DAB变换器中高频变压器的设计思路

随着生产力和经济的快速发展，人类对能源资源的需求日益增加。有限的能源资源与快速增长的需求已经成为人与自然不可调和的矛盾。如何实现能源互联和节能高效是电力电子领域面临的新目标和挑战。而随着电力系统的高速发展，传统工频变压器虽然具有可靠性高、制作工艺成熟等优点，但是已经无法满足现代电力系统的要求。应用现代电力电子技术可以将电力电子换流器和高频变压器组成新型智能化电器设备即电力电子变压器（power electronic transformer, PET），也称作固态变压器（solid state transformer, SST），它已经超出了人们对于“变压器”这一概念的理解，而是面向现代能源互联网和能源路由器的核心设备。其工作原理如图1所示，首先工频交流信号经电力电子变换器转化为高频方波信号，信号经过高频隔离变压器传输，再经电力电子变换器将高频方波信号还原成工频交流信号。与传统变压器相比，电力电子变压器具有如下优点^{[1, 2]}：
（1）采用了高频变压器取代工频变压器，所以变压器体积和重量都大大减少；
（2）通过适当控制，可以实现输入侧单位功率因数运行，可以吸收负载侧无功功率和隔离谐波电流，抑制谐波双向流动有效改善电能质量；
（3）可以消除电源侧电压过压或欠压对负载侧电压的影响，保证负载侧电压幅值、频率、波形的稳定；
（4）含有交直流接口，方便分布式发电系统的联网和直流负载的接入；
（5）全数字化控制，方便采集电网信息和联网通信，从而实现潮流控制，还可以柔性交流输电协同工作，增强电网系统的稳定性和可靠性。
根据直流环节，可以将PET分为AC-AC型和AC-DC-AC型，如图2所示。相对于AC-AC型PET，AC-DC-AC型PET变换环节较多，结构复杂，但是其具备良好的控制性能， 各级变换器控制都相对独立，易于实现解耦，而且由于具有AC-DC-AC直流环节，可以在低压直流侧连接储能设备、分布式发电接入设备等。基于此，目前各国学者和工程师都致力于AC-DC-AC型PET研究，其典型的拓扑结构如图3所示^[3]。
其中，以双有源桥（dual active bridge, DAB）双向DC-DC变换器为各国研究热点，其拓扑结构如图4所示。整个模块由前后两个以主动开关器件构成的H桥，一个理想变压器和一个串联电感组成，其中串联电感可以利用实际变压器的漏感，或者根据功率传递的需求自行选择。整个变换器模块依靠前、后桥臂移相过程内在串联电感两端产生的电压差实现功率传递。它可以实现高功率密度、零电压开关（zero-voltage switching, ZVS）、双向传输功率、结构对称且控制简单，已被广泛应用于航空技术、电动汽车、可再生能源发电领域^[1-3]。
在DAB变换器设计中，最为关键的问题是高频隔离变压器的设计，它决定着整个DAB变换器的转换效率和性能指标。本文主要研究了DAB变换器中高频隔离变压器的设计问题，对于其漏感计算、铁芯选择、绕组结构等做了详细分析。