1.2.3 基于ISOP或ISOS结构的直流变压器

采用多个电压、功率等级较小的DC/DC变换器作为基本功率变换模块，将其端口进行串并联组合，也是构建DCT的常用思路，拓扑结构如图1.8所示。在中压直流端口处多模块端口串联，以降低模块内开关器件电压应力，低压端口处多模块端口并联，以提升直流变压器电流输出能力。基于ISOP/ISOS结构的直流变压器具有良好的模块化特性，单个功率变换模块电压与功率等级较低，有利于降低制造难度，提升装置冗余性。因此，该类型DCT广泛应用于国内中低压直流配电示范工程[9,79]。

图1.8 基于低压功率子模块串并联组合的直流变压器拓扑结构

考虑到中低压直流配电场合功率双向传输的需求，基于ISOP/ISOS结构的直流变压器一般采用DAB或双向谐振型DC/DC变换器作为功率变换模块。德国De Doncker教授于1991年首次提出单相与三相DAB变换器拓扑结构与基本控制策略[67]，其具有控制简单、易于实现功率双向传输与开关管ZVS开通的优势，因此受到了国内外广泛关注与研究。

然而在端口电压不匹配或轻载情况下，DAB变换器易丢失ZVS开通，导致效率明显下降。为改善DAB变换器在端口电压不匹配与轻载下的运行特性，优化DAB变换器回流功率、降低开关电流应力，国内外学者提出了多种控制策略，如前述的DPS[68,69]、拓展移相（Extended-Phase-Shift，EPS）[80,81]与三重移相（Triple-Phase-Shift，TPS）[82,83]等调制策略。在此基础上，参考文献[84-90]分别以实现宽电压、宽负载范围内的ZVS开通[84,85]、最小电流应力[86,87]、最小回流功率[88,89]、最高变换效率[90]等为目标，对控制参数进行了优化。另一方面，参考文献[91]针对不同应用场合的电压与功率需求提出了不同DAB变换器结构。参考文献[91，92]采用半桥电路构建DAB变换器，减少了开关器件数量。参考文献[93-95]则引入三电平结构，提出了三电平DAB变换器，降低了开关器件的电压应力，而三电平结构的应用也引入了新的控制自由度，参考文献[96，97]分别以减小开关器件损耗与降低电流应力为优化目标，提出了相应的三电平DAB变换器优化控制策略。相较于单相DAB变换器，三相DAB变换器具有低电流应力、低关断电流与低输出电压纹波的优势，可提升DAB变换器的容量与效率[98]，参考文献[99-101]在参考文献[67]的控制方案基础上，引入非对称调制策略，拓宽了三相DAB变换器在宽电压与负载范围内的ZVS边界，提升了变换效率。

双向谐振DC/DC变换器是ISOP/ISOS型DCT中的另一种常用功率变换模块拓扑，可实现开关管的ZVS或ZCS，具有低开关损耗与高运行效率的优势。在经典LLC变换器的基础上，参考文献[102，103]通过将输出侧整流二极管替换为开关管，并根据功率传输方向闭锁输出侧开关管或采用同步整流方式，以实现功率双向传输，结合经典的变频控制策略调节端口电压。但该控制方式需要依赖高准确度的传感器实时检测功率传输方向，在轻载工况下难以取得较好的控制效果。参考文献[104]中将LLC谐振腔一侧的全桥开关管占空比固定为50%，另一侧开关管开通时间设置为谐振周期的一半，使得LLC变换器传输功率随开关频率单调变化，通过控制开关频率即可调节传输功率的大小与方向，而无需使用高精度传感器。然而，由于LLC型谐振腔的不对称性，当功率反向传输时，励磁电感电压被端口电压钳位，LLC变换器退化为LC串联谐振变换器，导致可调电压增益范围大幅降低。参考文献[105]在谐振电感侧全桥交流端口并联额外电感，功率正向传输时该电感被钳位，变换器仍为LLC结构，而当功率反向传输时，该电感与LC构成LLC谐振腔，从而拓宽了功率反向时的电压调节范围。参考文献[106]与[107]则在输出侧增加了一组LC谐振元件，构建了CLLLC型谐振变换器，实现了功率双向传输时的对称运行。另一方面，变频控制下开关频率变化范围较大，存在大功率磁性元件设计困难、直流变压器整机系统控制难度较大的问题，因此，参考文献[114，115]采用开环定频控制策略，简化了控制复杂度，在该控制方式下，谐振变换器工作特性类似于固定电压传输比的理想变压器。

基于DAB与双向谐振变换器的丰富研究成果，参考文献[108-127]进一步构建了ISOP/ISOS型直流变压器系统。在ISOP/ISOS系统中，实现各模块间串联端口均压与并联端口均流是系统稳定运行的关键之一，参考文献[108]与[110]指出，DAB变换器是一种电流源型变换器，无法实现ISOP系统的电压自均衡，需要额外的均压、均流策略，但在ISOS系统中可自然实现端口均压[109]，因此参考文献[111-113]对基于DAB变换器的ISOP型DCT的均压、均流策略进行了深入研究。而对于谐振变换器，当其工作于谐振频率点时，相当于具有固定电压传输比的理想变压器[114],[115]，可以自然实现ISOP系统中模块均压[116]，并具有较高的运行效率，但也失去了端口电压调节能力。因此参考文献[117]与[118]在其中引入了一个或多个DAB变换器，实现了直流端口的电压调节，且由于功率主要由开环定频控制的谐振变换器传输，直流变压器仍具有较高的变换效率。

另一方面，ISOP/ISOS型DCT内集中式电容结构也是实际应用中一个关键问题，由于在中压端口处存在多个模块电容直接串联，使得功率模块不能迅速切除或投入，并且在直流短路故障情况下存在较高的电容放电电流，导致故障难以迅速隔离且易造成电容损坏。参考文献[119，120]在各DC/DC变换模块端口处增加一个半桥模块，实现功率模块的冗余与故障隔离，通过对该半桥模块进行占空比控制，还可以调节端口电压与实现各功率模块均压[79]。考虑到并联半桥模块的开关导通损耗较大，参考文献[121]在功率模块中压侧端口电容上串联一个开关管，当断开该开关管并使功率模块中压侧桥臂直通，可以实现功率模块的切除。参考文献[122]则将功率模块内中压侧桥臂中间点与电容负极作为直流端口，只需开通该桥臂下管可切除功率模块，实现参考文献[119]中的半桥模块与功率模块桥臂的复用，节省了开关器件。参考文献[123]则采用半桥子模块替换全桥电路中的开关管，消除了直流端口处的串联电容，实现了功率模块的快速投切。

对于ISOP/ISOS型直流变压器，体积与功率密度也是其实际应用中的关键点之一。受限于商用半导体开关器件的耐压水平，单个功率变换模块的电压等级不高，导致需要大量的模块进行串联以实现中压端口输出。这大大增加了开关器件、中高频隔离变压器、驱动电路与辅助电源等辅助器件数量，也增加了控制系统的复杂度。参考文献[124-127]提出，在不增加开关器件电压应力的前提下，提升子模块的电压等级，减少子模块数量，可以有效提升直流变压器的功率密度。参考文献[125]还指出，针对基于IGBT的ISOP型直流变压器，通过采用3300V及以上耐压的IGBT替代1200V或1700V级IGBT，以提高功率子模块的电压等级是不可取的，因为3300V及以上耐压的IGBT器件开关特性较差，通常需要工作在较低的工作频率，这将增加直流变压器中无源元件的体积，不利于直流变压器功率密度的提升。参考文献[124]针对ISOP型直流变压器，采用两级式功率模块结构，即在每个功率子模块前增加一级开关电容式降压电路，以实现单个功率子模块的高输入端口电压。该结构可以有效减少子模块数量，提升了功率密度，但额外变换电路的引入增加了损耗，降低了运行效率。