1.2.1 基于半导体器件串联/高压宽禁带半导体器件的直流变压器

直流变压器实际是一种电压、功率等级较高的隔离型DC/DC变换器，因此在现有各类全桥、半桥、DAB或LLC等隔离型DC/DC变换器中采用高耐压的开关器件，是构建面向中压直流场合DCT最为直观的想法，其典型拓扑结构如图1.4所示。

近年来，随着SiC等高压宽禁带半导体器件与器件串联技术的发展，单个器件阀组的耐压能力、开关性能显著提升，使得这种想法成为可能。自1997年J.N.Shenoy与J.A.Cooper等人发布首例耐压为750V的6H-SiC平面沟道MOSFET以来[12]，Cree、Infineon等公司对SiC-MOSFET进行了深入研发，不断提升SiC器件的耐压水平与通流能力。2004年，Cree公司首次发布了10kV级的高压SiC MOSFET器件[13]，并通过增大器件面积、改进MOSFET结构，不断降低器件导通电阻、提升开关性能。2011年，D.Grider等人成功完成了10kV/120A等级SiC半桥模块的研制与测试[14,15]，其100A下的导通电阻低至44mΩ，但文献中未给出10kV/120A SiC半桥模块的开关损耗。2015年，Cree公司基于8.1mm×8.1mm晶圆研制了新一代10kV/15A等级SiC-MOSFET与二极管[16]，并在7kV/15A/150℃工况下测试得到MOSFET开关损耗约为20mJ，仅是6.5kV级Si-IGBT开关损耗的1/10。2017年，Cree公司进一步发布了10kV/240A等级SiC-MOSFET半桥模块[17]，并测试得到3.6kV/250A下的开关损耗为130mJ，为6.5kV级Si-IGBT的1/20。得益于较高的开关速度与较低的开关损耗，高压SiC-MOSFET在6kV电压下仍可工作于10kHz以上的开关频率，使得采用单一全桥、半桥实现直流变压器中压端口输出成为可能。但遗憾的是，10kV级SiC-MOSFET造价高昂，并未实现商业化，仅仅在国内外研究机构与高校内有少量应用。同时，参考文献[18]指出，随着SiC-MOSFET耐压的升高，漂移区掺杂浓度下降，导致比导通电阻（定义为单位面积芯片的导通电阻）急剧上升，因此10kV以上的SiC-MOSFET存在导通电阻较大、通流能力不足的局限，这大大限制直流变压器的功率等级。

相较于采用高压10kV开关器件，现有1200～3300V级Si或SiC开关器件耐流可达数百A以上，且价格远低于10kV开关器件。因此，采用低电压开关器件直接串联方式不失为降低器件成本、提高直流变压器功率的一种可行方法。但由于各开关器件寄生参数、开关特性、驱动及外围电路、甚至对地（散热器）寄生电容的不一致性[19]，串联开关器件多存在电压不均的问题，需要增加额外的均压电路来保证串联开关器件在静态与动态工况下的电压均衡。参考文献[20-25]分析了串联IGBT器件电压失衡的原因，并提出了如并联缓冲回路[20]、驱动信号动态控制[21-24]、器件驱动自举[25]等器件均压方法。但由于大功率IGBT开关特性不佳、开关损耗较高，串联IGBT工作频率受限，多用作AC/DC换流器或固态断路器中的换向开关，而当其用于直流变压器时，将导致较低的开关频率及庞大的无源元件。

与串联IGBT方案相比，串联SiC-MOSFET器件兼具较高的开关速度与较低的开关损耗，在直流变压器场合中更具优势。参考文献[26-30]对串联SiC-MOSFET器件的均压方法进行了研究，提出了各类驱动信号调节方法。特别地，参考文献[29]和[30]分别提出了结合SiC-MOSFET与SiC-JFET的串联器件，如图1.5所示，通过控制SiC-MOSFET的通断，利用负载电流逐级实现JFET门极结电容充/放电，从而实现SiC-JFET逐个关断/开通，并且参考文献[30]在相邻JFET门极间连接电容均衡了各JEFT开关速度，进一步保证了串联JFET与MOSFET的均压。但由于各级JFET是依次开通与关断的，串联器件的开关时间较长，导致开关损耗增加。

基于上述高压半导体器件，参考文献[29，31-36]进行了直流变压器样机研制，样机参数如表1.1所示，相关工作主要集中于瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）与美国北卡莱罗纳州立大学（NCSU）。2008年，J.W.Kolar等人基于低压SiC-MOSFET与SiC-JFET串联器件，提出了全桥/三电平混合DAB型直流变压器[29]，其工作频率可达50kHz，但论文中仅对串联开关与高频变压器进行了测试，并未给出整机测试结果。2016年，A.Tripathi等人结合三电平结构与15kV SiC器件，将中压端口电压推升至22kV，并对比了15kV SiC-IGBT与SiC-MOSFET损耗，在相同工况下，基于SiC-MOSFET的直流变压器效率较SiC-IGBT提升约1.4%，但该样机实际测试电压为8kV/10kW，远低于设计额定值。2017～2021年，ETH与NCSU团队继续对基于高压SiC-MOSFET的直流变压器进行了数次设计迭代，并完成了相应测试。2021年，浙江大学基于低压SiC-MOSFET串联技术，研制了5kV/400V/30kW半桥谐振型直流变压器，但该直流变压器低压侧采用整流二极管，无法进行功率双向传输。

根据表1.1，现有基于高压半导体器件的直流变压器工作频率可达10kHz以上，有效降低了母线电容、电感、变压器等元件体积，但受限于高压SiC器件的通流能力，直流变压器功率等级普遍较小（100kW以下），应用场景较为受限。而其在实际应用中还存在两个主要问题：①高压半导体器件可靠驱动、保护技术尚不成熟，且单一模块的结构难以实现冗余，降低了直流变压器的工作可靠性；②在直流变压器中压侧，高压SiC器件的高开关速度使得变压器绕组面临着恶劣的高dv/dt工况，对绕组、磁心的绝缘提出了严峻挑战。另一方面，高dv/dt导致电路对变压器寄生参数更加敏感，可能激励严重的开关电压振荡与尖峰[37]。