双有源桥(DAB)变换器是固态变压器(SST)中备受青睐的直流-直流转换方案。在这些变换器中使用碳化硅(SIC)功率开关，在效率、功率密度和先进的SST拓扑结构方面带来了诸多优势。

固态变压器的优势

低频变压器(LFT)一个多世纪以来一直是配电网的关键元件。它们能实现高效率的交流-交流电压变换，尤其是在最大负载下。LFT有助于维持电网稳定性，通常能承受较高的过载电流，支持更简单的保护方案，使用寿命长，且初始成本相对较低。

SST利用电力电子技术实现更高频率的磁隔离。与LFT相比，SST具有若干关键优势，部分总结如下：

变压器的磁通量与频率成反比，这意味着SST中使用的、基于半导体开关频率达几十到几百kHz的中频变压器(MFT)，远小于工作在50/60 Hz的LFT。紧凑的尺寸带来了更高的功率密度，也允许灵活布置，例如安装在电动列车车顶。

以数据中心配电系统为例。将输入的10-35 kVAC进行变换的LFT会产生480 VAC，然后输送到数据中心。而SST可以使用MFT直接产生±400 V直流电。传输这种800 V直流电相比传输480 VAC，可节省高达60%的电缆体积，或者在相同电缆体积下，实现大致相同的功耗节省水平[1]。

SST通过实时电压调节，实现了智能电网功能。

无功功率补偿可在输入端实现接近单位的功率因数校正(PFC)，从而降低损耗。同时使用有源滤波来滤除谐波。

SST中的双向功率流拓扑支持集成分布式发电系统以及车辆到电网(V2G)功率传输等应用。

SST可以更轻松地连接交流与直流电网/负载。一个体现SST显著优势的例子是光伏(PV)发电：例如缩小SST的尺寸和重量;多级SST中的直流链路能力使其更容易与光伏直流和储能系统(ESS)输出对接;以及通过主动控制来最小化光伏电站变动性的影响。

LFT通过其阻抗产生故障电流，这可用于触发传统的熔断器/继电器。SST通过功率开关产生的故障电流极小，因此需要不同的保护方法。固态断路器(SSCB)可以作为解决方案的一部分。使用SSCB进行快速检测可以最大限度地减小故障电流。SST内部电力电子级的模块化和冗余设计可以提高系统可靠性和寿命，使其接近LFT的水平。

虽然LFT在满载条件下峰值效率可达99%，但由于持续的铁损，其空载/轻载损耗相当大。在交流-直流应用中，带有单独整流级的LFT效率可能低得多。而SST在变负载条件下可以实现更优越的平均效率(约98%)。

SST的架构

SST可以是单级交流-交流结构，例如使用矩阵变换器的那些。这类系统缺乏直流链路，使得输出电压调节具有挑战性。图1所示的两级和三级SST采用了直流/直流隔离级，从而实现了更强的控制能力。

图1

级联结构，例如输入串联输出并联(ISOP)拓扑，允许以模块化方式使用额定电压更低的半导体器件，如图2所示。

隔离型直流-直流变换器是两级和三级SST架构的核心。DAB可能是此应用中最常见的直流-直流变换器。下面我们将讨论它的一些关键特性。

图2

DAB隔离型直流-直流变换器

传统的两电平DAB在MFT或高频变压器(HFT)的每一侧使用四个开关器件，如图3所示。

图3

通过适当的开关控制，电桥原边和副边产生高频方波，并进行移相。电感Lk(可以是HFT的漏感)作为耦合电感。通过两个电桥之间的适当移相，可以在电感上产生较大的电流[I = (Vp – Vs) / L]，并传输到负载。功率从超前桥臂流向滞后桥臂。DAB变换器具有诸多优势：

·具有固有的双向性。

·具有宽的电压传输比。

·可实现零电压或零电流开关(ZVS/ZCS)，以最小化开关损耗。

·具备降压或升压模式功能。

·可用于大功率转换应用。

·表现为回转器，即输入/输出桥臂的平均电流分别与副边/原边桥臂的移相电压成正比。

基本的单相移调制方案在轻载或非单位电压传输下会产生较高的环流，并且零电压开关(ZVS)的工作窗口有限。人们已经提出了各种其他调制方案，例如扩展相移和双相移，这些方案可以改善ZVS窗口和效率，但会增加控制复杂性。

通常，DAB变换器的传输功率与开关频率和电感Lk成反比。然而，对于高压应用，需要一定的最小Lk来维持隔离。

谐振式DAB变换器在电感Lk上串联一个电容。如果在LC谐振频率下进行桥臂电压开关，则可以实现ZVS和零电流开关(ZCS)工作，尤其是在单位电压传输比下。这使得它在某些大功率应用中非常高效。

该电容作为直流阻断元件，并且可以调整谐振以抵消无功特性，从而无论原边和副边之间的隔离水平如何，都能实现功率流动。

DAB变换器中的SiC mosfet

使用SiC MOSFET可以在保持低开关损耗的同时实现更高的开关频率，从而减小无源元件的尺寸。SiC改进的热特性可能是SST应用中的一个主要因素，它允许使用更简单的冷却系统。

产生导通损耗的MOSFET导通电阻RDS(on)以及开通/关断开关损耗都是重要因素。SiC MOSFET中低的反向恢复电荷有助于减少过冲和第三象限损耗。在高开关频率下，低输出电荷(Qoss)导致SiC MOSFET中输出储能损耗(Eoss)较低。

一个重要的考虑因素是器件的电压等级。额定电压较低的器件将具有更好的导通和开关损耗品质因数(FOM)，但需要更高程度的级联，尤其是在SST中压电网应用中。现在已有能够在高于10 kHz开关频率下工作的10 kV SiC MOSFET，从而实现了紧凑型SST。

最近有人提出了一种3/2电平DAB [2]，其在原边使用中性点钳位(NPC)3L桥臂，因此允许使用较低额定电压的器件或更少的级联单元。