本文是一篇工程论文，本文首先分析了最具代表性的DAB变换器和LLC变换器的工作原理。进一步，分别从电流特性、软开关特性、器件驱动数量、控制算法难度以及EMI特性方面对两种变换器进行比较和分析。对比结果表明在固定降压比、能量单方向传输的中压大功率应用场景下，LLC变换器更具优势。
第1章绪论
1.1 课题研究背景及意义
交通运载工具电气化，是推动我国交通产业低碳化、数字化和智能化发展的基础性技术，对于国家能源产业变革和交通强国战略实施具有重要的支撑作用。当前我国正持续推进轨道交通、道路交通、水路交通、航空运输、国防运载等领域的电气化。以轨道交通为例，至2020年底，我国高速电气化铁路运营里程已达3.79万公里，稳居世界第一。据我国《中长期铁路网规划》，至2030年高铁路网总里程将达到4.5万公里。在国防运载领域，我国在电气化舰船上取得重大进展，以055型大型驱逐舰为代表的新一代舰船的电气化水平已大幅跃升，引领海军舰船电气化发展。
轻量化设计是交通运载工具承载力和能效等核心指标提升的重要路径。以高速列车为例，以时速300公里运行时，每牵引1千吨重量要消耗功率16-17兆瓦。如果列车减重3%-5%，减阻5%-8%，每公里能耗将降低10%[1]。然而，目前在高速轨道交通[2]、电力推进船舶[3]为代表的大容量运载工具中广泛采用的传统交流配电系统存在功率密度低、无功损耗大、电能质量差等固有缺点，严重阻碍了运载工具轻量化、低碳化发展。因此，近年来，随着电力电子装备渗透率和综合性能的持续提升，直流配电系统成为学术界与工业界共同关注的前沿方向。相比于传统交流配电系统，直流配电系统具有功率密度高、转换效率高、组网柔性灵活等诸多优点，展示了广阔的应用前景。已有研究表明，高速动车组的牵引系统采用直流架构后，预计可节能14%，而且牵引电气设备的所需空间可减少30%，重量可减轻26%[4]。
1.2 中压直流变换器研究现状
纵观现有中压直流变换器的基础研究和工程示范，其系统架构可分为两大类，一类为采用多变换器组合的多胞架构，以及采用单变换器变换的单胞架构。
1.2.1 基于多胞架构的中压直流变换器
为了提高中压直流变换器的电压和功率等级，将电路拓扑成熟的低压小功率直流变换器进行串并联组合是目前较为典型的技术方案之一[9]。根据直流变换器输入输出的组合方式，基于多胞架构的中压直流变换器大致可分为4 种类型：输入串联输出并联型(input-series-output-parallel，ISOP)、输入并联输出并联型、输入串联输出串联型和输入并联输出串联型[10]。而对于需要高降压、大容量输出的中压直流并网应用，ISOP型中压直流变换器是相对合适且应用广泛的组合结构。如图 1.2所示，通过将多个低压小功率直流变换器模块的输入串联来均分母线电压以降低单个直流变换器模块输入侧的电压应力，将所有直流变换器模块的输出并联来实现低压大电流输出。该结构避免了对高压器件的使用，同时直流变换器模块的拓扑可以是高频隔离型的DAB、LLC变换器[11-12]，不仅可以实现从中压到低压的电能变换，还能满足中低压的隔离需求。然而每个直流变换器模块都需要一个高频变压器，各模块的绝缘设计均考虑最恶劣工况，需按照系统最高绝缘要求设计，导致变压器设计困难，严重制约系统功率密度的提升。除此之外，随着电压等级的提升，直流变换器的模块数不断增加，为了能够安全可靠地运行，系统需要更加复杂的模块间均压、均流控制策略[13-17]。与此同时，各模块的绝缘要求都需重新设计，一定程度上也限制了模块化拓展。
第2章 中压直流变换器拓扑分析与对比
2.1 DAB与LLC变换器的工作原理
本小节针对LLC变换器和DAB变换器的工作原理进行分析，便于后续对两种变换器性能进行准确对比。
2.1.1 DAB变换器的工作原理
DAB变换器的拓扑结构具有对称性，所有开关管器件都是有源半导体全控型，使能量能够双向传输。DAB变换器的拓扑如图 2.1所示，高压侧为S1和S2构成的半桥结构，两个输入电容C1和C2两端电压为输入电压的一半，变压器原边两端分别与输入电容中点和半桥中点相连，将变压器原边电压降为输入电压的一半，中频变压器原副边匝比为N，谐振电感L为外加电感与变压器漏感之和。低压侧由S3~S6构成的全桥结构以及直流滤波电容Co组成。该拓扑采用传统的单移项调制方法，所有功率管的驱动信号的占空比均为50%，原边半桥两开关管的驱动信号互补，副边全桥对角两开关管的驱动信号相同，同桥臂两开关管的驱动信号互补，通过改变原边半桥和副边全桥之间的内移相角来改变能量传输的方向和大小。
DAB变换器的等效电路可以简化为如图 2.2(a)所示。假设DAB变换器已经工作在稳定状态，其输入电压为Vin，所有开关管的开关频率为fs，则将在高压侧A、B两点产生频率为fs，幅值为Vin/2的方波电压vA B。其输出电压为Vo，则将在低压侧C、D两点产生频率为fs，幅值为Vo的方波电压vC D，若将低压侧方波电压vC D折算到变压器的原边，则电压变为幅值为NVo的方波电压vC'D'。
2.2 DAB与LLC变换器的对比分析
基于上述分析可以看出，本文图 2.1所示的DAB变换器和图 2.6所示的LLC变换器在结构上是非常相似的。两者原边的逆变器都是半桥式，副边的整流器都是全桥式，不仅使变压器的原边的电压应力降低一半，还有效减少了变压器的匝数比。尽管两者结构相似，但在变换器的设计和工作原理上却有着很大的不同，进而导致两者在不同应用场景下的性能差异。下面将针对能量单方向传输、固定降压比的场合对DAB变换器和LLC变换器的各方面性能进行对比分析。
2.2.1 电流特性对比
对于任意一个变换器，人们最关注的性能之一就是该变换器的效率。一个隔离型的DC/DC变换器，其主要损耗来源无外乎开关器件的开关损耗和通态损耗以及变压器的铜损和铁损。由于DAB变换器和LLC变换器都能实现开关器件的零电压开通，开关器件的损耗主要来源于关断损耗和通态损耗，变压器的损耗则来源于传导损耗和磁芯损耗。在相同的工作电压下，两变换器的磁芯损耗是相同的，而其他损耗大小都取决于变换器工作电流的大小，如：关断电流决定了开关器件关断损耗，而电流有效值决定了开关器件通态损耗及变压器传输损耗。
第3章 IGBT串联模组的故障保护策略与均压方法..................... 35
3.1 IGBT串联模组的故障分类与检测方法....................... 35
3.1.1 驱动无应答故障检测电路 ............................. 35
3.1.2 过压故障检测电路 ............................... 36
第4章 基于IGBT串联的中压LLC变换器设计 ......................... 59
4.1 谐振参数设计 ....................................... 59
4.2 变压器的优化设计 ................................... 60
4.3 中低压母线电容设计 ...................................... 64
第5章 总结与展望 ....................................... 73
5.1 论文工作总结 ................................. 73
5.2 论文工作展望 .................................. 74
第4章 基于IGBT串联的中压LLC变换器设计
4.1 谐振参数设计
第二章通过详细分析DAB变换器与LLC变换器的原理，并进行多方面性能对比后，将半桥结构的LLC变换器作为本文中压直流变换器的优选拓扑。基于此，第三章设计了LLC变换器中压侧IGBT串联半桥模组的故障检测功能，提出了模组运行过程中的器件均压方法。本章节为了验证基于IGBT串联的LLC变换器在中压领域应用的可行性，搭建了一台额定输入电压为4kV，额定输出电压为1000V，固定电压变比为4:1，开关频率为4.5kHz，额定功率为400kW的样机，该样机具体参数如表 4.1所示。
本章将介绍谐振参数的设计、变压器的优化设计以及中低压侧母线电容等其他系统部件设计。最后通过实验验证本方案的可行性。
第5章 总结与展望
5.1 论文工作总结
基于器件串联的中压直流变换器在开关性能、功率密度和成本方面都具有一定优势，但串联器件的保护与均压问题存在挑战。为此，本文围绕基于IGBT串联的中压隔离型直流变换器设计展开深入研究。本文的主要工作内容总结如下：
1、为了选择更适用于固定降压比、能量单方向传输的中压大功率隔离型直流变换器的拓扑结构，分析了最具代表性的DAB变换器和LLC变换器的工作原理，并分别从电流特性、软开关特性、器件驱动数量、控制算法难度以及EMI特性方面对两种变换器进行比较和分析。对比结果表明：LLC变换器在大部分负载条件下，有更小的器件损耗；更大的软开关范围；更少的器件驱动数量；更简单的控制算法和更好的EMI特性。因此，最终将LLC变换器作为优选方案。
2、设计了IGBT串联模组系统。针对串联IGBT的故障保护问题，依据IGBT各类故障特征分别设计了对应的故障检测电路。基于故障检测电路，结合IGBT实际开关过程中故障出现的时序特征，提出了一种基于IGBT开关时序的故障监测保护状态机。针对串联IGBT的均压问题，解耦分析了IGBT串联电压不均衡的成因，提出了一种分层解耦的IGBT串联电压失衡调理方法。最后，通过双IGBT串联的双脉冲实验，验
