面向未来电网的SST固态变压器：高频DC-DC变换拓扑、先进控制策略与SiC功率模块应用研究报告
倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，代理并力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。
倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！
展开剩余95%倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！
倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势！
1. 绪论：电网现代化的核心引擎——固态变压器
随着全球能源结构的深刻变革，分布式可再生能源（DERs）的高比例渗透、电动汽车（EV）充电基础设施的爆发式增长以及直流微电网的兴起，传统电力系统正面临前所未有的挑战。在这一背景下，固态变压器（Solid State Transformer, SST），亦被称为电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET），作为一种能够替代传统工频变压器（Line Frequency Transformer, LFT）并提供更多智能化功能的关键设备，正逐渐成为智能电网和能源互联网的核心节点 。
传统工频变压器基于电磁感应原理，虽然可靠性高、成本低，但其体积和重量与工作频率成反比，且缺乏对电压、频率和功率潮流的灵活控制能力。SST通过引入电力电子变换器，利用高频变压器（HFT）实现电气隔离和电压变换，不仅大幅减小了体积和重量（体积可减少80%以上），还具备了瞬时电压调节、无功功率补偿、谐波抑制、故障隔离以及交直流混合接口等高级功能 。
然而，SST的广泛应用面临着效率、功率密度、可靠性和成本等多重技术瓶颈。其中，高频隔离型DC-DC变换级作为SST的核心能量传输通道，其拓扑选择和控制策略直接决定了系统的整体性能。同时，以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带（WBG）半导体器件的出现，凭借其高耐压、低导通电阻、高开关速度和优异的高温特性，为解决SST的效率和热管理难题提供了革命性的解决方案 。
倾佳电子将从SST的拓扑架构出发，深入剖析高频DC-DC变换器的技术细节与控制策略，并结合基本半导体（BASiC Semiconductor）的最新SiC功率模块产品，全面阐述SiC技术在提升SST性能方面的应用价值。
2. 固态变压器的多级架构与模块化设计
SST的架构设计需兼顾高压接入能力、转换效率、控制自由度以及系统的模块化扩展性。目前，三级式（Three-Stage）架构因其解耦的控制能力和丰富的端口特性，被公认为最适合配电网应用的方案。
2.1 三级式SST架构解析
三级式SST通常由高压级AC-DC整流器、隔离级DC-DC变换器和低压级DC-AC逆变器组成 。
高压AC-DC级（整流级）： 该级直接面对中高压电网（如10kV或35kV），负责将工频交流电转换为高压直流电（HVDC）。其核心任务是保持网侧电流正弦化（PFC功能），实现单位功率因数运行，并稳定HVDC母线电压。 隔离DC-DC级（变换级）： 这是SST的技术心脏。它将HVDC母线电压调制为高频方波，通过高频变压器耦合到副边，再整流为低压直流电（LVDC）。该级不仅提供必要的电气隔离，还承担着电压匹配和功率流调节的任务。由于工作频率通常在20kHz至100kHz甚至更高，变压器磁芯体积得以显著减小。 低压DC-AC级（逆变级）： 将LVDC转换为工频交流电供给用户负载，或作为微网的接口。同时，LVDC母线为分布式光伏、储能电池和直流充电桩提供了直接接入点，极大地简化了交直流混合微网的结构 。2.2 模块化多电平架构（Modular Multilevel Architectures）
面对中高压电网的电压等级（10kV-35kV），单个硅基（Si）甚至早期的SiC器件都难以直接承受全部电压应力。虽然10kV/15kV级的高压SiC器件正在研发中 ，但目前商业化最成熟、成本效益最高的方案是采用基于1200V或1700V器件的模块化级联架构。
2.2.1 输入串联输出并联（ISOP）架构
输入串联输出并联（Input-Series Output-Parallel, ISOP）是目前中压SST中最主流的拓扑结构 。
输入串联（Input-Series）： 在高压侧，多个DC-DC变换器模块的输入端串联连接。每个模块分担一部分母线电压（例如，10kV直流母线由10个模块串联分担，每个模块承受1kV）。这种结构允许使用成熟的1200V或1700V SiC MOSFET，避免了对昂贵且技术不成熟的超高压器件的依赖。 输出并联（Output-Parallel）： 在低压侧，所有模块的输出端并联连接至低压直流母线（如750V或400V）。这种结构使得各模块共同分担负载电流，适合大功率应用。ISOP架构的优势在于其高度的模块化和冗余性。如果某个模块发生故障，可以通过旁路开关将其切除，其余模块在降额运行的情况下仍能维持系统工作，从而显著提高了系统的可靠性 。此外，通过载波移相技术，级联的AC-DC级可以产生多电平阶梯波，极大地降低了网侧电流谐波（THD）和滤波电感体积 。
2.2.2 级联H桥（CHB）与模块化多电平换流器（MMC）
在AC-DC级，级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）拓扑因其结构简单、模块独立性强而被广泛采用。每个H桥模块都有独立的直流电容，通过隔离DC-DC级向后级传输功率 。相比之下，模块化多电平换流器（MMC）虽然在HVDC输电领域占据主导，但在配网SST应用中，CHB结合ISOP DC-DC的方案因控制相对简单、器件利用率高而更具优势。
3. 高频隔离型DC-DC变换器拓扑深度剖析
隔离型DC-DC变换器是SST实现高频隔离、电压匹配和功率调节的关键环节。在众多拓扑中，双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）变换器和LLC谐振变换器是最具竞争力的两种选择。
3.1 双有源桥（DAB）变换器：双向流动的基石
DAB变换器自20世纪90年代提出以来，因其固有的双向功率流动能力、高功率密度和模块化特性，已成为SST DC-DC级的首选拓扑之一 。
3.1.1 拓扑结构与工作原理
典型的DAB拓扑由原边全桥、副边全桥、高频变压器以及辅助储能电感（通常利用变压器的漏感Lk）组成。
运行机制： 原边和副边全桥均以50%的占空比运行，产生高频方波电压vp和vs。通过控制两个方波电压之间的移相角ϕ，可以在漏感两端产生压降，从而控制功率流的大小和方向。
功率传输方程： 在单移相（SPS）控制下，传输功率P为：
P=2πfswLknVinVoutϕ(1−π∣ϕ∣)
其中，n为变压器变比，fsw为开关频率。
3.1.2 性能特征分析
零电压开通（ZVS）： DAB的一个显著优势是能够在较宽的负载范围内实现开关管的ZVS，这对于降低高频开关损耗至关重要。ZVS的实现依赖于漏感电流在开关动作前对结电容的充放电 。 双向功率流： 由于结构的对称性，DAB可以无缝地实现能量的双向流动，这对于需要V2G（Vehicle-to-Grid）功能的电动汽车充电站或储能接口SST至关重要 。 局限性： 传统SPS控制下的DAB在输入输出电压不匹配（即电压增益k=1）或轻载条件下，会产生较大的回流功率（Reactive Circulating Power）。回流功率不传输能量，但会增加开关管的RMS电流和导通损耗，导致效率显著下降，并可能导致ZVS丢失 。3.2 LLC谐振变换器：极致效率的追求
LLC谐振变换器利用LC谐振槽路来实现软开关，是另一种在SST中备受关注的拓扑，特别是在单向功率传输或对效率要求极高的场合。
3.2.1 拓扑与谐振特性
LLC拓扑包含一个谐振电容Cr、一个谐振电感Lr和励磁电感Lm。
软开关机制： LLC变换器可以在全负载范围内实现原边开关管的ZVS，并在副边整流二极管实现零电流关断（ZCS），从而几乎消除了反向恢复损耗 。 调频控制（PFM）： 与DAB的移相控制不同，LLC通常通过调节开关频率来控制电压增益。当工作频率接近谐振频率时，效率达到最高。3.2.2 DAB与LLC的深度对比
在SST应用场景下，DAB与LLC的优劣势对比如下表所示 ：
结论： 对于要求双向流动、宽电压范围运行且易于模块化扩展的SST应用，DAB（及其变种CLLC）通常被认为是更综合的解决方案。LLC则更适用于特定工况下对效率有极致追求的场合。
4. 高频DAB变换器的先进控制策略
为了克服DAB变换器在传统单移相（SPS）控制下回流功率大、电流应力高以及轻载ZVS丢失的问题，学术界和工业界发展了一系列先进的调制与控制策略。
4.1 多自由度调制策略 (Advanced Modulation Schemes)
通过引入更多的控制自由度，可以优化电流波形，降低损耗 。
扩展移相控制（EPS）： 在控制内外桥间移相角的同时，对其中一个全桥引入内移相角（Inner Phase Shift），使其输出三电平电压波形。EPS可以扩大ZVS范围并降低回流功率，特别是在电压不匹配时。 双重移相控制（DPS）： 对原边和副边全桥同时引入相同的内移相角，并控制外移相角。DPS在提高轻载效率方面表现优异，且控制逻辑相对简单。 三重移相控制（TPS）： 这是DAB控制的终极形式，允许独立控制原边内移相角、副边内移相角和外移相角三个自由度。通过构建拉格朗日优化函数或KKT条件，TPS可以在任意运行点实现电流有效值（RMS）最小化或全范围ZVS 。虽然计算复杂度高，但配合现代高性能DSP或FPGA，TPS能最大程度挖掘DAB的潜能。4.2 基于模型的预测控制 (Model Predictive Control, MPC)
传统的PI控制在处理DAB的非线性特性和多目标约束时往往力不从心。模型预测控制（MPC）因其优异的动态性能和多变量处理能力，在SST控制中日益受到重视 。
基本原理： MPC利用DAB的离散时间模型，在每个开关周期预测未来时刻的状态变量（如电感电流、输出电压）。通过定义包含控制目标（如电压跟踪误差）和约束条件（如电流限制、软开关边界）的代价函数，MPC选择使代价函数最小的控制量作用于系统。 移动离散控制集MPC (MDCS-MPC)： 为了解决传统有限控制集MPC（FCS-MPC）稳态误差大和开关频率不固定的问题，MDCS-MPC在当前工作点附近动态生成候选控制集。这种方法结合了高动态响应和低稳态纹波的优点，且计算量适中，非常适合高频SST应用 。4.3 输入串联输出并联（ISOP）系统的均压控制
在ISOP架构的SST中，确保各串联模块的输入电压均衡（Input Voltage Sharing, IVS）是系统稳定运行的前提。由于器件参数差异、变压器漏感不一致或驱动延时，模块间可能出现电压失衡，导致个别模块过压击穿 。
解耦控制策略： 一种有效的策略是将输出电压闭环控制（OVR）与输入均压控制（IVS）解耦。
OVR环路： 产生一个公共的基准占空比或移相角，作用于所有模块，以调节总输出电压。 IVS环路： 每个模块检测自身的输入电压与平均输入电压的偏差，通过微调各自的移相角来补偿电压不平衡。例如，电压偏高的模块增加移相角以输出更多功率，从而降低其电容电压 。无互联通信控制： 为了提高可靠性，一些研究提出了基于下垂控制（Droop Control）的分布式均压策略，无需模块间的高速通信即可实现电压自动平衡，这对于模块数量众多的SST尤为重要 。
5. SiC功率模块：SST性能跃升的关键使能技术
如果说拓扑和控制是SST的“大脑”，那么功率半导体器件就是SST的“肌肉”。传统的硅（Si）基IGBT由于开关速度慢、反向恢复损耗大，限制了SST的工作频率（通常低于5kHz），导致变压器体积依然庞大。碳化硅（SiC）技术的成熟，为SST带来了质的飞跃。
5.1 SiC材料特性的系统级优势
SiC作为第三代宽禁带半导体，相比Si材料具有三大核心优势，这些优势在SST应用中被极度放大 ：
高临界击穿场强（10倍于Si）： 允许在更薄的漂移层上实现高耐压。这意味着同等电压等级下，SiC MOSFET的导通电阻（RDS(on)）显著降低，且不需要像IGBT那样采用双极性调制（消除拖尾电流）。应用价值： 极低的导通损耗使得SST在高负载下仍能保持高效率，减少散热需求。 高电子饱和漂移速度（2倍于Si）： 支持极高的开关速度。SiC MOSFET的开关过程主要受限于寄生电容充放电，几乎没有少子存储效应。应用价值： SST的开关频率可从Si时代的数kHz提升至20kHz-100kHz甚至更高。根据变压器体积公式 V∝1/f，频率提升10倍意味着变压器体积可减小近90%，这是实现SST高功率密度的物理基础 。 高热导率（3倍于Si）： SiC材料散热能力极强，且能在更高结温（Tvj≥175∘C）下稳定工作。应用价值： 简化了SST的散热系统设计，提高了系统的过载能力和恶劣环境适应性。5.2 基本半导体（BASiC Semiconductor）SiC模块的应用价值分析
结合用户提供的BASiC Semiconductor产品数据手册，我们可以具体分析高性能SiC模块如何赋能SST设计。
5.2.1 极低导通电阻与高电流能力
以 BMF540R12MZA3 模块为例，该模块额定电压1200V，连续漏极电流高达 540A (TC=90∘C)。其典型的导通电阻 RDS(on) 在 25∘C 时仅为 2.2 mΩ，即便在 175∘C 高温下也仅上升至 3.8 mΩ 。
SST应用价值： 在ISOP架构的低压侧（输出并联侧），汇流电流极大。例如一个1MVA的SST，低压侧直流电流可达数千安培。使用这种超低阻抗模块，可以显著减少并联模块的数量，简化母排设计，并大幅降低I2R导通损耗，直接提升整机效率。5.2.2 优化的反向恢复与开关特性
DAB变换器的工作依赖于能量在电感和变压器之间的交换。在死区时间内，MOSFET的体二极管会续流。传统Si MOSFET体二极管反向恢复特性差，导致严重的EMI和损耗。
BASiC的 BMF360R12KA3 (1200V/360A) 和 BMF160R12RA3 等模块明确标注了优化的体二极管反向恢复行为（Body Diode Reverse Recovery behavior optimized）。数据手册显示，BMF360R12KA3在600V/360A工况下的开通损耗 Eon 仅为 7.6 mJ，关断损耗 Eoff 为 3.9 mJ 。
SST应用价值： 低 Eon 和 Eoff 是实现高频化的前提。更重要的是，优化的体二极管特性（或如 BMF008MR12E2G3 模块集成了SiC肖特基二极管实现“零反向恢复” ）对于DAB变换器至关重要，它能抑制死区时间结束瞬间的电流尖峰，保护对管不被击穿，并减少死区时间设定的裕量，从而扩大功率传输范围。5.2.3 先进封装技术的可靠性保障
SST通常应用于电网节点，对可靠性要求极高（通常要求20年以上寿命）。BASiC模块采用了 氮化硅（Si3N4）AMB陶瓷基板 和 铜基板 36。
SST应用价值： Si3N4 陶瓷具有极高的机械强度和断裂韧性，热导率远高于传统的氧化铝（Al2O3）。在SST面临电网负荷波动导致的热循环冲击时，Si3N4 基板能有效抵抗热应力引起的焊层疲劳和裂纹扩展，大幅提升模块的功率循环寿命（Power Cycling Capability） 37。这对于无人值守的SST站点尤为关键。5.3 SiC与Si在SST中的量化对比
表 1：Si与SiC器件在SST应用中的关键性能对比 39
6. 面临的工程挑战与解决之道
尽管SiC模块为SST带来了巨大的性能提升，但其高频、高压、高开关速度（High dv/dt）的特性也给工程实现带来了新的挑战。
6.1 高dv/dt引发的绝缘与EMI问题
SiC MOSFET的开关速度极快，dv/dt 可达 50-100 kV/µs。
挑战： 极高的电压变化率会通过高频变压器的绕组间寄生电容耦合到副边，产生共模噪声（CM Noise），干扰低压侧的控制电路和传感器。同时，高频应力会加速变压器绝缘材料的老化 。
解决方案：
变压器屏蔽： 在HFT原副边绕组间增加静电屏蔽层（Shielding Layer），并将屏蔽层接地，引导共模电流流入地线而非信号线。 软开关优化： 利用TPS控制或谐振参数设计，确保在大部分工况下实现ZVS开通，利用结电容自然限制dv/dt。 驱动优化： 采用具有高共模瞬态抗扰度（CMTI > 100kV/µs）的隔离驱动芯片 。6.2 驱动保护与死区时间优化
SiC MOSFET的短路耐受时间（Short Circuit Withstand Time, SCWT）通常仅为2-3µs，远低于IGBT的10µs。
挑战： 传统的去饱和（Desat）保护可能反应太慢，导致器件损坏。 解决方案： 在碳化硅（SiC）功率模块的应用中，**两级关断（2LTO - Two-Level Turn-Off）**已成为应对短路（Short Circuit, SC）和过流保护的核心技术。相比传统的硅基 IGBT，SiC MOSFET 对过压和短路时间的耐受力更脆弱，因此 2LTO 的设计至关重要。为什么 SiC 需要 2LTO？
在发生短路故障时，电流会迅速飙升至额定电流的数倍。如果此时直接关断：
电压尖峰风险： 根据公式 Vpk=Vdc+Lstray⋅dtdi，SiC 极快的关断速度（高 di/dt）结合回路寄生电感，会产生巨大的电压尖峰，可能击穿器件。 软关断（STO）的局限性： 传统的软关断通过减小栅极电流来缓慢降低 Vgs，但在大电流下，STO 可能导致关断延迟过长，使 SiC 超出其短路耐受时间（通常仅为 2μs∼3μs）。2LTO 的逻辑是： 先将栅极电压降至一个中间电平，抑制电流上升并初步降低 di/dt，经过一段短时间的延迟后再彻底关断。
2LTO 的工作过程
2LTO 的动作通常分为以下三个阶段：
第一阶段：故障检测与初始降压
当驱动 IC（如通过 Desat 或过流采样）检测到短路时，立即将栅极电压 Vgs 从正常的导通电压（如 15V 或 18V）降低到一个中间平台电压 V2LTO （通常在 8V 至 10V 左右，略高于开启阈值 Vth）。
目的： 增加 MOSFET 的通道电阻，主动限制短路电流的峰值。第二阶段：平台期维持（Delay Time）
系统在 V2LTO 电平下维持一段微秒级的延迟时间（td）。
目的： 让回路电流在这个受限的水平下稳定下来，减小总体的 di/dt 动能。第三阶段：安全关断
在延迟期结束后，将 Vgs 降至关断电平（如 -3V 或 -5V），彻底关闭器件。
结果： 由于电流已经预先被限制，最后的关断过程产生的电压过冲（Voltage Overshoot）被控制在安全范围内。2LTO 与 STO 的对比
硬件实施的关键参数
要完美发挥 2LTO 的作用，需要精确调整以下两个参数：
平台电压 (V2LTO)： * 如果设置太高，限制电流的效果不明显。
如果设置太低（接近 Vth），器件可能进入线性区导致过热损坏。延迟时间 (td)： * 通常在 0.5μs 到 2μs 之间。必须确保总的保护动作时间（从故障发生到彻底关断）小于 SiC MOSFET 的短路耐受时间 tsc 。
死区优化： SiC MOSFET的体二极管导通压降较高（3V-5V）。如果死区时间过长，体二极管长时间续流会造成巨大的导通损耗。需要采用自适应死区控制技术，根据负载电流实时调整死区时间，使其刚好覆盖开关动作时间，既防止直通又最小化二极管导通时间 。6.3 串扰（Crosstalk）抑制
在高频桥式电路中，一个桥臂开关的高速开通会通过米勒电容Crss向互补开关的栅极注入电流，可能导致误导通（Shoot-through）。
解决方案： 推荐使用负压关断（如BASiC模块推荐的-5V ）来提高抗干扰裕度。7. 结论
深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；
交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；
数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。
公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。代理并力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET功率模块，BASiC基本半导体SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。
固态变压器（SST）代表了电力电子技术在电网应用中的最高水平之一。通过采用输入串联输出并联（ISOP）的模块化架构，SST成功克服了半导体耐压的物理限制，实现了中高压电网的灵活接入。在核心的DC-DC变换级，双有源桥（DAB）变换器凭借其双向流动的特性和控制的灵活性，结合三重移相（TPS）或模型预测控制（MPC）等先进策略，成为了实现高效能量管理的最优解。
然而，SST从理论走向广泛应用的关键推手是碳化硅（SiC）技术。通过对基本半导体（BASiC Semiconductor）BMF系列模块的深入分析，我们看到SiC器件以其极低的导通电阻（低至2.2mΩ）、纳秒级的开关速度和卓越的封装可靠性，完美契合了SST对高功率密度、高效率和长寿命的严苛要求。SiC的应用不仅将SST的开关频率提升了一个数量级，从而大幅削减了磁性元件的体积，更在系统层面提升了电能质量控制的响应速度。
随着1200V/1700V SiC模块成本的进一步下降以及更高电压等级（3.3kV - 10kV）SiC器件的成熟，SST有望在电动汽车超充站、交直流混合微电网以及数据中心供电系统中大规模取代传统变压器，构建起更加智能、高效、灵活的现代能源互联网。
发布于：广东省元富证券提示：文章来自网络，不代表本站观点。
