固態(tài)變壓器SST即電力電子變壓器（PET）拓撲架構解析與演進趨勢研究報告

BASiC Semiconductor基本半導體一級代理商傾佳電子（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，代理并力推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！

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1. 緒論：電網轉型的核心引擎與SST的范式轉移

1.1 從被動傳輸?shù)街鲃勇酚桑?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/4675/" target="_blank">電力系統(tǒng)的代際跨越

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)建立在交流電（AC）與低頻變壓器（LFT）的基礎之上，這一架構在一個多世紀以來一直是全球能源傳輸?shù)幕Ｈ欢?，隨著以“去碳化、分散化、數(shù)字化”為特征的能源轉型的加速，傳統(tǒng)電網架構面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。分布式可再生能源（DERs）的高滲透率、直流（DC）負荷（如電動汽車充電站、數(shù)據(jù)中心）的激增，以及對電網彈性和可控性要求的提高，使得僅具備電壓變換與電氣隔離功能的傳統(tǒng)LFT顯得日益捉襟見肘。傳統(tǒng)變壓器不僅體積龐大、重量沉重，且無法控制功率潮流，也無法隔離次級側的電壓擾動或諧波，這在雙向潮流頻繁的現(xiàn)代微電網中成為了顯著的瓶頸 。

在此背景下，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），作為一種顛覆性的技術方案應運而生。SST不僅僅是變壓器的替代品，它本質上是一個高度集成的電力電子能量路由器。通過引入高頻變壓器（HFT）與全控型功率半導體器件，SST打破了工頻（50/60Hz）對磁性元件體積的物理限制，實現(xiàn)了能量密度數(shù)量級的提升。更為關鍵的是，SST通過其內部的交直流變換環(huán)節(jié)，天然具備了電壓調節(jié)、無功補償、諧波抑制、故障隔離以及交直流混合接口等多重功能 。

1.2 高頻磁性元件的物理尺度縮放定律

SST實現(xiàn)體積縮減的核心物理機制在于變壓器感應電動勢方程的頻率依賴性。根據(jù)通用電動勢方程 E=4.44?f?N?Bmax??Acore?，在傳輸功率和電壓等級確定的前提下，變壓器磁芯的截面積 Acore? 與工作頻率 f 成反比。傳統(tǒng)LFT工作在50Hz或60Hz，這迫使其必須采用巨大的鐵芯和大量的銅繞組來維持磁通密度不飽和。而SST利用電力電子變換器將工頻交流電整流并逆變?yōu)橹懈哳l（通常為10kHz至100kHz甚至更高）的方波或正弦波，驅動中高頻變壓器。這一頻率的提升（約三個數(shù)量級）使得磁性元件的體積和重量理論上可減少80%以上 。然而，這種體積紅利的獲取并非沒有代價，它將原本由鐵和銅承擔的轉換壓力轉移到了“硅”（半導體開關）和“控制算法”上，并帶來了散熱、絕緣及電磁兼容性等新的工程挑戰(zhàn)。

2. 寬禁帶半導體：SST性能躍遷的物質基礎

SST技術的成熟度與功率半導體器件的發(fā)展進程呈現(xiàn)出強耦合關系。在硅（Si）基IGBT時代，受限于開關損耗和耐壓水平，SST主要局限于低壓或通過極其復雜的多電平串聯(lián)結構來實現(xiàn)中壓接入，導致系統(tǒng)效率低下且可靠性不足。寬禁帶（WBG）半導體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的商業(yè)化，為SST的實用化掃清了關鍵障礙。

2.1 碳化硅（SiC）MOSFET在SST中的主導地位

對于中壓（MV）電網接入應用，SiC MOSFET已成為無可爭議的首選器件。相比于Si IGBT，SiC材料具有約10倍的臨界擊穿電場強度和3倍的熱導率 。

耐壓與拓撲簡化： 傳統(tǒng)的Si基SST往往需要數(shù)級聯(lián)H橋（CHB）模塊來分擔數(shù)千伏的電網電壓。而隨著3.3kV、6.5kV乃至10kV級高壓SiC MOSFET的研發(fā)與應用，SST可以采用更簡單的兩電平或三電平拓撲直接接入中壓電網。例如，基于10kV SiC MOSFET的SST原型機已展示了極高的功率密度（1.76 kW/L）和全載效率（>98%），顯著優(yōu)于基于Si器件的同類方案 。

低損耗特性： 基本半導體（BASIC Semiconductor）發(fā)布的BMF540R12MZA3及BMF240R12E2G3等工業(yè)級SiC模塊，展示了當前技術的尖端水平。這類模塊在1200V耐壓下，導通電阻（RDS(on)?）低至2.2mΩ，且反向恢復電荷（Qrr?）極低 。這種低阻抗特性不僅降低了導通損耗，更重要的是，SiC器件極快的開關速度（納秒級）和極小的開關損耗使得SST的隔離級可以工作在幾十千赫茲以上，從而充分利用高頻變壓器的體積優(yōu)勢，同時保持系統(tǒng)整體效率接近甚至在部分負載下超越傳統(tǒng)變壓器 。

高溫與可靠性： SiC器件允許更高的結溫（Tvj?可達175°C甚至200°C），配合先進的封裝技術（如Si3?N4?陶瓷基板和銅底板），顯著提升了模塊在熱循環(huán)下的可靠性，這對于需長期穩(wěn)定運行的電力基礎設施至關重要 。

3. SST拓撲架構的分類與解析

SST的拓撲結構極其豐富，為了系統(tǒng)性地解析其架構演進，傾佳電子楊茜依據(jù)能量轉換級數(shù)（Stage of Conversion）作為一級分類標準，并結合模塊化程度、電氣隔離方式及換流類型進行多維度的窮舉分析。

3.1 單級式拓撲（Single-Stage / Type A）：極簡主義的挑戰(zhàn)

單級式SST旨在通過單一的變換環(huán)節(jié)同時實現(xiàn)電壓變換、頻率變換和電氣隔離，去除了中間直流環(huán)節(jié)。這種架構追求極致的功率密度和組件數(shù)量的最小化。

3.1.1 矩陣變換器（Matrix Converter）基SST

矩陣變換器代表了交-交直接變換的最高形態(tài)。

直接矩陣變換器（DMC）： 這種拓撲通過雙向開關陣列直接將輸入的三相交流電斬波為高頻交流電，經高頻變壓器耦合后，再在次級側解調為工頻交流電。

技術特性： 徹底消除了大容量電解電容，顯著延長了系統(tǒng)壽命并提高了功率密度 。具有天然的雙向功率流動能力。

局限性： 缺乏中間儲能環(huán)節(jié)導致其沒有任何故障穿越（Ride-Through）能力，電網側的電壓跌落會直接傳遞到負載側。此外，電壓傳輸比限制在0.866以內，且控制策略（如四步換流法）極其復雜 。

間接矩陣變換器（IMC）與稀疏矩陣變換器（SMC）： 為了降低DMC的控制復雜度和器件數(shù)量，衍生出了IMC、SMC（Sparse MC）、VSMC（Very Sparse MC）和USMC（Ultra Sparse MC）等拓撲。這些拓撲在保留無直流電容特性的同時，通過減少開關數(shù)量或簡化換流邏輯來優(yōu)化成本，但在無功功率調節(jié)能力上往往有所妥協(xié) 。

3.1.2 阻抗源（Z-Source/Quasi-Z-Source）SST

為了解決傳統(tǒng)單級式拓撲電壓增益受限和缺乏直通保護的問題，研究者將阻抗源網絡引入SST。

Z源/準Z源SST： 該拓撲利用獨特的LC阻抗網絡，允許橋臂直通狀態(tài)存在，從而實現(xiàn)了升壓功能（Boost capability）和更高的可靠性。Z源SST可以在單級轉換中實現(xiàn)大范圍的電壓調節(jié)，并且其特殊的無源網絡設計有助于在不增加額外有源開關的情況下實現(xiàn)軟開關 。

3.1.3 固態(tài)自耦變壓器（SSAT）

針對不需要電氣隔離或僅需部分電壓調節(jié)的場合，SSAT提供了一種高密度的解決方案。

雙饋SSAT拓撲： 該架構僅處理傳輸功率的一小部分（通常10-20%）來調節(jié)電壓，大部分能量通過磁耦合直接傳輸。這種“部分功率處理”理念極大地減小了電力電子器件的規(guī)格和損耗，是多脈波整流器前端替代傳統(tǒng)移相變壓器的理想選擇 。

3.2 雙級式拓撲（Two-Stage / Type B & C）：折衷的選擇

雙級式SST引入了一個直流環(huán)節(jié)，通常位于高壓側（MVDC）或低壓側（LVDC）。

帶LVDC環(huán)節(jié)的SST（Type B）： 結構為“AC/AC（高頻連接） + AC/DC”。這種配置在低壓側提供了直流接口，便于連接儲能，但高壓側缺乏獨立控制能力，且高壓AC/AC級通常難以實現(xiàn)全范圍的軟開關 。

帶HVDC環(huán)節(jié)的SST（Type C）： 結構為“AC/DC（整流）+ DC/AC（隔離）”。這種配置直接對接中壓直流配電網，適合未來MVDC電網架構。

3.3 三級式拓撲（Three-Stage / Type D）：全能型架構

這是目前工業(yè)界和學術界研究最為深入、應用最廣泛的SST架構。它由“輸入整流級（AC-DC）”、“中間隔離級（DC-DC）”和“輸出逆變級（DC-AC）”三部分串聯(lián)組成。

3.3.1 輸入整流級架構

面對中壓（10kV-35kV）電網的耐壓挑戰(zhàn)，輸入級主要采用模塊化多電平技術。

級聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge, CHB）： 這是目前最成熟的中壓SST前端拓撲。通過將多個低壓H橋單元在交流側串聯(lián)，分擔高壓應力，而在直流側保持獨立。這種架構可以使用成熟的1200V或1700V SiC器件構建10kV甚至更高電壓的系統(tǒng)。CHB的優(yōu)勢在于模塊化程度高、易于冗余設計，且能夠產生高質量的多電平電壓波形，減少輸入濾波器的需求 。

模塊化多電平換流器（MMC）： MMC拓撲在中高壓直流輸電（HVDC）中已占據(jù)統(tǒng)治地位，在SST中也展現(xiàn)出巨大潛力。與CHB不同，MMC的子模塊共享一個公共直流母線，這使得它非常適合需要提供中壓直流端口（MVDC）的應用場景 。為了解決MMC子模塊電容電壓平衡和低頻運行時的能量波動問題，研究者提出了多種改進型子模塊結構，如交叉連接及混合型MMC 。

3.3.2 中間隔離級（DC-DC）架構：SST的心臟

這一級負責電壓匹配和電氣隔離，是SST效率優(yōu)化的核心戰(zhàn)場。

雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）： DAB是目前SST隔離級的主流選擇。它由原副邊兩個全橋和高頻變壓器組成，通過調節(jié)兩個電橋之間的移相角（TPS/EPS/DPS調制）來控制功率流向和大小。DAB具有天然的雙向功率流動能力和寬范圍的零電壓開通（ZVS）特性。但在輕載下，ZVS范圍變窄，效率下降，且存在環(huán)流損耗問題 。

諧振變換器（LLC/CLLC）：

LLC： 傳統(tǒng)的LLC變換器在諧振頻率附近具有極高的效率（原邊ZVS，副邊ZCS），但通常僅用于單向功率傳輸。

CLLC（雙向LLC）： 為了滿足SST的雙向需求，對稱的CLLC拓撲被廣泛采用。相比DAB，CLLC通過頻率調制（PFM）進行調節(jié)，能在更寬的負載范圍內保持軟開關特性，特別適合電動汽車充電等負載變化劇烈的場景 。然而，CLLC的諧振參數(shù)設計復雜，且變頻控制在模塊并聯(lián)時可能引發(fā)拍頻干擾。

電流源型DAB（Current-Fed DAB）： 為了降低輸入電流紋波并適應燃料電池或電池儲能接口，電流源型DAB備受關注。通過引入輸入電感，它將電壓源轉換為電流源特性。為了解決漏感引起的電壓尖峰，近年來提出了“雙耦合電感（Dual Coupled-Inductor）”等集成磁件結構，有效提升了功率密度 。

3.3.3 輸出級架構

輸出級通常為標準的電壓源逆變器（VSI），但在SST中，為了實現(xiàn)多端口功能，往往會引出低壓直流（LVDC）端口，并采用T型三電平或NPC三電平拓撲來提升低壓側的波形質量和效率 。

3.4 混合與新型SST架構

混合固態(tài)變壓器（Hybrid SST, HSST）： 這是一個極具實用價值的過渡性方案。HSST保留了傳統(tǒng)工頻變壓器（LFT）作為能量傳輸?shù)闹魍ǖ?，而將一個額定功率較?。ㄈ?0%）的SST變換器通過輔助繞組或串聯(lián)注入的方式接入系統(tǒng)。SST部分僅負責電壓調節(jié)、諧波補償和無功支持。這種架構結合了LFT的高可靠性、低損耗與SST的可控性。一旦電子部分故障，系統(tǒng)可旁路SST，退化為普通變壓器運行，極大地提升了系統(tǒng)生存能力 。

六邊形混合頻率SST（Hexagonal Hybrid Frequency SST）： 針對交直流混合配電網，最新的研究提出了一種六邊形模塊化拓撲。該拓撲通過獨特的臂結構，在內部復用開關器件以同時處理基頻、高頻和直流分量，實現(xiàn)了MVAC、MVDC和LVDC三個端口的解耦控制，顯著降低了無源濾波器的需求 。

多端口能量路由器（Multi-Port SST）： 這種SST不僅僅是變壓器，更是微網的能源樞紐。典型的多端口SST除了MVAC和LVAC端口外，還集成了MVDC（用于光伏陣列或直流集電）和LVDC（用于儲能電池、EV充電）。在控制策略上，這種架構支持“部分功率處理（Partial Power Processing, PPP）”，即低壓側源荷之間的能量交換（如光伏給電池充電）直接通過低壓母線完成，無需經過高壓隔離級，從而大幅降低了系統(tǒng)損耗 。

4. 控制策略與系統(tǒng)級功能

SST的智能化主要體現(xiàn)在其復雜的控制算法上，這些算法使其能夠從單純的電力傳輸設備轉變?yōu)殡娋W的“大腦”和“肌肉”。

4.1 模型預測控制（MPC）

對于模塊化多電平SST，傳統(tǒng)的級聯(lián)PI控制在處理多目標（電流跟蹤、電容電壓平衡、環(huán)流抑制）時顯得力不從心。模型預測控制（MPC）憑借其處理多變量約束和非線性的能力，正逐漸成為SST控制的主流。MPC利用系統(tǒng)的離散數(shù)學模型預測未來時刻的狀態(tài)，通過最小化代價函數(shù)在每個控制周期選擇最優(yōu)開關狀態(tài)。這不僅提高了動態(tài)響應速度，還有效解決了模塊間電壓不均衡的問題 。

4.2 構網型控制（Grid-Forming Control）

隨著電網慣量的下降，SST被賦予了新的使命——提供虛擬慣量。傳統(tǒng)的跟網型（Grid-Following）SST依賴鎖相環(huán)（PLL）跟隨電網電壓，而在弱網或孤島模式下，SST必須切換至構網型控制。通過引入虛擬同步機（VSM）算法，SST模擬旋轉電機的搖擺方程，對外呈現(xiàn)出電壓源特性，主動支撐電網的頻率和電壓穩(wěn)定性。結合自適應MPC算法，SST甚至能在電網擾動下動態(tài)調整其虛擬慣量參數(shù)，實現(xiàn)比傳統(tǒng)電機更優(yōu)越的穩(wěn)定性 。

4.3 故障穿越與保護策略

SST內的半導體器件熱容量極小，抗過流能力遠弱于銅鐵變壓器。因此，SST必須具備極速的故障檢測與穿越能力（FRT）。

限流控制： 在網側短路時，SST需迅速切換控制模式，限制輸出電流在安全范圍內，同時注入無功電流支撐電網電壓恢復 。

能量再平衡： 在非對稱故障期間，SST利用內部直流電容或集成的儲能單元（如超級電容）吸收不平衡功率，防止直流母線過壓導致停機 37。

電子熔斷器功能： 對于下游直流側故障，SST可以利用全橋電路的反向阻斷能力，在微秒級切斷故障電流，充當極速直流斷路器 。

5. 全球試點項目與產業(yè)化進程：從實驗室到變電站

SST正處于從技術驗證向規(guī)?；瘧每缭降年P鍵時期，全球范圍內的電力巨頭和初創(chuàng)企業(yè)正在積極部署試點項目。

5.1 中國：國家電網與南方電網的雄心

中國在SST的工程化應用方面走在世界前列，將其視為構建新型電力系統(tǒng)的核心裝備。

南方電網（CSG）： 重點推進“柔性直流”輸配電技術。在深圳和廣州的城市配網中，南方電網部署了基于模塊化SST的柔性互聯(lián)裝置，實現(xiàn)了不同變電站供電區(qū)域的柔性閉環(huán)運行，解決了負荷不平衡和潮流控制難題。其在±800kV特高壓直流工程中積累的IGBT閥控技術，正逐步下沉應用到中壓配網SST中 。

國家電網（SGCC）： 在張北柔性直流電網示范工程中，大規(guī)模應用了類似于SST的模塊化多電平換流器技術，消納了吉瓦級的風光能源。在江蘇，SGCC建設了基于SST理念的能源路由器示范工程，服務于工業(yè)園區(qū)綜合能源管理 。

5.2 國際巨頭的布局

日立能源（Hitachi Energy）： 在軌道交通領域處于壟斷地位。其推出的“Resibloc”和“Effilight”系列牽引變壓器，雖然部分仍為改進型干式變壓器，但已開始融合電力電子技術。特別是在25kV交流動車組上，日立能源正在測試完全基于SST的牽引變流系統(tǒng)，旨在減輕30%以上的車載重量 。

施耐德電氣（Schneider Electric）： 專注于中低壓配電側的智能化。通過投資和合作（如與AMPERESAND的潛在關聯(lián)），施耐德正在探索將SST集成到其EcoStruxure架構中，用于數(shù)據(jù)中心和微電網的即插即用式接入 。

西門子能源（Siemens Energy）： 側重于海上風電并網。其基于SST技術的直流匯集系統(tǒng)旨在取消海上平臺的笨重工頻變壓器，直接輸出高壓直流，從而大幅降低海上平臺的建設成本和重量 。

5.3 新興應用領域的突破

電動汽車超充站： 隨著兆瓦級充電標準（MCS）的提出，傳統(tǒng)工頻變壓器+整流柜的模式占地太大。WattEV和Amperesand等公司推出了基于SST的模塊化充電中心方案，直接從中壓電網取電并輸出多路直流，無需龐大的低壓配電系統(tǒng)。Amperesand在新加坡港口的試點項目驗證了SST在高功率工業(yè)充電場景下的可行性 。

數(shù)據(jù)中心： 為了提升能效，數(shù)據(jù)中心正在向400V/800V直流配電演進。臺達電子（Delta Electronics）展示了模塊化SST機柜，能將10kV交流電直接轉換為800V直流電供給服務器機架，消除了多級變換損耗，整體效率提升顯著 。

6. 發(fā)展趨勢與未來展望 (2025-2030)

6.1 成本與規(guī)?；呐R界點

當前SST的高昂成本（約為傳統(tǒng)變壓器的2-5倍）是阻礙其大規(guī)模普及的主要因素。

SiC降本增效： 隨著基本半導體等廠商SiC晶圓產能向8英寸遷移，以及器件良率的提升，SiC MOSFET的成本正以每年雙位數(shù)的百分比下降。預計到2030年，SiC器件的成本紅利結合SST帶來的系統(tǒng)級節(jié)?。ㄈ鐪p少土地占用、節(jié)省無功補償裝置、銅材用量減少），將使得SST在綜合擁有成本（TCO）上與高端LFT持平 。

標準化模塊： 類似于光伏逆變器，SST正在走向“功率模塊化”。即通過標準化的34mm或62mm半橋/全橋功率模塊（如基本半導體BASIC Semi BMF系列）積木式搭建不同電壓等級的SST，這將極大地降低設計門檻和制造成本

6.2 可靠性工程的深化

SST包含成百上千個元器件，任何一個失效都可能導致系統(tǒng)停機。

冗余設計： 模塊化多電平架構（MMC/CHB）天然支持冗余（N+1或N+2配置）。當某個子模塊故障時，通過旁路開關將其切除，其余模塊提高調制比繼續(xù)運行，這種“容錯運行”能力將成為SST的標配。

智能運維： 利用SST強大的算力，集成AI算法對電容ESR、SiC MOSFET結溫進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)從“定期檢修”到“狀態(tài)檢修”的轉變，通過預測性維護來彌補硬件可靠性的不足 。

6.3 標準化與互操作性

目前全球尚無針對SST的統(tǒng)一國際標準。

標準制定： IEEE和IEC正在加速制定關于SST絕緣配合（高頻絕緣）、電磁兼容（EMI）、并網測試規(guī)范的專用標準。明確高頻變壓器的絕緣水平（BIL）測試方法是近期的重點 。

7. 結論

固態(tài)變壓器技術正處于從“技術可行性驗證”向“商業(yè)化初期”跨越的歷史節(jié)點。寬禁帶半導體比如基本半導體SiC模塊的成熟為SST提供了必要的物質基礎，而模塊化多電平拓撲（MMC、CHB）與雙有源橋（DAB）的結合則確立了其主流架構形態(tài)。

盡管成本和長期可靠性仍是挑戰(zhàn)，但在土地資源稀缺的城市中心、對重量敏感的海上風電與軌道交通、以及需要極致靈活性的交直流混合微網中，SST已展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。未來5-10年，隨著“源網荷儲”一體化的深入，SST將作為電力系統(tǒng)的“智能路由器”，重塑電網的形態(tài)，實現(xiàn)能量像信息一樣自由、雙向、受控地流動。對于電力電子產業(yè)鏈而言，掌握高壓SiC器件封裝、高頻磁集成技術以及構網型控制算法的企業(yè)，將在這一輪電網技術革命中占據(jù)制高點。