1、隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，直流分布式電源和負(fù)荷的容量急劇增長(zhǎng)，直流配電網(wǎng)的應(yīng)用和示范，成為未來(lái)電網(wǎng)的一大關(guān)鍵技術(shù)特征。其中，直流固態(tài)變壓器（DC Solid State Transformer，DC-SST），是直流配電網(wǎng)中的核心設(shè)備，主要用于電能的變換和傳輸，減少換流環(huán)節(jié)損耗，控制電能的雙向流動(dòng)，以及實(shí)現(xiàn)電氣隔離。高效、高功率密度和高可靠，是DC-SST的發(fā)展趨勢(shì)。寬禁帶SiC功率器件憑借其優(yōu)良的電熱特性，能有效提升DC-SST的各項(xiàng)性

2、能指標(biāo)。本文以典型的雙向雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，圍繞DC-SST的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行可靠性評(píng)估展開(kāi)研究，對(duì)比傳統(tǒng)Si IGBT器件，基于理論分析、仿真結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了SiC MOSFET在DAB中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文主要內(nèi)容如下：
　?、俳⒘薉C-SST的小信號(hào)模型，基于DAB拓?fù)浼捌鋯我葡嗾{(diào)制方式，設(shè)計(jì)了電壓閉環(huán)控制器，并利用仿真結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了控制算法準(zhǔn)確性和有效性。通

3、過(guò)DAB工作狀態(tài)分析，建立了其傳遞函數(shù)模型，并設(shè)計(jì)閉環(huán)補(bǔ)償器，對(duì)比了補(bǔ)償前后的系統(tǒng)頻響特性。參考實(shí)際直流配電網(wǎng)的干擾源，利用仿真結(jié)果，評(píng)估了電壓閉環(huán)控制器應(yīng)對(duì)變換器輸入端電壓含低頻擾動(dòng)，及輸出端負(fù)載大幅度階躍等系統(tǒng)抗干擾的能力?；诒疚拇罱ǖ?DC-SST樣機(jī)平臺(tái)，使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了DC-SST的抗干擾能力，及其電壓閉環(huán)控制策略的有效性。
　　②針對(duì)DC-SST高效、高功率密度的需求，提出了DC-SST的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究了高頻

4、變壓器寄生參數(shù)的分布規(guī)律和控制方法，給出了輔助電感的優(yōu)化整定方案，對(duì)比評(píng)估了SiC MOSFET和Si IGBT器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。基于Ap法，給出了變壓器本體磁芯材料及尺寸的選型設(shè)計(jì)，基于ANSYS有限元分析，揭示了繞組漏磁場(chǎng)的分布規(guī)律，并給出了漏感最低的交錯(cuò)式繞組結(jié)構(gòu)。此外，提出了DC-SST輔助電感的設(shè)計(jì)模型，以傳輸功率下限、器件電流應(yīng)力上限、電流有效值上限作為邊界條件規(guī)定有效工作區(qū)，從而確定不同 DC-SST工作頻率下的輔助電

5、感取值范圍，并為樣機(jī)工作點(diǎn)的選取提供依據(jù)。對(duì)比研究了功率器件的電學(xué)特性，針對(duì)相同功率等級(jí)的SiC MOSFET和Si IGBT，評(píng)測(cè)了不同結(jié)溫下器件的閾值電壓、輸出特性和導(dǎo)通電阻等靜態(tài)特性，以及不同驅(qū)動(dòng)電阻下器件的開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗等動(dòng)態(tài)特性。搭建含直流電源和電子負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)，基于DAB電路拓?fù)?，研制?kW SiC直流固態(tài)變壓器樣機(jī)，功率密度3kW/L，最高工作效率達(dá)97％（50kHz時(shí)），最高工作頻率達(dá)200kHz。
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6、針對(duì)DC-SST的應(yīng)用可靠性，考慮器件的多源熱耦合效應(yīng)，基于功率器件的壽命模型，結(jié)合器件級(jí)的多物理場(chǎng)有限元分析，以及電路級(jí)的電熱聯(lián)合仿真，提出了DC-SST的可靠性評(píng)估模型。建立SiC MOSFET和Si IGBT器件的電-熱-力多物理場(chǎng)耦合模型，基于 Anand結(jié)構(gòu)模型建立焊層疲勞指標(biāo)，使用 Morrow物理模型確定器件壽命，基于Coffin-Manson模型揭示結(jié)溫波動(dòng)與器件壽命的規(guī)律。通過(guò)加速壽命試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了上述壽命模型的準(zhǔn)確

7、性?？紤]到SiC DC-SST具有較高的功率密度，變換器中的功率器件之間，具有強(qiáng)烈的熱耦合效應(yīng)。為準(zhǔn)確評(píng)估 DC-SST的可靠性，針對(duì)本文中的樣機(jī)，基于有限元分析，建立了變換器系統(tǒng)的熱耦合模型，有效提取出耦合熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。針對(duì)典型日負(fù)荷曲線，計(jì)及多熱源耦合效應(yīng)，通過(guò)電熱聯(lián)合仿真，建立器件結(jié)溫波動(dòng)規(guī)律，基于雨流計(jì)數(shù)和器件壽命模型，計(jì)算得到DC-SST中的SiC MOSFET器件壽命為Si IGBT器件的4.47倍。因此，SiC器件應(yīng)用于DC