固態(tài)變壓器SST的拓撲架構深度解析與基本半導體SiC模塊的工程應用研究

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務于中國工業(yè)電源、電力電子設備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉型三大方向，力推BASiC基本半導體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅動板等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

1. 緒論：電網(wǎng)現(xiàn)代化與固態(tài)變壓器的演進邏輯

全球能源互聯(lián)網(wǎng)的構建與“雙碳”目標的推進，正在深刻重塑電力系統(tǒng)的基礎架構。傳統(tǒng)的工頻變壓器（Line-Frequency Transformer, LFT）作為電力傳輸?shù)暮诵臉屑~，憑借其高可靠性和極低的被動損耗，統(tǒng)治了電網(wǎng)百余年。然而，在面對高比例分布式可再生能源（DERs）接入、直流微電網(wǎng)（DC Microgrids）的興起以及電動汽車（EV）超快充基礎設施的爆發(fā)式增長時，LFT暴露出了其物理本質上的局限性：體積龐大、缺乏可控性、無法直接處理直流功率以及對電能質量擾動的被動響應。在此背景下，固態(tài)變壓器（Solid State Transformer, SST），又稱電力電子變壓器（PET），作為一種集成了高頻電磁轉換與電力電子變換技術的智能能源路由器，成為了下一代配電網(wǎng)的關鍵裝備 。

SST不僅僅是電壓等級變換的設備，它實際上是一個具備高度可控性的能量轉換中心。與傳統(tǒng)的銅鐵結構不同，SST通過電力電子變流器實現(xiàn)電能的交直流變換、頻率變換和電壓調節(jié)，并通過中高頻變壓器（HFT）實現(xiàn)電氣隔離。這種架構賦予了SST諸多傳統(tǒng)變壓器無法企及的功能：瞬時電壓調節(jié)能力、無功功率補償、故障隔離能力、以及直接提供直流接口的能力 。特別是在智能配電網(wǎng)中，SST被視為連接中壓交流配電網(wǎng)與低壓直流/交流微電網(wǎng)的“能源路由器” 。

然而，SST的商業(yè)化進程長期受制于效率、功率密度、可靠性與成本之間的矛盾。硅基（Si）功率器件（如IGBT）在耐壓與開關速度之間的固有折衷，使得SST難以在提升工作頻率（以減小體積）的同時維持高效率。隨著第三代寬禁帶（Wide Bandgap, WBG）半導體材料，特別是碳化硅（SiC）技術的成熟，這一瓶頸正在被突破。SiC MOSFET憑借其高擊穿場強、高熱導率和極低的開關損耗，使得SST的工作頻率可以從傳統(tǒng)的千赫茲級提升至數(shù)十千赫茲甚至百千赫茲級，從而大幅降低了磁性元件的體積，并顯著提升了系統(tǒng)效率 。

傾佳電子旨在深度剖析SST的拓撲架構、軟硬件設計挑戰(zhàn)，并結合產(chǎn)業(yè)鏈實際，重點探討傾佳電子（Qingjia Electronics）所代理的基本半導體（Basic Semiconductor）碳化硅功率模塊及其配套的基本半導體子公司青銅劍（Bronze Technologies）驅動方案在SST硬件設計中的具體應用價值。通過對級聯(lián)H橋（CHB）、雙有源橋（DAB）等核心拓撲的深度解析，以及對SiC器件電氣特性的詳細論證，本報告將構建一個從器件選型到系統(tǒng)集成的完整技術圖譜。

2. 固態(tài)變壓器的拓撲架構體系深度研究

SST的拓撲架構決定了其性能上限、控制復雜度以及成本結構。根據(jù)功率變換的級數(shù)，SST主要分為單級式、雙級式和三級式架構。在面向中高壓配電網(wǎng)（如10kV或35kV）的應用場景中，為了滿足高壓絕緣、多端口供電（AC/DC混合）以及模塊化設計的需求，三級式模塊化級聯(lián)架構（Three-Stage Modular Cascaded Architecture）已成為學術界和工業(yè)界公認的主流技術路線 。

2.1 三級式架構的系統(tǒng)解構

三級式SST通常由三個獨立的功率變換級組成，通過直流母線進行解耦，這種設計賦予了系統(tǒng)極高的控制自由度：

高壓整流級（HV AC/DC Rectifier）： 作為有源前端（Active Front End, AFE），負責將中壓交流電轉換為中壓直流電。該級主要承擔維持網(wǎng)側單位功率因數(shù)運行、控制輸入電流諧波（THD）以及穩(wěn)定高壓直流母線電壓的任務。

隔離變換級（Isolated DC/DC Converter）： 這是SST的核心部分，通過高頻變壓器實現(xiàn)高低壓側的電氣隔離和電壓等級變換。該級不僅決定了SST的整體功率密度，也是實現(xiàn)軟開關（Soft Switching）以提升效率的關鍵環(huán)節(jié)。

低壓逆變級（LV DC/AC Inverter）： 將低壓直流電轉換為符合用戶需求的低壓交流電（如380V/220V），或者直接輸出低壓直流電供EV充電站使用。該級負責負載側的電壓穩(wěn)壓、頻率控制以及不僅平衡負載和電網(wǎng)之間的瞬時功率差 。

2.2 中壓側AC/DC級：級聯(lián)H橋（CHB）拓撲的優(yōu)勢分析

對于10kV及以上電壓等級的配電網(wǎng)，直接使用單管器件進行開關面臨著極其嚴峻的耐壓挑戰(zhàn)。雖然目前已有高壓SiC器件（如10kV/15kV SiC MOSFET）的實驗性報道 ，但在商業(yè)化應用中，基于成熟的1200V或1700V器件進行多電平拓撲構建仍是由于成本和供應鏈可靠性考慮下的首選方案。在多電平拓撲中，級聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge, CHB） 相比于模塊化多電平換流器（MMC）展現(xiàn)出了在配電網(wǎng)SST應用中的獨特優(yōu)勢。

表 1：配電網(wǎng)SST應用中CHB與MMC拓撲的對比分析

基于上述分析，CHB拓撲被廣泛認為是SST高壓整流級的最佳選擇。它允許設計者使用技術成熟、供應鏈完善的1200V或1700V SiC MOSFET模塊（如基本半導體的Pcore?2 E2B系列）來構建10kV甚至35kV的變換器，通過模塊的串聯(lián)疊加來分擔高壓應力，同時利用載波移相技術（Phase Shifted Carrier PWM）顯著提高等效開關頻率，減小網(wǎng)側濾波器的體積。

2.3 隔離型DC/DC級：雙有源橋（DAB）與其演進

隔離型DC/DC變換器是連接高壓直流母線與低壓直流母線的橋梁。在這一級，拓撲的選擇直接關系到SST的效率和雙向功率流動的能力。雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB） 變換器及其變種（如CLLC諧振變換器）是目前的主流選擇。

2.3.1 DAB變換器的工作機理與SiC的適配性

DAB變換器由原邊全橋、高頻變壓器、輔助電感（或利用變壓器漏感）和副邊全橋組成。通過控制原副邊橋臂電壓的移相角（Phase Shift Angle, ?），可以精確控制功率傳輸?shù)拇笮『头较?。

P=2πfs?LnV1?V2???(1?π∣?∣?)

其中，n為變壓器變比，V1?,V2?為原副邊直流電壓，fs?為開關頻率，L為等效電感。

SiC MOSFET在DAB中的關鍵價值：

高頻化帶來的體積縮減： 傳統(tǒng)Si IGBT受限于拖尾電流，DAB工作頻率通常限制在幾kHz。而SiC MOSFET無拖尾電流，可將fs?提升至20kHz-100kHz甚至更高。根據(jù)變壓器設計原理，磁芯體積大致與頻率成反比，因此SiC的使用能顯著減小HFT體積 。

軟開關（ZVS）性能的提升： DAB在一定負載范圍內可實現(xiàn)零電壓開通（ZVS）。SiC MOSFET輸出電容Coss?較小且特性穩(wěn)定，結合其極快的開關速度，使得死區(qū)時間（Dead Time）可以設置得更短，從而拓寬了ZVS的有效工作范圍，減少了體二極管的導通損耗 。

2.3.2 諧振型CLLC拓撲的興起

雖然DAB控制簡單，但在寬電壓范圍或輕載條件下容易丟失ZVS，導致硬開關損耗劇增。為了解決這一問題，CLLC諧振變換器被引入SST設計中。CLLC利用諧振槽路特性，能夠在全負載范圍內實現(xiàn)原邊開關管的ZVS和副邊整流管的ZCS（零電流關斷），特別適合SiC器件的高頻運行。然而，CLLC的頻率調制（PFM）控制比DAB的移相控制更為復雜，且對磁性元件的參數(shù)一致性要求極高 。在實際工程中，DAB憑借其控制的確定性和魯棒性，依然是模塊化SST的首選，特別是在結合了三重移相控制（Triple Phase Shift, TPS） 等先進策略后，其軟開關范圍得到了極大擴展 。

3. SST關鍵軟硬件設計挑戰(zhàn)與解決方案

SST的研發(fā)不僅僅是拓撲的堆疊，更是對極端物理場下材料、器件與控制算法的綜合挑戰(zhàn)。

3.1 高頻變壓器（HFT）的絕緣與損耗平衡

SST中的HFT不僅要傳輸大功率高頻能量，還要承擔中壓電網(wǎng)（如10kV）對低壓側的絕緣隔離。這是傳統(tǒng)工頻變壓器所不具備的雙重壓力。

磁芯材料選擇： 隨著頻率提升至中頻（10-20kHz），傳統(tǒng)的硅鋼片因渦流損耗過大而失效。納米晶（Nanocrystalline） 材料因其高飽和磁感應強度（Bs?≈1.2T）和相對較低的損耗，成為中頻大功率SST的首選。若頻率進一步提升至100kHz以上（利用SiC的高頻潛力），錳鋅鐵氧體（Mn-Zn Ferrite） 則因其在高頻下極低的損耗表現(xiàn)而占據(jù)優(yōu)勢，盡管其Bs?較低（≈0.4T），限制了功率密度 。

繞組高頻效應與利茲線（Litz Wire）： 高頻電流產(chǎn)生的集膚效應（Skin Effect）和鄰近效應（Proximity Effect）會導致繞組交流電阻（Rac?）急劇增加。設計必須采用多股細微絞合的利茲線，但這會降低窗口利用率（Window Utilization Factor），增加變壓器體積。

絕緣設計與局部放電（PD）： SiC MOSFET的高dv/dt（可達50-100 kV/μs）會在變壓器繞組層間和匝間產(chǎn)生極大的位移電流，不僅導致電磁干擾（EMI），還會加劇絕緣介質的電應力，誘發(fā)局部放電。 "無空穴"（Void-free）灌封工藝、靜電屏蔽層的引入以及梯度絕緣設計是解決這一問題的關鍵硬件手段 。

3.2 高壓SiC器件的驅動與保護

驅動SiC MOSFET與驅動傳統(tǒng)Si IGBT有著本質區(qū)別，這對硬件電路設計提出了極高要求。

驅動電壓與串擾（Crosstalk）： SiC MOSFET通常需要+18V的開通電壓以降低RDS(on)?，以及-3V/-5V的關斷電壓以防止誤導通。由于SiC的高dv/dt，米勒電容（Cgd?）會向柵極注入電流，極易引發(fā)橋臂直通。因此，驅動電路必須具備有源米勒鉗位（Active Miller Clamp, AMC） 功能或采用極低阻抗的關斷回路 。

短路保護（Short Circuit Protection）： SiC芯片面積小，熱容量低，其短路耐受時間（Short Circuit Withstand Time, SCWT）通常小于3μs，遠低于IGBT的10μs。這意味著傳統(tǒng)的去飽和（Desat）檢測電路必須在數(shù)百納秒內響應，并執(zhí)行兩級關斷（2L Turn-off） 以避免因關斷過快導致的di/dt感應過壓擊穿模塊 。

3.3 軟件控制策略：電壓平衡與死區(qū)優(yōu)化

CHB電壓平衡控制： 在多級聯(lián)的SST中，各模塊的參數(shù)差異和負載不平衡會導致直流母線電壓發(fā)散。軟件設計需引入多層級的電壓平衡控制回路：頂層控制總電壓，底層通過微調各模塊的占空比或移相角來實現(xiàn)單體電壓平衡。對于SiC基SST，利用其高開關頻率，可以設計帶寬更高的電壓平衡環(huán)路，實現(xiàn)更快的動態(tài)響應 。

自適應死區(qū)控制： 固定死區(qū)時間是效率的殺手。死區(qū)過長會導致SiC體二極管長時間續(xù)流，造成嚴重的反向恢復損耗（盡管SiC較小但仍存在）和導通損耗；死區(qū)過短則有直通風險。先進的軟件設計會根據(jù)負載電流和器件結電容特性，實時計算最佳死區(qū)時間，或者采用基于電流檢測的自適應死區(qū)邏輯，以最大化ZVS區(qū)間 。

4. 傾佳電子代理的基本半導體SiC模塊在SST中的應用價值

作為國產(chǎn)碳化硅功率器件的領軍企業(yè)，深圳基本半導體（BASiC Semiconductor）推出了一系列針對工業(yè)與電網(wǎng)應用的高性能SiC模塊。傾佳電子作為其核心代理商，不僅提供產(chǎn)品，更提供了連接器件與系統(tǒng)的技術橋梁。以下將詳細分析幾款核心產(chǎn)品在SST硬件設計中的具體應用價值。

4.1 BMF240R12E2G3：Pcore?2 E2B封裝模塊的SST適配性

產(chǎn)品規(guī)格： 1200V / 240A，半橋拓撲，采用Pcore?2 E2B封裝 。

SST應用場景： 該模塊是構建10kV級聯(lián)H橋（CHB）整流器的理想功率單元。

應用價值分析：

高壓級聯(lián)的基石： 在10kV配電網(wǎng)SST中，通常每相需要7-9個級聯(lián)單元。每個單元的直流母線電壓約為700V-800V。1200V的耐壓等級正好滿足這一需求，留有足夠的安全裕量以應對電網(wǎng)過壓和開關尖峰。

Si3?N4? AMB基板的可靠性： 傳統(tǒng)的DBC基板難以承受SST在電網(wǎng)波動和負載突變（如EV充電）下的劇烈熱循環(huán)。BMF240R12E2G3采用了氮化硅活性金屬釬焊（Si3?N4? AMB） 陶瓷基板。數(shù)據(jù)顯示，Si3?N4?的熱導率（>90 W/m·K）是氧化鋁的3倍以上，抗彎強度是其10倍。這意味著該模塊能承受更嚴苛的功率沖擊，大幅提升SST系統(tǒng)的預期壽命和可靠性 。

集成SBD與死區(qū)優(yōu)化： 該模塊集成了SiC肖特基二極管（SBD）或利用了優(yōu)化的體二極管特性，實現(xiàn)了零反向恢復。在SST的DAB級，當負載較輕無法維持ZVS時，硬開關不可避免。此時，集成SBD能消除反向恢復電流帶來的巨大損耗和EMI噪聲，確保SST在全負載范圍內的高效運行 。

Press-Fit壓接技術： 適合自動化生產(chǎn)，降低了模塊與PCB之間的接觸電阻和寄生電感，這對于動輒包含數(shù)十個模塊的SST系統(tǒng)來說，是保證一致性和良率的關鍵。

4.2 BMF540R12KA3：62mm封裝模塊的大功率優(yōu)勢

產(chǎn)品規(guī)格： 1200V / 540A，半橋拓撲，經(jīng)典62mm工業(yè)封裝 。

SST應用場景： 適用于SST的低壓大電流側（LV DC/AC Inverter）或大功率集中式DAB變換器。

應用價值分析：

超低導通電阻（RDS(on)?=2.5mΩ）： 在SST的低壓側（如750V直流母線），電流往往高達數(shù)百安培。導通損耗（I2R）成為效率的主要殺手。BMF540R12KA3的極低導通電阻使其在處理500A以上電流時，導通壓降僅約1.2V，遠低于同等級IGBT的飽和壓降（通常>2.0V），顯著降低了散熱需求。

低雜散電感設計（<14nH）： 62mm封裝經(jīng)過內部布局優(yōu)化，實現(xiàn)了極低的雜散電感。這對于抑制SiC高頻開關過程中的關斷電壓尖峰（Vspike?=Lstray??di/dt）至關重要，允許SST設計者使用更小的吸收電容，簡化主回路設計。

直接替代升級： 62mm是工業(yè)界最通用的封裝標準。使用該模塊可以方便地將現(xiàn)有的基于IGBT的變流器升級為SiC SST方案，無需徹底重新設計機械結構，降低了研發(fā)門檻。

4.3 BMF80R12RA3：34mm封裝模塊的靈活應用

產(chǎn)品規(guī)格： 1200V / 80A，34mm半橋 。

SST應用場景： 適用于分布式SST、輔助電源系統(tǒng)或功率較小的級聯(lián)單元。

應用價值分析：

高頻化極致： 較小的芯片面積意味著更小的柵極電荷（Qg?）。這使得BMF80系列極易驅動，能夠輕松工作在100kHz以上。這對于追求極致功率密度的緊湊型SST（如掛網(wǎng)式變壓器）是絕佳選擇，可以最大限度減小磁性元件體積。

成本效益： 對于不需要大電流的子模塊，使用34mm模塊可以有效控制BOM成本，同時保持SiC的高效特性。

5. 驅動生態(tài)系統(tǒng)的關鍵作用：基本半導體子公司青銅劍技術的協(xié)同

硬件的潛能釋放離不開驅動電路的精準控制。傾佳電子通過整合基本半導體子公司青銅劍技術（Bronze Technologies） 的驅動方案，為基本半導體的SiC模塊提供了“交鑰匙”式的應用環(huán)境。SiC MOSFET的驅動難度遠高于IGBT，主要體現(xiàn)在對dv/dt的抗擾度、極快的短路保護需求以及負壓關斷的必要性。

5.1 適配62mm與34mm SiC模塊的驅動方案

針對BMF540R12KA3等62mm模塊，基本半導體子公司青銅劍推出了2CP0220T12系列即插即用驅動器 。

高峰值電流（±20A）： 為了在納秒級時間內完成SiC MOSFET的開通與關斷，必須向柵極注入巨大電流以迅速對輸入電容充電。20A的峰值電流能力確保了BMF540這樣的大電流模塊也能實現(xiàn)極快的開關速度，減少開關損耗。

高頻支持： 設計支持高達100kHz的開關頻率，完美契合SiC SST的設計目標。

5.2 適配E2B封裝的驅動核心

針對Pcore?2 E2B封裝（如BMF240R12E2G3），基本半導體子公司青銅劍提供了2QD0225T12或類似ASIC驅動核 。

緊湊集成： 這種驅動核體積小巧，可以直接焊接在以E2B模塊為核心的功率單元PCB上，最大限度減小柵極回路電感，從物理上抑制震蕩。

5.3 針對SST應用的關鍵保護特性

在SST這種高壓、高頻、高功率密度的應用中，驅動器的保護功能是系統(tǒng)安全的最后一道防線：

有源米勒鉗位（Active Miller Clamp, AMC）：

痛點： 在SST的級聯(lián)橋臂中，一個開關管的高速導通會產(chǎn)生極高的dv/dt，通過米勒電容耦合到互補管的柵極，導致誤導通（直通短路）。

解決方案： 青銅劍驅動器內置AMC功能，在關斷期間通過低阻抗回路直接鉗位柵極電壓，防止誤導通。這比單純依靠負壓關斷更可靠，且不需要過大的負壓電源 。

快速去飽和保護與軟關斷（Soft Shut Down, SSD）：

痛點： SiC MOSFET的短路耐受時間極短（<2-3μs）。傳統(tǒng)IGBT驅動的10μs保護時間對SiC來說太慢，且直接關斷大短路電流會引發(fā)足以擊穿器件的過壓。

解決方案： 驅動器具備極速去飽和檢測能力，一旦檢測到短路，立即執(zhí)行軟關斷，緩慢降低柵極電壓，限制di/dt，從而抑制關斷過壓，保護昂貴的SiC模塊不被物理損壞 。

6. 結論

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎設施；
交通電動化：服務新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進口、加速能源低碳轉型”為使命，響應國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。

固態(tài)變壓器（SST）代表了電力電子技術在電網(wǎng)應用中的最高水平，其核心競爭力的構建依賴于先進的拓撲架構與高性能功率器件的深度融合。通過采用級聯(lián)H橋（CHB） 結合雙有源橋（DAB） 的三級式架構，SST能夠有效應對中壓電網(wǎng)的耐壓需求并實現(xiàn)靈活的能量路由。

在此架構中，基本半導體的SiC MOSFET模塊發(fā)揮了決定性作用。BMF240R12E2G3憑借Si3?N4? AMB基板帶來的高可靠性，成為CHB級聯(lián)單元的理想選擇；BMF540R12KA3以其低導通電阻和低雜散電感，解決了低壓大電流側的效率瓶頸。而BMF80R12RA3則為高頻緊湊型設計提供了可能。

進一步地，傾佳電子通過整合基本半導體子公司青銅劍技術的專業(yè)驅動方案，解決了SiC應用中的“最后一公里”難題。高驅動電流、有源米勒鉗位和快速軟關斷保護等特性，消除了SiC器件在SST高頻硬開關工況下的失效風險。這種“器件+驅動”的系統(tǒng)級解決方案，不僅降低了SST的研發(fā)門檻，更大幅提升了系統(tǒng)的功率密度與全生命周期可靠性，為智能電網(wǎng)的演進提供了堅實的硬件基石。

審核編輯 黃宇