對于諸如電池和LED驅動器的充電器之類的低規模應用以及諸如光伏（PV）系統和電動汽車之類的高規模應用，電力電子在工業中的使用正在增加。2通常，電力系統包括三個部分：發電廠，輸電線路和配電系統。3傳統上，低頻變壓器用于兩個目的，即電氣隔離和電壓匹配，但50- / 60-Hz變壓器體積大且重量大。4電源轉換器用于使新舊電源系統兼容，該電源系統利用了固態變壓器（SST）的概念。它具有一個高頻或中頻功率轉換器，與舊式變壓器相比，它可以減小變壓器的尺寸，并具有高功率密度。

具有高磁通密度，高功率和高頻率以及低功率損耗的磁性材料的發展已幫助研究人員開發出具有高功率密度和效率的SST。5-7大多數情況下，研究集中在傳統的雙繞組變壓器上。分布式發電的增長以及智能電網和微電網的發展引發了多端口固態變壓器（MPSST）的概念。

在轉換器的每個端口上，都使用雙有源橋（DAB）轉換器，該轉換器使用變壓器的漏電感作為轉換器電感。由于不需要額外的電感器，因此減小了尺寸，并且還減少了損耗。漏感取決于繞組的位置，鐵芯的幾何形狀和耦合系數，這使變壓器的設計更加復雜。1相移用于DAB轉換器中從一個端口到另一端口的功率流，但是在MPSST中，一個端口的相移會影響另一端口的功率流。因此，控制復雜度隨著端口數量的增加而增加。因此，MPSST專注于三端口系統。

本文將重點介紹用于微電網應用的固態變壓器的設計。該變壓器具有集成在單個內核上的四個端口。1變壓器的工作頻率為50 kHz，每個端口可以處理25 kW的額定功率。1選擇端口的方式代表由電網，儲能系統，光伏系統和負載組成的實際微電網模型，其中網格端口在4,160 VAC上運行，而其他三個端口在400 V上運行。1

圖1：四端口SST

設計變壓器

表1顯示了不同材料的優缺點，這些材料通常用于制造變壓器鐵芯。想法是選擇一種在50 kHz頻率下可支持25 kW /端口的材料。商業上常用的變壓器鐵心材料是硅鋼，非晶態，鐵氧體和納米晶。目標應用要求在開關頻率為50kHz的25kW /端口四端口變壓器中使用最理想的布。通過分析表格，我們可以選擇納米晶和鐵氧體。納米晶體的缺點是在超過20 kHz的開關頻率下會產生功率損耗，因此最終確定了鐵氧體作為變壓器的核心材料。

表1：不同的芯材及其特性（變壓器）

變壓器鐵芯的設計也很重要，因為它會影響緊湊性，功率密度和體積，但最重要的是，它會影響變壓器的漏感。對于330 kW，50 Hz的兩端口變壓器，已經比較了鐵芯形狀和外殼類型，并證明了外殼類型可提供較低的漏感和平穩的功率流。8因此，將使用殼式配置，其中所有四個繞組在變壓器的中支腳處彼此疊置，從而提高了耦合系數。1個

殼型磁芯的尺寸為186×152×30 mm，鐵氧體3C94的尺寸為4×U93×76×0 mm。9Litz導線用于繞組和多電壓（MV）端口；電流的額定值為3.42 A和62.5A。對于LV端口，使用16 AWG和4 AWG電線。通過將LV導線纏繞在一起，也可以提高耦合效果。

模擬

在完成了建議的MV MPSST的設計后，進行了Maxwell-3D / Simplorer仿真。對于中壓電網，用于存儲，負載端口和PV系統的端口電壓為7.2 kVDC和400 VDC。1該仿真是在滿載條件下進行的，以在負載端口提供25 kW的功率，并以50 kHz的頻率運行，占空比為50％，并且通過在轉換器之間進行移相來獲得功率控制。結果顯示在表中。顯示了具有不同屬性（例如，鐵芯形狀，橫截面積，損耗量等）的不同模型。表2顯示模型7顯示出較低的漏感和較高的效率。

表2：模型和仿真結果

實驗裝置

一層核心由4個U核心組成。磁芯由三層組成，并在其上纏繞。三個低壓端口繞組被纏繞在一起。1DAB轉換器用于測試建議的變壓器。SiC MOSFET用于設計轉換器。對于中壓端口，整流橋由SiC二極管設計而成，并且還裝有電阻器組以支持7.2 kV。1個

圖2：原型

結論

本文重點介紹四端口MV MPSST變壓器的設計，該變壓器可為微電網應用實現四種不同負載或電源的連接。變壓器的一個端口是支持4.16-kV AC的MV端口。審查了變壓器的不同型號和材料。除了設計變壓器之外，測試設置還針對MV端口和LV端口設計。獲得的效率為99％。

參考文獻
1中壓，高功率，高頻四端口變壓器的設計和實現艾哈邁德·沙菲，薩班·奧茲邁爾，內克米·阿丁，加里·讓·皮埃爾和阿德爾·納西里。威斯康星州密爾沃基大學可持續能源系統中心，美國密爾沃基；土耳其安卡拉加濟大學技術科學職業學院電力與能源系；土耳其安卡拉加濟大學技術學院電氣電子工程系。

2Y. Wei，Q. Luo，Z. Wang，L. Wang，J. Wang和J. Chen，“用于LEV應用的具有磁控制的LLC諧振轉換器的設計”，2019 IEEE第10屆分布式電源電力電子國際研討會系統（PEDG），中國，西安，2019年，第857–862頁。

3X. She和A. Huang，“未來智能電氣系統中的固態變壓器”，2013 IEEE Power＆Energy Society General Meeting，溫哥華，不列顛哥倫比亞省，2013年，第1-5頁。

4N. Kimura和T. Morizane，“固態變壓器的中頻變壓器研究”，2018年國際智能電網大會（icSmartGrid），日本長崎，2018年，第107-112頁。

5W. Shen，F。Wang，D。Boroyevich和CW Tipton，“用于高頻磁學應用的納米晶核的損耗表征和計算”，《電力電子IEEE期刊》，第1卷。23，第1號，第475-484頁，2008年1月。

6W. A. Reass等人，“高頻多兆瓦多相諧振功率調節”，《等離子科學》 IEEE期刊，第1卷。33號

7M. K. Das等人，“適用于高頻，中壓應用的10 kV，120 A SiC半H橋功率MOSFET模塊”，IEEE能源轉化。國會和博覽會，亞利桑那州鳳凰城，2011年，第2,689–2,692頁。

8由Akacia System設計，www.akacia.com.tw，“ Cores＆Accessories”，Ferroxcube。https://www.ferroxcube.com/englobal/products_ferroxcube/stepTwo/shape_cores_accessories？s_sel = 161＆series_sel = 2658＆material_sel = 3C94＆material =＆part =。于2019年7月24日訪問。9A. El Shafei，S。Ozdemir，N。Altin，G。Jean-Pierre和A. Nasiri，“用于固態變壓器應用的大功率高頻變壓器設計”，國際可再生??能源大會能源研究與應用（ICRERA 2019），羅馬尼亞布拉索夫，2019年，第1-6頁。

編輯：hfy