國內中低壓直流配電示范工程[9,79]。

圖1.8 基于低壓功率子模塊串并聯組合的直流變壓器拓撲結構

考慮到中低壓直流配電場合功率雙向傳輸的需求，基于ISOP/ISOS結構的直流變壓器一般采用DAB或雙向諧振型DC/DC變換器作為功率變換模塊。德國De Doncker教授于1991年首次提出單相與三相DAB變換器拓撲結構與基本控制策略[67]，其具有控制簡單、易于實現功率雙向傳輸與開關管ZVS開通的優勢，因此受到了國內外廣泛關注與研究。

然而在端口電壓不匹配或輕載情況下，DAB變換器易丟失ZVS開通，導致效率明顯下降。為改善DAB變換器在端口電壓不匹配與輕載下的運行特性，優化DAB變換器回流功率、降低開關電流應力，國內外學者提出了多種控制策略，如前述的DPS[68,69]、拓展移相（Extended-Phase-Shift，EPS）[80,81]與三重移相（Triple-Phase-Shift，TPS）[82,83]等調制策略。在此基礎上，參考文獻[84-90]分別以實現寬電壓、寬負載范圍內的ZVS開通[84,85]、最小電流應力[86,87]、最小回流功率[88,89]、最高變換效率[90]等為目標，對控制參數進行了優化。另一方面，參考文獻[91]針對不同應用場合的電壓與功率需求提出了不同DAB變換器結構。參考文獻[91，92]采用半橋電路構建DAB變換器，減少了開關器件數量。參考文獻[93-95]則引入三電平結構，提出了三電平DAB變換器，降低了開關器件的電壓應力，而三電平結構的應用也引入了新的控制自由度，參考文獻[96，97]分別以減小開關器件損耗與降低電流應力為優化目標，提出了相應的三電平DAB變換器優化控制策略。相較于單相DAB變換器，三相DAB變換器具有低電流應力、低關斷電流與低輸出電壓紋波的優勢，可提升DAB變換器的容量與效率[98]，參考文獻[99-101]在參考文獻[67]的控制方案基礎上，引入非對稱調制策略，拓寬了三相DAB變換器在寬電壓與負載范圍內的ZVS邊界，提升了變換效率。

雙向諧振DC/DC變換器是ISOP/ISOS型DCT中的另一種常用功率變換模塊拓撲，可實現開關管的ZVS或ZCS，具有低開關損耗與高運行效率的優勢。在經典LLC變換器的基礎上，參考文獻[102，103]通過將輸出側整流二極管替換為開關管，并根據功率傳輸方向閉鎖輸出側開關管或采用同步整流方式，以實現功率雙向傳輸，結合經典的變頻控制策略調節端口電壓。但該控制方式需要依賴高準確度的傳感器實時檢測功率傳輸方向，在輕載工況下難以取得較好的控制效果。參考文獻[104]中將LLC諧振腔一側的全橋開關管占空比固定為50%，另一側開關管開通時間設置為諧振周期的一半，使得LLC變換器傳輸功率隨開關頻率單調變化，通過控制開關頻率即可調節傳輸功率的大小與方向，而無需使用高精度傳感器。然而，由于LLC型諧振腔的不對稱性，當功率反向傳輸時，勵磁電感電壓被端口電壓鉗位，LLC變換器退化為LC串聯諧振變換器，導致可調電壓增益范圍大幅降低。參考文獻[105]在諧振電感側全橋交流端口并聯額外電感，功率正向傳輸時該電感被鉗位，變換器仍為LLC結構，而當功率反向傳輸時，該電感與LC構成LLC諧振腔，從而拓寬了功率反向時的電壓調節范圍。參考文獻[106]與[107]則在輸出側增加了一組LC諧振元件，構建了CLLLC型諧振變換器，實現了功率雙向傳輸時的對稱運行。另一方面，變頻控制下開關頻率變化范圍較大，存在大功率磁性元件設計困難、直流變壓器整機系統控制難度較大的問題，因此，參考文獻[114，115]采用開環定頻控制策略，簡化了控制復雜度，在該控制方式下，諧振變換器工作特性類似于固定電壓傳輸比的理想變壓器。

基于DAB與雙向諧振變換器的豐富研究成果，參考文獻[108-127]進一步構建了ISOP/ISOS型直流變壓器系統。在ISOP/ISOS系統中，實現各模塊間串聯端口均壓與并聯端口均流是系統穩定運行的關鍵之一，參考文獻[108]與[110]指出，DAB變換器是一種電流源型變換器，無法實現ISOP系統的電壓自均衡，需要額外的均壓、均流策略，但在ISOS系統中可自然實現端口均壓[109]，因此參考文獻[111-113]對基于DAB變換器的ISOP型DCT的均壓、均流策略進行了深入研究。而對于諧振變換器，當其工作于諧振頻率點時，相當于具有固定電壓傳輸比的理想變壓器[114],[115]，可以自然實現ISOP系統中模塊均壓[116]，并具有較高的運行效率，但也失去了端口電壓調節能力。因此參考文獻[117]與[118]在其中引入了一個或多個DAB變換器，實現了直流端口的電壓調節，且由于功率主要由開環定頻控制的諧振變換器傳輸，直流變壓器仍具有較高的變換效率。

另一方面，ISOP/ISOS型DCT內集中式電容結構也是實際應用中一個關鍵問題，由于在中壓端口處存在多個模塊電容直接串聯，使得功率模塊不能迅速切除或投入，并且在直流短路故障情況下存在較高的電容放電電流，導致故障難以迅速隔離且易造成電容損壞。參考文獻[119，120]在各DC/DC變換模塊端口處增加一個半橋模塊，實現功率模塊的冗余與故障隔離，通過對該半橋模塊進行占空比控制，還可以調節端口電壓與實現各功率模塊均壓[79]。考慮到并聯半橋模塊的開關導通損耗較大，參考文獻[121]在功率模塊中壓側端口電容上串聯一個開關管，當斷開該開關管并使功率模塊中壓側橋臂直通，可以實現功率模塊的切除。參考文獻[122]則將功率模塊內中壓側橋臂中間點與電容負極作為直流端口，只需開通該橋臂下管可切除功率模塊，實現參考文獻[119]中的半橋模塊與功率模塊橋臂的復用，節省了開關器件。參考文獻[123]則采用半橋子模塊替換全橋電路中的開關管，消除了直流端口處的串聯電容，實現了功率模塊的快速投切。

對于ISOP/ISOS型直流變壓器，體積與功率密度也是其實際應用中的關鍵點之一。受限于商用半導體開關器件的耐壓水平，單個功率變換模塊的電壓等級不高，導致需要大量的模塊進行串聯以實現中壓端口輸出。這大大增加了開關器件、中高頻隔離變壓器、驅動電路與輔助電源等輔助器件數量，也增加了控制系統的復雜度。參考文獻[124-127]提出，在不增加開關器件電壓應力的前提下，提升子模塊的電壓等級，減少子模塊數量，可以有效提升直流變壓器的功率密度。參考文獻[125]還指出，針對基于IGBT的ISOP型直流變壓器，通過采用3300V及以上耐壓的IGBT替代1200V或1700V級IGBT，以提高功率子模塊的電壓等級是不可取的，因為3300V及以上耐壓的IGBT器件開關特性較差，通常需要工作在較低的工作頻率，這將增加直流變壓器中無源元件的體積，不利于直流變壓器功率密度的提升。參考文獻[124]針對ISOP型直流變壓器，采用兩級式功率模塊結構，即在每個功率子模塊前增加一級開關電容式降壓電路，以實現單個功率子模塊的高輸入端口電壓。該結構可以有效減少子模塊數量，提升了功率密度，但額外變換電路的引入增加了損耗，降低了運行效率。