在AI算力爆發(fā)的背景下，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)面臨巨大挑戰(zhàn)。固態(tài)變壓器(SST）以其模塊化、可控性與高功率密度，成為突破傳統(tǒng)供電瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。為確保其復(fù)雜系統(tǒng)在量產(chǎn)前的高可靠性與穩(wěn)定性，EasyGo半實(shí)物仿真方案通過構(gòu)建實(shí)物+仿真的閉環(huán)測試環(huán)境，顯著降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)并縮短調(diào)試周期，為超高壓、大電流AI服務(wù)器集群的供電仿真驗(yàn)證提供了全鏈路解決方案。

一、AI算力爆發(fā)下的供電挑戰(zhàn)

隨著 AI 算力密度飆升，單機(jī)柜功耗已突破100kW，傳統(tǒng)交流供電架構(gòu)因轉(zhuǎn)換效率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，難以滿足高效能需求。高壓直流（HVDC）技術(shù)憑借直流直達(dá)芯片的簡潔路徑，成為AI數(shù)據(jù)中心的新標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)報(bào)告指出：傳統(tǒng)交流(480V AC）系統(tǒng)典型的整體效率(從市電到芯片）約為85-88%，而HVDC（380V/800V DC）系統(tǒng)可將效率提升至94-97%，能效提升幅度在6~12%之間，若考慮減少制冷能耗，總體節(jié)能效果可達(dá)15%或更高。

固態(tài)變壓器(SST）從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)供電系統(tǒng)在應(yīng)對AI算力高功率、高密度、高可靠性與高效節(jié)能需求時(shí)的結(jié)構(gòu)性矛盾，被視為下一代AI算力中心供電方案的核心技術(shù)路徑。

固態(tài)變壓器（SST）作為一個(gè)完全可控的電力電子變換器，其核心優(yōu)勢在于主動(dòng)控制。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并精確調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和波形，有效抑制電網(wǎng)側(cè)傳來的諧波干擾，并在毫秒級(jí)內(nèi)補(bǔ)償電壓暫降，為AI硬件提供一個(gè)近乎純凈穩(wěn)定的電源環(huán)境 。此外，其固態(tài)化設(shè)計(jì)減少了機(jī)械磨損部件，壽命和可靠性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案。

相比于傳統(tǒng)的變壓器，固態(tài)變壓器（SST）具有以下優(yōu)點(diǎn)：

▌模塊化與可擴(kuò)展性：增減子模塊即可調(diào)節(jié)功率，像搭積木一樣簡單，輕松適配標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與功率升級(jí)需求。

▌高可靠性：模塊化架構(gòu)自帶冗余能力，單模塊故障時(shí)系統(tǒng)可降額運(yùn)行，滿足AI服務(wù)器數(shù)據(jù)中心嚴(yán)苛的供電可靠性要求。

▌優(yōu)異的性能：采用多中低壓器件并聯(lián)方案，開關(guān)頻率更高、損耗更低，大幅提升整機(jī)效率與功率密度。

二、固態(tài)變壓器（SST）

1、工作原理

固態(tài)變壓器（SST）往往是通過AC/DC、DC/DC、DC/AC三級(jí)電力電子變換實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，在AI數(shù)據(jù)中心供電領(lǐng)域等部分場景下會(huì)只保留AC/DC、DC/DC兩級(jí)變換。

▌AC/DC(輸入整流級(jí))：將工頻交流電整流為直流電，同時(shí)進(jìn)行功率因數(shù)校正。

▌DC/DC(隔離級(jí))：在高頻(10kHz-100kHz)下完成直流電壓匹配和電氣隔離，采用高頻變壓器替代傳統(tǒng)鐵芯。

▌DC/AC(輸出級(jí))：將直流電逆變?yōu)樗鑵?shù)的交流電。

其中DC/DC（隔離級(jí)）采用高頻技術(shù)完成電壓匹配，是固態(tài)變壓器（SST）實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓調(diào)節(jié)的核心環(huán)節(jié)，承擔(dān)著能量雙向流動(dòng)控制、功率解耦和故障隔離等關(guān)鍵功能。該級(jí)電路通過高頻開關(guān)技術(shù)替代傳統(tǒng)工頻變壓器，實(shí)現(xiàn)功率密度提升5-10倍的突破性進(jìn)展。

2、硬件架構(gòu)

在不同的應(yīng)用場景下，固態(tài)變壓器（SST）的端口電壓形式以及電氣隔離的方式也不相同，以下為固態(tài)變壓器（SST）的3種經(jīng)典架構(gòu)。

基于ISOP架構(gòu)的SST

?ISOP架構(gòu)的核心在于化整為零，協(xié)同工作，通過將多個(gè)SST子模塊的輸入端串聯(lián)以分擔(dān)高輸入電壓，并將輸出端并聯(lián)以共同承擔(dān)大電流。

?該結(jié)構(gòu)模塊化程度高、具備天然冗余可靠性，顯著降低了對單個(gè)功率器件的耐壓要求，特別適合中壓輸入、低壓大電流輸出的應(yīng)用場景，但需精確控制輸入均壓與輸出均流。
基于MMC架構(gòu)的SST

?MMC架構(gòu)是一種面向中高壓、大功率交流應(yīng)用的解決方案，其核心是通過大量結(jié)構(gòu)相同的子模塊級(jí)聯(lián)來合成高質(zhì)量的多電平交流波形。

?這種架構(gòu)能直接應(yīng)對超高電壓，輸出波形諧波含量極低，電能質(zhì)量卓越，并具備強(qiáng)大的故障穿越能力。它非常適用于柔性交流輸電、高壓直流輸電等場景，但系統(tǒng)復(fù)雜度和控制難度較高。
基于MMC DC/DC架構(gòu)的SST

?MMC DC/DC架構(gòu)本質(zhì)上是將MMC的模塊化思想應(yīng)用于高壓直流到低壓直流的變換，可視為ISOP架構(gòu)的直流升級(jí)版。它使用隔離型DC/DC變換器作為基本子模塊，在輸入側(cè)串聯(lián)分壓，輸出側(cè)并聯(lián)匯流，每個(gè)子模塊自帶高頻電氣隔離。

?這種架構(gòu)是構(gòu)建未來直流電網(wǎng)的核心裝備，在直流變換效率方面具備絕對優(yōu)勢，主要服務(wù)于高壓直流輸電、新能源直流匯集等前沿領(lǐng)域。

三、半實(shí)物仿真方案

半實(shí)物仿真平臺(tái)通過構(gòu)建“SST控制器實(shí)物+實(shí)時(shí)仿真模型”的閉環(huán)測試環(huán)境，采用硬件在環(huán)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對控制算法有效性、系統(tǒng)穩(wěn)定性及故障工況的精準(zhǔn)驗(yàn)證，顯著降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)并縮短調(diào)試周期，為固態(tài)變壓器（SST）在量產(chǎn)前完成全工況測試賦能，確保從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的可靠性跨越。

這里使用我司的EGBox Pro半實(shí)物仿真設(shè)備對基于ISOP架構(gòu)的固態(tài)變壓器（SST）進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證其在穩(wěn)定工況下輸出電壓的效果。

1、離線仿真

基于 ISOP 架構(gòu)的固態(tài)變壓器（SST）由N個(gè)相同的功率變換單元在交流側(cè)輸入串聯(lián)、直流側(cè)輸出并聯(lián)的方式構(gòu)成。其每個(gè)功率變換單元由前級(jí)AC/DC電路和后級(jí)雙向LLC電路構(gòu)成，前級(jí)電路主要實(shí)現(xiàn)功率雙向控制值和輸出電壓控制，后級(jí)作為高頻變壓器起到電氣隔離的作用。

給定該拓?fù)涞碾妷簽?0kV AC輸入，800V DC輸出，輸出功率為1MW，串聯(lián)模塊數(shù)為10個(gè)，對其進(jìn)行基于Matlab Simulink離線模型搭建如圖。

前級(jí)控制采用移相載波控制策略，將每一個(gè)模塊的載波移相90°，后級(jí)采用電壓外環(huán)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)移相控制策略。

設(shè)置負(fù)載輸出1MW，波形圖如下所示：

2、EasyGo半實(shí)物仿真

這里使用4個(gè)SST子模塊級(jí)聯(lián)為例（以0.4MW的ISOP架構(gòu)SST拓?fù)浯罱ǚ抡婺Ｐ停?，搭建?shí)時(shí)模型如圖。

載入 EasyGo DeskSim 仿真軟件，軟件自動(dòng)解析模型信息，如圖可以看到該模型消耗了123個(gè)關(guān)鍵元件數(shù)，最小仿真步長為1.0125μs。

設(shè)定實(shí)時(shí)仿真電壓輸出為 800V，啟動(dòng)脈沖控制后，輸出電流為500A，輸出功率為0.4MW。隨后將負(fù)載輸出電壓設(shè)定為850V，可以看到實(shí)際輸出也隨之正確變化。

使用示波器連接仿真設(shè)備的 IO 接口，觀察800V輸出工況下，負(fù)載電壓的實(shí)際輸出值，如下所示（由于仿真器將該值縮小了100倍，因此示波器測量的理論值為8.0V）。

四、實(shí)際案例分享

通過EasyGo半實(shí)物仿真平臺(tái)的高效開發(fā)和驗(yàn)證，我司研制出了基于ISOP架構(gòu)的大功率電源產(chǎn)品，并已成功應(yīng)用于深海場景。

300kW 電源主電路框圖如下。10個(gè)30kW模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)，協(xié)同工作對最大300kW電能進(jìn)行變換。輸入總電壓直流額定4kV，輸出總電流最大2kA（交流幅值，直流平均值）。

?單模塊采用2級(jí)電能變換。第1級(jí)采用移相全橋電路將DC400V變換成DC150V，并保持穩(wěn)定輸出；第2級(jí)采用DC/AC逆變電路輸出指定的電流波形。

?單模塊的移相全橋電路獨(dú)立運(yùn)行。始終輸出DC200V的電壓，為各自模塊的后級(jí)逆變電路提供穩(wěn)定的電壓輸入。移相全橋輸入電容兩端接硬件均壓電路，自動(dòng)根據(jù)輸入電容電壓高低均衡輸入電壓。

?10個(gè)模塊的逆變電路由主控板控制協(xié)同運(yùn)行。主控板對10個(gè)模塊的輸入電壓均壓并產(chǎn)生各模塊輸出電流的指令，各模塊逆變器控制輸出電流跟蹤指令，最終通過控制模塊輸出電流實(shí)現(xiàn)模塊輸入電壓的均衡控制。

EasyGo 半實(shí)物仿真全鏈路解決方案通過構(gòu)建閉環(huán)測試環(huán)境，為SST等復(fù)雜電力電子系統(tǒng)提供了從實(shí)驗(yàn)室走向量產(chǎn)的關(guān)鍵驗(yàn)證橋梁。該方案能大幅壓縮開發(fā)周期、降低實(shí)機(jī)調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)，確保產(chǎn)品在量產(chǎn)前達(dá)到極高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，半實(shí)物仿真有望在更多復(fù)雜場景中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為AI數(shù)據(jù)中心的高效、可靠供電提供堅(jiān)實(shí)保障。