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随着智能电网的快速发展,直流分布式电源和负荷的容量急剧增长,直流配电网的应用和示范,成为未来电网的一大关键技术特征。其中,直流固态变压器(DC Solid State Transformer,DC-SST),是直流配电网中的核心设备,主要用于电能的变换和传输,减少换流环节损耗,控制电能的双向流动,以及实现电气隔离。高效、高功率密度和高可靠,是DC-SST的发展趋势。宽禁带SiC功率器件凭借其优良的电热特性,能有效提升DC-SST的各项性能指标。本文以典型的双向双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)拓扑为研究对象,围绕DC-SST的优化设计和运行可靠性评估展开研究,对比传统Si IGBT器件,基于理论分析、仿真结果和样机实验,验证了SiC MOSFET在DAB中的应用优势。本文主要内容如下:(1)建立了DC-SST的小信号模型,基于DAB拓扑及其单移相调制方式,设计了电压闭环控制器,并利用仿真结果和样机实验结果,验证了控制算法准确性和有效性。通过DAB工作状态分析,建立了其传递函数模型,并设计闭环补偿器,对比了补偿前后的系统频响特性。参考实际直流配电网的干扰源,利用仿真结果,评估了电压闭环控制器应对变换器输入端电压含低频扰动,及输出端负载大幅度阶跃等系统抗干扰的能力。基于本文搭建的DC-SST样机平台,使用实验结果,验证了DC-SST的抗干扰能力,及其电压闭环控制策略的有效性。(2)针对DC-SST高效、高功率密度的需求,提出了DC-SST的优化设计方法,研究了高频变压器寄生参数的分布规律和控制方法,给出了辅助电感的优化整定方案,对比评估了SiC MOSFET和Si IGBT器件的静态和动态特性。基于Ap法,给出了变压器本体磁芯材料及尺寸的选型设计,基于ANSYS有限元分析,揭示了绕组漏磁场的分布规律,并给出了漏感最低的交错式绕组结构。此外,提出了DC-SST辅助电感的设计模型,以传输功率下限、器件电流应力上限、电流有效值上限作为边界条件规定有效工作区,从而确定不同DC-SST工作频率下的辅助电感取值范围,并为样机工作点的选取提供依据。对比研究了功率器件的电学特性,针对相同功率等级的SiC MOSFET和Si IGBT,评测了不同结温下器件的阈值电压、输出特性和导通电阻等静态特性,以及不同驱动电阻下器件的开关速度、开关损耗等动态特性。搭建含直流电源和电子负载的测试平台,基于DAB电路拓扑,研制了3kW Si C直流固态变压器样机,功率密度3kW/L,最高工作效率达97%(50kHz时),最高工作频率达200kHz。(3)针对DC-SST的应用可靠性,考虑器件的多源热耦合效应,基于功率器件的寿命模型,结合器件级的多物理场有限元分析,以及电路级的电热联合仿真,提出了DC-SST的可靠性评估模型。建立SiC MOSFET和Si IGBT器件的电-热-力多物理场耦合模型,基于Anand结构模型建立焊层疲劳指标,使用Morrow物理模型确定器件寿命,基于Coffin-Manson模型揭示结温波动与器件寿命的规律。通过加速寿命试验结果,验证了上述寿命模型的准确性。考虑到SiC DC-SST具有较高的功率密度,变换器中的功率器件之间,具有强烈的热耦合效应。为准确评估DC-SST的可靠性,针对本文中的样机,基于有限元分析,建立了变换器系统的热耦合模型,有效提取出耦合热网络参数。针对典型日负荷曲线,计及多热源耦合效应,通过电热联合仿真,建立器件结温波动规律,基于雨流计数和器件寿命模型,计算得到DC-SST中的SiC MOSFET器件寿命为Si IGBT器件的4.47倍。因此,SiC器件应用于DC-SST,在配电网低负荷波动的工况下,可明显提升系统可靠性。