面向未來電網(wǎng)的SST固態(tài)變壓器：高頻DC-DC變換拓?fù)?、先進(jìn)控制策略與SiC功率模塊應(yīng)用研究報(bào)告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)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(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)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(shì)！

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(shì)！

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

1. 緒論：電網(wǎng)現(xiàn)代化的核心引擎——固態(tài)變壓器

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的深刻變革，分布式可再生能源（DERs）的高比例滲透、電動(dòng)汽車（EV）充電基礎(chǔ)設(shè)施的爆發(fā)式增長(zhǎng)以及直流微電網(wǎng)的興起，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在這一背景下，固態(tài)變壓器（Solid State Transformer, SST），亦被稱為電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET），作為一種能夠替代傳統(tǒng)工頻變壓器（Line Frequency Transformer, LFT）并提供更多智能化功能的關(guān)鍵設(shè)備，正逐漸成為智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn) 。

傳統(tǒng)工頻變壓器基于電磁感應(yīng)原理，雖然可靠性高、成本低，但其體積和重量與工作頻率成反比，且缺乏對(duì)電壓、頻率和功率潮流的靈活控制能力。SST通過引入電力電子變換器，利用高頻變壓器（HFT）實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓變換，不僅大幅減小了體積和重量（體積可減少80%以上），還具備了瞬時(shí)電壓調(diào)節(jié)、無功功率補(bǔ)償、諧波抑制、故障隔離以及交直流混合接口等高級(jí)功能 。

然而，SST的廣泛應(yīng)用面臨著效率、功率密度、可靠性和成本等多重技術(shù)瓶頸。其中，高頻隔離型DC-DC變換級(jí)作為SST的核心能量傳輸通道，其拓?fù)溥x擇和控制策略直接決定了系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，憑借其高耐壓、低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和優(yōu)異的高溫特性，為解決SST的效率和熱管理難題提供了革命性的解決方案 。

傾佳電子將從SST的拓?fù)浼軜?gòu)出發(fā)，深入剖析高頻DC-DC變換器的技術(shù)細(xì)節(jié)與控制策略，并結(jié)合基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）的最新SiC功率模塊產(chǎn)品，全面闡述SiC技術(shù)在提升SST性能方面的應(yīng)用價(jià)值。

2. 固態(tài)變壓器的多級(jí)架構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)

SST的架構(gòu)設(shè)計(jì)需兼顧高壓接入能力、轉(zhuǎn)換效率、控制自由度以及系統(tǒng)的模塊化擴(kuò)展性。目前，三級(jí)式（Three-Stage）架構(gòu)因其解耦的控制能力和豐富的端口特性，被公認(rèn)為最適合配電網(wǎng)應(yīng)用的方案。

2.1 三級(jí)式SST架構(gòu)解析

三級(jí)式SST通常由高壓級(jí)AC-DC整流器、隔離級(jí)DC-DC變換器和低壓級(jí)DC-AC逆變器組成 。

高壓AC-DC級(jí)（整流級(jí)）： 該級(jí)直接面對(duì)中高壓電網(wǎng)（如10kV或35kV），負(fù)責(zé)將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電（HVDC）。其核心任務(wù)是保持網(wǎng)側(cè)電流正弦化（PFC功能），實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，并穩(wěn)定HVDC母線電壓。

隔離DC-DC級(jí)（變換級(jí)）： 這是SST的技術(shù)心臟。它將HVDC母線電壓調(diào)制為高頻方波，通過高頻變壓器耦合到副邊，再整流為低壓直流電（LVDC）。該級(jí)不僅提供必要的電氣隔離，還承擔(dān)著電壓匹配和功率流調(diào)節(jié)的任務(wù)。由于工作頻率通常在20kHz至100kHz甚至更高，變壓器磁芯體積得以顯著減小。

低壓DC-AC級(jí)（逆變級(jí)）： 將LVDC轉(zhuǎn)換為工頻交流電供給用戶負(fù)載，或作為微網(wǎng)的接口。同時(shí)，LVDC母線為分布式光伏、儲(chǔ)能電池和直流充電樁提供了直接接入點(diǎn)，極大地簡(jiǎn)化了交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu) 。

2.2 模塊化多電平架構(gòu)（Modular Multilevel Architectures）

面對(duì)中高壓電網(wǎng)的電壓等級(jí)（10kV-35kV），單個(gè)硅基（Si）甚至早期的SiC器件都難以直接承受全部電壓應(yīng)力。雖然10kV/15kV級(jí)的高壓SiC器件正在研發(fā)中 ，但目前商業(yè)化最成熟、成本效益最高的方案是采用基于1200V或1700V器件的模塊化級(jí)聯(lián)架構(gòu)。

2.2.1 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）架構(gòu)

輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input-Series Output-Parallel, ISOP）是目前中壓SST中最主流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。

輸入串聯(lián)（Input-Series）： 在高壓側(cè)，多個(gè)DC-DC變換器模塊的輸入端串聯(lián)連接。每個(gè)模塊分擔(dān)一部分母線電壓（例如，10kV直流母線由10個(gè)模塊串聯(lián)分擔(dān)，每個(gè)模塊承受1kV）。這種結(jié)構(gòu)允許使用成熟的1200V或1700V SiC MOSFET，避免了對(duì)昂貴且技術(shù)不成熟的超高壓器件的依賴。

輸出并聯(lián)（Output-Parallel）： 在低壓側(cè)，所有模塊的輸出端并聯(lián)連接至低壓直流母線（如750V或400V）。這種結(jié)構(gòu)使得各模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，適合大功率應(yīng)用。

ISOP架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于其高度的模塊化和冗余性。如果某個(gè)模塊發(fā)生故障，可以通過旁路開關(guān)將其切除，其余模塊在降額運(yùn)行的情況下仍能維持系統(tǒng)工作，從而顯著提高了系統(tǒng)的可靠性 。此外，通過載波移相技術(shù)，級(jí)聯(lián)的AC-DC級(jí)可以產(chǎn)生多電平階梯波，極大地降低了網(wǎng)側(cè)電流諧波（THD）和濾波電感體積 。

2.2.2 級(jí)聯(lián)H橋（CHB）與模塊化多電平換流器（MMC）

在AC-DC級(jí)，級(jí)聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge, CHB）拓?fù)湟蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊獨(dú)立性強(qiáng)而被廣泛采用。每個(gè)H橋模塊都有獨(dú)立的直流電容，通過隔離DC-DC級(jí)向后級(jí)傳輸功率 。相比之下，模塊化多電平換流器（MMC）雖然在HVDC輸電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)，但在配網(wǎng)SST應(yīng)用中，CHB結(jié)合ISOP DC-DC的方案因控制相對(duì)簡(jiǎn)單、器件利用率高而更具優(yōu)勢(shì)。

3. 高頻隔離型DC-DC變換器拓?fù)渖疃绕饰?/p>

隔離型DC-DC變換器是SST實(shí)現(xiàn)高頻隔離、電壓匹配和功率調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在眾多拓?fù)渲?，雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）變換器和LLC諧振變換器是最具競(jìng)爭(zhēng)力的兩種選擇。

3.1 雙有源橋（DAB）變換器：雙向流動(dòng)的基石

DAB變換器自20世紀(jì)90年代提出以來，因其固有的雙向功率流動(dòng)能力、高功率密度和模塊化特性，已成為SST DC-DC級(jí)的首選拓?fù)渲?。

3.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

典型的DAB拓?fù)溆稍吶珮?、副邊全橋、高頻變壓器以及輔助儲(chǔ)能電感（通常利用變壓器的漏感Lk?）組成。

運(yùn)行機(jī)制： 原邊和副邊全橋均以50%的占空比運(yùn)行，產(chǎn)生高頻方波電壓vp?和vs?。通過控制兩個(gè)方波電壓之間的移相角?，可以在漏感兩端產(chǎn)生壓降，從而控制功率流的大小和方向。

功率傳輸方程： 在單移相（SPS）控制下，傳輸功率P為：

P=2πfsw?Lk?nVin?Vout???(1?π∣?∣?)

其中，n為變壓器變比，fsw?為開關(guān)頻率。

3.1.2 性能特征分析

零電壓開通（ZVS）： DAB的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，這對(duì)于降低高頻開關(guān)損耗至關(guān)重要。ZVS的實(shí)現(xiàn)依賴于漏感電流在開關(guān)動(dòng)作前對(duì)結(jié)電容的充放電 。

雙向功率流： 由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，DAB可以無縫地實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，這對(duì)于需要V2G（Vehicle-to-Grid）功能的電動(dòng)汽車充電站或儲(chǔ)能接口SST至關(guān)重要 。

局限性： 傳統(tǒng)SPS控制下的DAB在輸入輸出電壓不匹配（即電壓增益k=1）或輕載條件下，會(huì)產(chǎn)生較大的回流功率（Reactive Circulating Power）。回流功率不傳輸能量，但會(huì)增加開關(guān)管的RMS電流和導(dǎo)通損耗，導(dǎo)致效率顯著下降，并可能導(dǎo)致ZVS丟失 。

3.2 LLC諧振變換器：極致效率的追求

LLC諧振變換器利用LC諧振槽路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，是另一種在SST中備受關(guān)注的拓?fù)?，特別是在單向功率傳輸或?qū)π室髽O高的場(chǎng)合。

3.2.1 拓?fù)渑c諧振特性

LLC拓?fù)浒粋€(gè)諧振電容Cr?、一個(gè)諧振電感Lr?和勵(lì)磁電感Lm?。

軟開關(guān)機(jī)制： LLC變換器可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的ZVS，并在副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷（ZCS），從而幾乎消除了反向恢復(fù)損耗 。

調(diào)頻控制（PFM）： 與DAB的移相控制不同，LLC通常通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來控制電壓增益。當(dāng)工作頻率接近諧振頻率時(shí)，效率達(dá)到最高。

3.2.2 DAB與LLC的深度對(duì)比

在SST應(yīng)用場(chǎng)景下，DAB與LLC的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如下表所示 ：

結(jié)論： 對(duì)于要求雙向流動(dòng)、寬電壓范圍運(yùn)行且易于模塊化擴(kuò)展的SST應(yīng)用，DAB（及其變種CLLC）通常被認(rèn)為是更綜合的解決方案。LLC則更適用于特定工況下對(duì)效率有極致追求的場(chǎng)合。

4. 高頻DAB變換器的先進(jìn)控制策略

為了克服DAB變換器在傳統(tǒng)單移相（SPS）控制下回流功率大、電流應(yīng)力高以及輕載ZVS丟失的問題，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)展了一系列先進(jìn)的調(diào)制與控制策略。

4.1 多自由度調(diào)制策略 (Advanced Modulation Schemes)

通過引入更多的控制自由度，可以優(yōu)化電流波形，降低損耗 。

擴(kuò)展移相控制（EPS）： 在控制內(nèi)外橋間移相角的同時(shí)，對(duì)其中一個(gè)全橋引入內(nèi)移相角（Inner Phase Shift），使其輸出三電平電壓波形。EPS可以擴(kuò)大ZVS范圍并降低回流功率，特別是在電壓不匹配時(shí)。

雙重移相控制（DPS）： 對(duì)原邊和副邊全橋同時(shí)引入相同的內(nèi)移相角，并控制外移相角。DPS在提高輕載效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，且控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單。

三重移相控制（TPS）： 這是DAB控制的終極形式，允許獨(dú)立控制原邊內(nèi)移相角、副邊內(nèi)移相角和外移相角三個(gè)自由度。通過構(gòu)建拉格朗日優(yōu)化函數(shù)或KKT條件，TPS可以在任意運(yùn)行點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電流有效值（RMS）最小化或全范圍ZVS 。雖然計(jì)算復(fù)雜度高，但配合現(xiàn)代高性能DSP或FPGA，TPS能最大程度挖掘DAB的潛能。

4.2 基于模型的預(yù)測(cè)控制 (Model Predictive Control, MPC)

傳統(tǒng)的PI控制在處理DAB的非線性特性和多目標(biāo)約束時(shí)往往力不從心。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）因其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和多變量處理能力，在SST控制中日益受到重視 。

基本原理： MPC利用DAB的離散時(shí)間模型，在每個(gè)開關(guān)周期預(yù)測(cè)未來時(shí)刻的狀態(tài)變量（如電感電流、輸出電壓）。通過定義包含控制目標(biāo)（如電壓跟蹤誤差）和約束條件（如電流限制、軟開關(guān)邊界）的代價(jià)函數(shù)，MPC選擇使代價(jià)函數(shù)最小的控制量作用于系統(tǒng)。

移動(dòng)離散控制集MPC (MDCS-MPC)： 為了解決傳統(tǒng)有限控制集MPC（FCS-MPC）穩(wěn)態(tài)誤差大和開關(guān)頻率不固定的問題，MDCS-MPC在當(dāng)前工作點(diǎn)附近動(dòng)態(tài)生成候選控制集。這種方法結(jié)合了高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和低穩(wěn)態(tài)紋波的優(yōu)點(diǎn)，且計(jì)算量適中，非常適合高頻SST應(yīng)用 。

4.3 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）系統(tǒng)的均壓控制

在ISOP架構(gòu)的SST中，確保各串聯(lián)模塊的輸入電壓均衡（Input Voltage Sharing, IVS）是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。由于器件參數(shù)差異、變壓器漏感不一致或驅(qū)動(dòng)延時(shí)，模塊間可能出現(xiàn)電壓失衡，導(dǎo)致個(gè)別模塊過壓擊穿 。

解耦控制策略： 一種有效的策略是將輸出電壓閉環(huán)控制（OVR）與輸入均壓控制（IVS）解耦。

OVR環(huán)路： 產(chǎn)生一個(gè)公共的基準(zhǔn)占空比或移相角，作用于所有模塊，以調(diào)節(jié)總輸出電壓。

IVS環(huán)路： 每個(gè)模塊檢測(cè)自身的輸入電壓與平均輸入電壓的偏差，通過微調(diào)各自的移相角來補(bǔ)償電壓不平衡。例如，電壓偏高的模塊增加移相角以輸出更多功率，從而降低其電容電壓 。

無互聯(lián)通信控制： 為了提高可靠性，一些研究提出了基于下垂控制（Droop Control）的分布式均壓策略，無需模塊間的高速通信即可實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)平衡，這對(duì)于模塊數(shù)量眾多的SST尤為重要 。

5. SiC功率模塊：SST性能躍升的關(guān)鍵使能技術(shù)

如果說拓?fù)浜涂刂剖荢ST的“大腦”，那么功率半導(dǎo)體器件就是SST的“肌肉”。傳統(tǒng)的硅（Si）基IGBT由于開關(guān)速度慢、反向恢復(fù)損耗大，限制了SST的工作頻率（通常低于5kHz），導(dǎo)致變壓器體積依然龐大。碳化硅（SiC）技術(shù)的成熟，為SST帶來了質(zhì)的飛躍。

5.1 SiC材料特性的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)

SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體，相比Si材料具有三大核心優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)在SST應(yīng)用中被極度放大 ：

高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（10倍于Si）： 允許在更薄的漂移層上實(shí)現(xiàn)高耐壓。這意味著同等電壓等級(jí)下，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS(on)?）顯著降低，且不需要像IGBT那樣采用雙極性調(diào)制（消除拖尾電流）。應(yīng)用價(jià)值： 極低的導(dǎo)通損耗使得SST在高負(fù)載下仍能保持高效率，減少散熱需求。

高電子飽和漂移速度（2倍于Si）： 支持極高的開關(guān)速度。SiC MOSFET的開關(guān)過程主要受限于寄生電容充放電，幾乎沒有少子存儲(chǔ)效應(yīng)。應(yīng)用價(jià)值： SST的開關(guān)頻率可從Si時(shí)代的數(shù)kHz提升至20kHz-100kHz甚至更高。根據(jù)變壓器體積公式 V∝1/f，頻率提升10倍意味著變壓器體積可減小近90%，這是實(shí)現(xiàn)SST高功率密度的物理基礎(chǔ) 。

高熱導(dǎo)率（3倍于Si）： SiC材料散熱能力極強(qiáng)，且能在更高結(jié)溫（Tvj?≥175°C）下穩(wěn)定工作。應(yīng)用價(jià)值： 簡(jiǎn)化了SST的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的過載能力和惡劣環(huán)境適應(yīng)性。

5.2 基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）SiC模塊的應(yīng)用價(jià)值分析

結(jié)合用戶提供的BASiC Semiconductor產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們可以具體分析高性能SiC模塊如何賦能SST設(shè)計(jì)。

5.2.1 極低導(dǎo)通電阻與高電流能力

以 BMF540R12MZA3 模塊為例，該模塊額定電壓1200V，連續(xù)漏極電流高達(dá) 540A (TC?=90°C)。其典型的導(dǎo)通電阻 RDS(on)? 在 25°C 時(shí)僅為 2.2 mΩ，即便在 175°C 高溫下也僅上升至 3.8 mΩ 。

SST應(yīng)用價(jià)值： 在ISOP架構(gòu)的低壓側(cè)（輸出并聯(lián)側(cè)），匯流電流極大。例如一個(gè)1MVA的SST，低壓側(cè)直流電流可達(dá)數(shù)千安培。使用這種超低阻抗模塊，可以顯著減少并聯(lián)模塊的數(shù)量，簡(jiǎn)化母排設(shè)計(jì)，并大幅降低I2R導(dǎo)通損耗，直接提升整機(jī)效率。

5.2.2 優(yōu)化的反向恢復(fù)與開關(guān)特性

DAB變換器的工作依賴于能量在電感和變壓器之間的交換。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，MOSFET的體二極管會(huì)續(xù)流。傳統(tǒng)Si MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性差，導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI和損耗。

BASiC的 BMF360R12KA3 (1200V/360A) 和 BMF160R12RA3 等模塊明確標(biāo)注了優(yōu)化的體二極管反向恢復(fù)行為（Body Diode Reverse Recovery behavior optimized）。數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示，BMF360R12KA3在600V/360A工況下的開通損耗 Eon? 僅為 7.6 mJ，關(guān)斷損耗 Eoff? 為 3.9 mJ 。

SST應(yīng)用價(jià)值： 低 Eon? 和 Eoff? 是實(shí)現(xiàn)高頻化的前提。更重要的是，優(yōu)化的體二極管特性（或如 BMF008MR12E2G3 模塊集成了SiC肖特基二極管實(shí)現(xiàn)“零反向恢復(fù)” ）對(duì)于DAB變換器至關(guān)重要，它能抑制死區(qū)時(shí)間結(jié)束瞬間的電流尖峰，保護(hù)對(duì)管不被擊穿，并減少死區(qū)時(shí)間設(shè)定的裕量，從而擴(kuò)大功率傳輸范圍。

5.2.3 先進(jìn)封裝技術(shù)的可靠性保障

SST通常應(yīng)用于電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)可靠性要求極高（通常要求20年以上壽命）。BASiC模塊采用了 氮化硅（Si3?N4?）AMB陶瓷基板 和 銅基板 36。

SST應(yīng)用價(jià)值： Si3?N4? 陶瓷具有極高的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性，熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的氧化鋁（Al2?O3?）。在SST面臨電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的熱循環(huán)沖擊時(shí)，Si3?N4? 基板能有效抵抗熱應(yīng)力引起的焊層疲勞和裂紋擴(kuò)展，大幅提升模塊的功率循環(huán)壽命（Power Cycling Capability） 37。這對(duì)于無人值守的SST站點(diǎn)尤為關(guān)鍵。

5.3 SiC與Si在SST中的量化對(duì)比

表 1：Si與SiC器件在SST應(yīng)用中的關(guān)鍵性能對(duì)比 39

6. 面臨的工程挑戰(zhàn)與解決之道

盡管SiC模塊為SST帶來了巨大的性能提升，但其高頻、高壓、高開關(guān)速度（High dv/dt）的特性也給工程實(shí)現(xiàn)帶來了新的挑戰(zhàn)。

6.1 高dv/dt引發(fā)的絕緣與EMI問題

SiC MOSFET的開關(guān)速度極快，dv/dt 可達(dá) 50-100 kV/μs。

挑戰(zhàn)： 極高的電壓變化率會(huì)通過高頻變壓器的繞組間寄生電容耦合到副邊，產(chǎn)生共模噪聲（CM Noise），干擾低壓側(cè)的控制電路和傳感器。同時(shí)，高頻應(yīng)力會(huì)加速變壓器絕緣材料的老化 。

解決方案：

變壓器屏蔽： 在HFT原副邊繞組間增加靜電屏蔽層（Shielding Layer），并將屏蔽層接地，引導(dǎo)共模電流流入地線而非信號(hào)線。

軟開關(guān)優(yōu)化： 利用TPS控制或諧振參數(shù)設(shè)計(jì)，確保在大部分工況下實(shí)現(xiàn)ZVS開通，利用結(jié)電容自然限制dv/dt。

驅(qū)動(dòng)優(yōu)化： 采用具有高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI > 100kV/μs）的隔離驅(qū)動(dòng)芯片 。

6.2 驅(qū)動(dòng)保護(hù)與死區(qū)時(shí)間優(yōu)化

SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間（Short Circuit Withstand Time, SCWT）通常僅為2-3μs，遠(yuǎn)低于IGBT的10μs。

挑戰(zhàn)： 傳統(tǒng)的去飽和（Desat）保護(hù)可能反應(yīng)太慢，導(dǎo)致器件損壞。

解決方案： 在碳化硅（SiC）功率模塊的應(yīng)用中，**兩級(jí)關(guān)斷（2LTO - Two-Level Turn-Off）**已成為應(yīng)對(duì)短路（Short Circuit, SC）和過流保護(hù)的核心技術(shù)。相比傳統(tǒng)的硅基 IGBT，SiC MOSFET 對(duì)過壓和短路時(shí)間的耐受力更脆弱，因此 2LTO 的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

為什么 SiC 需要 2LTO？

在發(fā)生短路故障時(shí)，電流會(huì)迅速飆升至額定電流的數(shù)倍。如果此時(shí)直接關(guān)斷：

電壓尖峰風(fēng)險(xiǎn)： 根據(jù)公式 Vpk?=Vdc?+Lstray??dtdi?，SiC 極快的關(guān)斷速度（高 di/dt）結(jié)合回路寄生電感，會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓尖峰，可能擊穿器件。

軟關(guān)斷（STO）的局限性： 傳統(tǒng)的軟關(guān)斷通過減小柵極電流來緩慢降低 Vgs?，但在大電流下，STO 可能導(dǎo)致關(guān)斷延遲過長(zhǎng)，使 SiC 超出其短路耐受時(shí)間（通常僅為 2μs～3μs）。

2LTO 的邏輯是： 先將柵極電壓降至一個(gè)中間電平，抑制電流上升并初步降低 di/dt，經(jīng)過一段短時(shí)間的延遲后再?gòu)氐钻P(guān)斷。

2LTO 的工作過程

2LTO 的動(dòng)作通常分為以下三個(gè)階段：

第一階段：故障檢測(cè)與初始降壓

當(dāng)驅(qū)動(dòng) IC（如通過 Desat 或過流采樣）檢測(cè)到短路時(shí)，立即將柵極電壓 Vgs? 從正常的導(dǎo)通電壓（如 15V 或 18V）降低到一個(gè)中間平臺(tái)電壓 V2LTO? （通常在 8V 至 10V 左右，略高于開啟閾值 Vth?）。

目的： 增加 MOSFET 的通道電阻，主動(dòng)限制短路電流的峰值。

第二階段：平臺(tái)期維持（Delay Time）

系統(tǒng)在 V2LTO? 電平下維持一段微秒級(jí)的延遲時(shí)間（td?）。

目的： 讓回路電流在這個(gè)受限的水平下穩(wěn)定下來，減小總體的 di/dt 動(dòng)能。

第三階段：安全關(guān)斷

在延遲期結(jié)束后，將 Vgs? 降至關(guān)斷電平（如 -3V 或 -5V），徹底關(guān)閉器件。

結(jié)果： 由于電流已經(jīng)預(yù)先被限制，最后的關(guān)斷過程產(chǎn)生的電壓過沖（Voltage Overshoot）被控制在安全范圍內(nèi)。

2LTO 與 STO 的對(duì)比

硬件實(shí)施的關(guān)鍵參數(shù)

要完美發(fā)揮 2LTO 的作用，需要精確調(diào)整以下兩個(gè)參數(shù)：

平臺(tái)電壓 (V2LTO?)： * 如果設(shè)置太高，限制電流的效果不明顯。

如果設(shè)置太低（接近 Vth?），器件可能進(jìn)入線性區(qū)導(dǎo)致過熱損壞。

延遲時(shí)間 (td?)： * 通常在 0.5μs 到 2μs 之間。必須確保總的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間（從故障發(fā)生到徹底關(guān)斷）小于 SiC MOSFET 的短路耐受時(shí)間 tsc? 。

死區(qū)優(yōu)化： SiC MOSFET的體二極管導(dǎo)通壓降較高（3V-5V）。如果死區(qū)時(shí)間過長(zhǎng)，體二極管長(zhǎng)時(shí)間續(xù)流會(huì)造成巨大的導(dǎo)通損耗。需要采用自適應(yīng)死區(qū)控制技術(shù)，根據(jù)負(fù)載電流實(shí)時(shí)調(diào)整死區(qū)時(shí)間，使其剛好覆蓋開關(guān)動(dòng)作時(shí)間，既防止直通又最小化二極管導(dǎo)通時(shí)間 。

6.3 串?dāng)_（Crosstalk）抑制

在高頻橋式電路中，一個(gè)橋臂開關(guān)的高速開通會(huì)通過米勒電容Crss?向互補(bǔ)開關(guān)的柵極注入電流，可能導(dǎo)致誤導(dǎo)通（Shoot-through）。

解決方案： 推薦使用負(fù)壓關(guān)斷（如BASiC模塊推薦的-5V ）來提高抗干擾裕度。

7. 結(jié)論

深圳市傾佳電子有限公司（簡(jiǎn)稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)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(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲(chǔ)能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動(dòng)化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機(jī)）及高壓平臺(tái)升級(jí)；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET功率模塊，BASiC基本半導(dǎo)體SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。

固態(tài)變壓器（SST）代表了電力電子技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)用中的最高水平之一。通過采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）的模塊化架構(gòu)，SST成功克服了半導(dǎo)體耐壓的物理限制，實(shí)現(xiàn)了中高壓電網(wǎng)的靈活接入。在核心的DC-DC變換級(jí)，雙有源橋（DAB）變換器憑借其雙向流動(dòng)的特性和控制的靈活性，結(jié)合三重移相（TPS）或模型預(yù)測(cè)控制（MPC）等先進(jìn)策略，成為了實(shí)現(xiàn)高效能量管理的最優(yōu)解。

然而，SST從理論走向廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵推手是碳化硅（SiC）技術(shù)。通過對(duì)基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）BMF系列模塊的深入分析，我們看到SiC器件以其極低的導(dǎo)通電阻（低至2.2mΩ）、納秒級(jí)的開關(guān)速度和卓越的封裝可靠性，完美契合了SST對(duì)高功率密度、高效率和長(zhǎng)壽命的嚴(yán)苛要求。SiC的應(yīng)用不僅將SST的開關(guān)頻率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而大幅削減了磁性元件的體積，更在系統(tǒng)層面提升了電能質(zhì)量控制的響應(yīng)速度。

隨著1200V/1700V SiC模塊成本的進(jìn)一步下降以及更高電壓等級(jí)（3.3kV - 10kV）SiC器件的成熟，SST有望在電動(dòng)汽車超充站、交直流混合微電網(wǎng)以及數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中大規(guī)模取代傳統(tǒng)變壓器，構(gòu)建起更加智能、高效、靈活的現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)。