固態變壓器模型分析

孫忠鳴++張海燕++郭建++宋飛宇++宋治楷

摘 要：固態變壓器又稱電力電子變壓器（SST），能有效管理分布式可再生能源。詳細分析了基于6.5 kV硅IGBT的級聯多電平第一代固態變壓器、基于15 kV碳化硅MOSFET的第二代固態變壓器、基于碳化硅功率模塊和無線電力傳送的第三代固態變壓器模型。

關鍵詞：固態變壓器；能源互聯網；整流器；高頻變壓器

中圖分類號：TM41 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.092

美國北卡羅萊納州立大學的FREEDM中心提出了能源互聯網，其整個系統的核心設備是固態變壓器，被稱之為能源路由器，主要作用為有效管理分布式可再生能源。

固態變壓器的主要優點為體積小、質量輕，具備瞬時電壓調整、電壓下降補償、故障隔離、功率因數校正、諧波隔離和直流輸出等功能。

1 第一代固態變壓器

2008年，FREEDM中心已經開始研究基于6.5 kV的IGBT固態變壓器。

1.1 AC/DC整流器設計

整流器包括濾波電感以及由3個全橋整流器和3個濾波電容構成的高壓側直流母線。其等效狀態方程為：

. （1）

式（1）中：va和ia為交流電網的電壓和電流；da為等效共同占空比；vc為直流側的電壓。

1.2 雙主動橋分析和變壓器設計

雙主動橋即直流-直流變換器，含有高頻變壓器，其等效狀態方程為：

. （2）

式（2）中：變壓器的匝比n=Np/Ns；d為等效占空比；fs為開關頻率；vc1和vc2為雙主動橋輸入、輸出側的直流母線電容電壓。

在設計高頻變壓器時，為了使其性能達到最佳，還需要考慮2個非常重要的問題，即雙主動橋中的變壓器漏感問題和各部件之間可能發生的擊穿問題。通常情況下，高頻變壓器可以選用多種磁芯材料，比如硅鋼、納米晶體和非晶態合金等。

1.3 逆變器設計

逆變器的開關模型與整流器類似，其狀態方程如下

. （3）

式（3）中：vin為輸入端的電壓；v0為逆變輸出端的電壓；iL為輸出側的電感電流。

2 第二代固態變壓器

由于第一代固態變壓器使用了大量的功率器件和級聯結構，因此，具有效率低、體積大的特點。而新的固態變壓器的體積更小、質量更輕、效率更高。

2.1 AC/DC整流器設計

固態變壓器整流級的前端直接與配電網相連，可將正弦交流電變為直流電。為了實現電力的雙向流動，固態變壓器整流級拓撲帶有4個功率器件的全橋電路，因此，它可以控制交流輸入電壓和輸入電流的相位。

2.2 雙半橋分析和變壓器設計

由于固態變壓器會輸入高電壓和低電流，因此，需要考慮SiC MOSFET的電流能力，雙主動橋可改變成雙半橋。雙半橋的一個橋臂上有兩個串聯電容，能阻斷磁化電流的直流分量，并能自動平衡變壓器的通量。

雙半橋的輸出功率為：

. （4）

式（4）中：vin和vout分別為輸入和輸出電壓；f為開關頻率；Le為變壓器漏電感；φ為相移角度。

固態變壓器中的高頻變壓器設計存在2個問題，即高壓隔離和漏感對電力傳輸的影響。此外，變壓器的形狀、匝數和線圈纏繞方式都會影響漏感和磁化電感。

3 第三代固態變壓器

第三代固態變壓器的設計目標為提高能源利用效率和隔離能力，并創新混合碳化硅半導體模塊和變壓器。第三代固態變壓器設計中存在的問題有以下3個：①較難設計出可靠性高、成本較低的高壓電源；②變壓器的隔離問題；③高壓模式下多回路控制的魯棒性是設計中的關鍵問題。

4 結束語

固態變壓器具有傳統變壓器所不具備的強大功能，將逐漸取代傳統的固態變壓器。本文分析了三代固態變壓器的模型，并給出了目前國際上關于固態變壓器的最新研究現狀及發展方向。

〔編輯：張思楠〕