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本节在6kV/1kV/600kW应用场合下，从成本、效率、功率密度三个角度对比基于不同直流变换器与T 2 -DAB变换器的ISOP型DCT方案，包括全桥DAB（Full-Bridge DAB，FB DAB）、对称半桥型三电平DAB（Half-Bridge Three-Level DAB，HB-TL DAB）、全桥型三电平DAB（Full-Bridge Three-Level DAB，FB-TL DAB）与三相DAB变换器，其拓扑结构分别如图2.19所示。
在表2.6所示的参数下，对基于上述变换器的直流变压器开关管等器件选型、高频变压器（High Frequency Transformer，HFT）、散热系统进行了设计。各直流变压器方案的器件电压、电流应力如表2.7所示。
图2.19 直流变压器模块典型拓扑结构
表2.6 直流变压器模块基本参数
表2.7 直流变压器元器件电压、电流应力
为了保证方案对比的公平性，开关器件选型要求如下：①所有的开关器件均源自Infineon公司，价格参考某网站；②对比中选用IGBT作为开关器件，其最大耐压与最大电流设定为表2.7中额定值的1.5～2倍。根据表2.7，各方案均选用1700V级IGBT，其驱动器选用Power Integrations公司的2SC0435T（包含两路驱动）。在上述前提下，FB DAB变换器中、低压侧均选用半桥模块FF150R17KE4；FB-TL DAB变换器在中压侧选用FF150R17KE4，低压侧选用FF300R17KE4；HB-TL DAB与T 2 -DAB变换器在中压侧与低压侧均选用FF300R17KE4；对于三相DAB变换器，可选择三相桥模块FS100R17PE4。因此，参考某网站，可计算得到各直流变压器方案的开关器件与驱动电路的成本，如图2.20a所示，基于HB-TL DAB与T 2 -DAB变换器的DCT方案由于开关器件数量较少，大大降低了成本，同时也减少了直流变压器控制器所需的PWM通道数，从而降低了控制器的设计难度与成本。然而，对于三相DAB变换器，尽管FS100R17PE4单管成本低于FF150R17KE4与FF300R17KE4，但由于其庞大的开关管数量，其成本在5种方案中最高。
采用PLECS对各方案中的开关管损耗进行了仿真，开关管结温设置在85°C，结果如图2.20b所示。在5种直流变压器方案中，T 2 -DAB变换器的开关器件损耗最低，其次是三相DAB变换器，远低于其他三种方案。实际上，在前述开关器件选型的前提下，各方案中开关管导通损耗基本一致，而由于5种DAB型变换器中开关管均可实现ZVS开通，即开通损耗非常小，因此，各方案的开关器件损耗差距主要源于IGBT的关断损耗。对于FB DAB、HB-TL DAB与FB-TL DAB变换器方案，其开关管在峰值电流处关断，导致了较高的关断损耗，而三相DAB与T 2 -DAB变换器开关管关断电流仅为峰值电流的一半，从而具有较低的IGBT关断损耗。
图2.20 直流变压器方案对比
根据开关器件损耗仿真结果，单一IGBT模块功率损耗较高，因此对比中采用水冷系统冷却，需要注意的是，对水冷系统体积的计算仅考虑了开关散热器，不包含外部热交换器、水泵与水箱等。水冷系统设计中保证各方案中冷却液流速与压力相同，散热器结构一致。各方案中开关模块与水冷散热器的总体积计算结果如图2.20c所示，三相DAB变换器最小，其次是T 2 -DAB变换器，两者远小于另外三种方案，这与前述开关器件损耗分布基本一致。
在对各直流变压器方案的高频变压器进行设计前，作以下假设与说明：①各方案中高频变压器与传输电感磁心选用锰锌铁氧体PC40，高频变压器最高工作磁密设置为0.2T，传输电感最高工作磁密为0.3T；②高频变压器与电感均选用利兹线绕制，绕组电流密度为3A/mm 2 ；③变压器一、二次侧需满足实际10kV直流配电网中35kV绝缘要求。
根据参考文献[129]中的方法，分别对5种方案中的磁性元件进行了设计，各方案中的变压器结构如图2.21所示，FB DAB、HB-TL DAB与FB-TL DAB方案均采用矩形磁心绕制，而三相DAB与T 2 -DAB方案则采用三相磁心。为了实现传输电感磁集成、满足绝缘要求，中、低压绕组分开绕制。假设磁心工作温度在80℃，并考虑利兹线的趋肤效应与邻近效应，损耗与体积对比结果如图2.20b、c所示，可见T 2 -DAB变换器方案的磁心元件体积与损耗最小，其次为HB-TL DAB与FB-TL DAB变换器方案。根据表2.7，在上述直流变压器方案中，T 2 -DAB变换器与三相DAB变换器的一次绕组伏秒积最小，仅为FB DAB与HB-TL DAB变换器的4/9，FB-TL DAB变换器的2/9，这有助于减小变压器所需的磁心体积与损耗。同时由于T 2 -DAB变换器的变压器数量较少，进一步降低了高频变压器的体积。而对于FB DAB与三相DAB变换器，其高频变压器数量较大，导致磁性元件的总体积与损耗较大。而在实际应用中，由于模块间绝缘、散热通道的需求，变压器数量的减小可进一步提升装置内空间利用率。对比中磁性元件为特殊定制，相关成本难以计算，因此图2.20a中未显示磁性元件成本。
图2.21 各直流变压器方案中高频变压器结构示意图
各方案中电容器选自CRE New Energy Technology，并且采用了交错并联技术，以减小直流变压器中、低压直流端口所需电容器容值。为保证对比的公平性，中、低压侧端口电容的容值按相同的电压波动选取，电容器损耗根据其ESR与电流有效值计算得到，对比结果如图2.20所示。由于三相DAB变换器中压与低压端口电压波动较小且模块数量较多，其所需的低压端口电容值较小，有效降低了电容器成本、损耗与成本。而T 2 -DAB变换器同样在低压侧采用了并联式三相桥，因此其可以在使用较少模块数情况下，获得较低的电压波动，因此直流母线电容成本也较低。对于HB-TL DAB与FB-TL DAB变换器，模块数的减少意味着更大的低压直流母线电容，从而增加了电容器成本与体积。但是，在T 2 -DAB变换器中，需要额外的隔直电容，这增加了额外的损耗、成本与体积，抵消了前述的部分优势。特别地，对于HB-TL DAB与T 2 -DAB变换器，其中压侧母线电容与隔直电容需流过较高的电流，导致其电容损耗远高于其他3种方案，但电容损耗较小，基于T 2 -DAB变换器的DCT方案在损耗方面仍具有优势。
综上所述，如图2.20所示，从成本（仅考虑开关器件与电容器）、功率损耗与体积角度，T 2 -DAB变换器在上述5种直流变压器方案中均为最优。由于T 2 -DAB变换器高频变压器与散热器体积均较小，其成本优势更为明显。对比最为广泛使用的FB DAB变换器方案，T 2 -DAB变换器方案的成本、损耗与体积分别降低了16.63%、24.45%与15.10%。