固态变压器SST的拓扑架构深度解析与基本半导体SiC模块的工程应用研究

固态变压器SST的拓扑架构深度解析与基本半导体SiC模块的工程应用研究

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，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！

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1. 绪论：电网现代化与固态变压器的演进逻辑

全球能源互联网的构建与“双碳”目标的推进，正在深刻重塑电力系统的基础架构。传统的工频变压器（Line-Frequency Transformer, LFT）作为电力传输的核心枢纽，凭借其高可靠性和极低的被动损耗，统治了电网百余年。然而，在面对高比例分布式可再生能源（DERs）接入、直流微电网（DC Microgrids）的兴起以及电动汽车（EV）超快充基础设施的爆发式增长时，LFT暴露出了其物理本质上的局限性：体积庞大、缺乏可控性、无法直接处理直流功率以及对电能质量扰动的被动响应。在此背景下，固态变压器（Solid State Transformer, SST），又称电力电子变压器（PET），作为一种集成了高频电磁转换与电力电子变换技术的智能能源路由器，成为了下一代配电网的关键装备 。

SST不仅仅是电压等级变换的设备，它实际上是一个具备高度可控性的能量转换中心。与传统的铜铁结构不同，SST通过电力电子变流器实现电能的交直流变换、频率变换和电压调节，并通过中高频变压器（HFT）实现电气隔离。这种架构赋予了SST诸多传统变压器无法企及的功能：瞬时电压调节能力、无功功率补偿、故障隔离能力、以及直接提供直流接口的能力 。特别是在智能配电网中，SST被视为连接中压交流配电网与低压直流/交流微电网的“能源路由器” 。

然而，SST的商业化进程长期受制于效率、功率密度、可靠性与成本之间的矛盾。硅基（Si）功率器件（如IGBT）在耐压与开关速度之间的固有折衷，使得SST难以在提升工作频率（以减小体积）的同时维持高效率。随着第三代宽禁带（Wide Bandgap, WBG）半导体材料，特别是碳化硅（SiC）技术的成熟，这一瓶颈正在被突破。SiC MOSFET凭借其高击穿场强、高热导率和极低的开关损耗，使得SST的工作频率可以从传统的千赫兹级提升至数十千赫兹甚至百千赫兹级，从而大幅降低了磁性元件的体积，并显著提升了系统效率 。

倾佳电子旨在深度剖析SST的拓扑架构、软硬件设计挑战，并结合产业链实际，重点探讨倾佳电子（Qingjia Electronics）所代理的基本半导体（Basic Semiconductor）碳化硅功率模块及其配套的基本半导体子公司青铜剑（Bronze Technologies）驱动方案在SST硬件设计中的具体应用价值。通过对级联H桥（CHB）、双有源桥（DAB）等核心拓扑的深度解析，以及对SiC器件电气特性的详细论证，本报告将构建一个从器件选型到系统集成的完整技术图谱。

2. 固态变压器的拓扑架构体系深度研究

SST的拓扑架构决定了其性能上限、控制复杂度以及成本结构。根据功率变换的级数，SST主要分为单级式、双级式和三级式架构。在面向中高压配电网（如10kV或35kV）的应用场景中，为了满足高压绝缘、多端口供电（AC/DC混合）以及模块化设计的需求，三级式模块化级联架构（Three-Stage Modular Cascaded Architecture）已成为学术界和工业界公认的主流技术路线 。

2.1 三级式架构的系统解构

三级式SST通常由三个独立的功率变换级组成，通过直流母线进行解耦，这种设计赋予了系统极高的控制自由度：

高压整流级（HV AC/DC Rectifier）： 作为有源前端（Active Front End, AFE），负责将中压交流电转换为中压直流电。该级主要承担维持网侧单位功率因数运行、控制输入电流谐波（THD）以及稳定高压直流母线电压的任务。

隔离变换级（Isolated DC/DC Converter）： 这是SST的核心部分，通过高频变压器实现高低压侧的电气隔离和电压等级变换。该级不仅决定了SST的整体功率密度，也是实现软开关（Soft Switching）以提升效率的关键环节。

低压逆变级（LV DC/AC Inverter）： 将低压直流电转换为符合用户需求的低压交流电（如380V/220V），或者直接输出低压直流电供EV充电站使用。该级负责负载侧的电压稳压、频率控制以及不仅平衡负载和电网之间的瞬时功率差 。

2.2 中压侧AC/DC级：级联H桥（CHB）拓扑的优势分析

对于10kV及以上电压等级的配电网，直接使用单管器件进行开关面临着极其严峻的耐压挑战。虽然目前已有高压SiC器件（如10kV/15kV SiC MOSFET）的实验性报道 ，但在商业化应用中，基于成熟的1200V或1700V器件进行多电平拓扑构建仍是由于成本和供应链可靠性考虑下的首选方案。在多电平拓扑中，级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB） 相比于模块化多电平换流器（MMC）展现出了在配电网SST应用中的独特优势。

表 1：配电网SST应用中CHB与MMC拓扑的对比分析

特性维度	级联H桥 (CHB)	模块化多电平 (MMC)	深度解析与SST适用性结论
直流母线架构	分散式直流母线	集中式高压直流母线	CHB的每个单元拥有独立的直流电容，这与SST的模块化DC/DC级天然匹配，便于将功率分散处理。MMC虽有公共直流母线，但在SST中需要额外的隔离级来处理这部分高压直流，增加了系统复杂性 。
器件数量	较少	较多	对于相同的电平数，MMC需要更多的开关器件和半桥/全桥子模块，且需要桥臂电感来抑制环流。CHB结构更简洁，无需桥臂电感，适合对体积敏感的配电变压器 。
电压平衡控制	较复杂（相间及相内）	复杂（含环流抑制）	虽两者都需要均压控制，但CHB在SST中可以通过后级DC/DC变换器的功率调节来辅助前级电容电压平衡，这种级间协同控制策略（Cross-layer Control）是SST特有的优势 。
故障冗余能力	极高	高	CHB通过旁路故障H桥单元即可实现降额运行。由于SST通常由大量（如每相7-10个）模块级联，单个模块故障对整体电压输出影响较小，非常适合高可靠性电网应用 。

基于上述分析，CHB拓扑被广泛认为是SST高压整流级的最佳选择。它允许设计者使用技术成熟、供应链完善的1200V或1700V SiC MOSFET模块（如基本半导体的Pcore™2 E2B系列）来构建10kV甚至35kV的变换器，通过模块的串联叠加来分担高压应力，同时利用载波移相技术（Phase Shifted Carrier PWM）显著提高等效开关频率，减小网侧滤波器的体积。

2.3 隔离型DC/DC级：双有源桥（DAB）与其演进

隔离型DC/DC变换器是连接高压直流母线与低压直流母线的桥梁。在这一级，拓扑的选择直接关系到SST的效率和双向功率流动的能力。双有源桥（Dual Active Bridge, DAB） 变换器及其变种（如CLLC谐振变换器）是目前的主流选择。

2.3.1 DAB变换器的工作机理与SiC的适配性

DAB变换器由原边全桥、高频变压器、辅助电感（或利用变压器漏感）和副边全桥组成。通过控制原副边桥臂电压的移相角（Phase Shift Angle, ϕ），可以精确控制功率传输的大小和方向 。

P=2πfs​LnV1​V2​​ϕ(1−π∣ϕ∣​)

其中，n为变压器变比，V1​,V2​为原副边直流电压，fs​为开关频率，L为等效电感。

SiC MOSFET在DAB中的关键价值：

高频化带来的体积缩减： 传统Si IGBT受限于拖尾电流，DAB工作频率通常限制在几kHz。而SiC MOSFET无拖尾电流，可将fs​提升至20kHz-100kHz甚至更高。根据变压器设计原理，磁芯体积大致与频率成反比，因此SiC的使用能显著减小HFT体积 。

软开关（ZVS）性能的提升： DAB在一定负载范围内可实现零电压开通（ZVS）。SiC MOSFET输出电容Coss​较小且特性稳定，结合其极快的开关速度，使得死区时间（Dead Time）可以设置得更短，从而拓宽了ZVS的有效工作范围，减少了体二极管的导通损耗 。

2.3.2 谐振型CLLC拓扑的兴起

虽然DAB控制简单，但在宽电压范围或轻载条件下容易丢失ZVS，导致硬开关损耗剧增。为了解决这一问题，CLLC谐振变换器被引入SST设计中。CLLC利用谐振槽路特性，能够在全负载范围内实现原边开关管的ZVS和副边整流管的ZCS（零电流关断），特别适合SiC器件的高频运行。然而，CLLC的频率调制（PFM）控制比DAB的移相控制更为复杂，且对磁性元件的参数一致性要求极高 。在实际工程中，DAB凭借其控制的确定性和鲁棒性，依然是模块化SST的首选，特别是在结合了三重移相控制（Triple Phase Shift, TPS） 等先进策略后，其软开关范围得到了极大扩展 。

3. SST关键软硬件设计挑战与解决方案

SST的研发不仅仅是拓扑的堆叠，更是对极端物理场下材料、器件与控制算法的综合挑战。

3.1 高频变压器（HFT）的绝缘与损耗平衡

SST中的HFT不仅要传输大功率高频能量，还要承担中压电网（如10kV）对低压侧的绝缘隔离。这是传统工频变压器所不具备的双重压力。

磁芯材料选择： 随着频率提升至中频（10-20kHz），传统的硅钢片因涡流损耗过大而失效。纳米晶（Nanocrystalline） 材料因其高饱和磁感应强度（Bs​≈1.2T）和相对较低的损耗，成为中频大功率SST的首选。若频率进一步提升至100kHz以上（利用SiC的高频潜力），锰锌铁氧体（Mn-Zn Ferrite） 则因其在高频下极低的损耗表现而占据优势，尽管其Bs​较低（≈0.4T），限制了功率密度 。

绕组高频效应与利兹线（Litz Wire）： 高频电流产生的集肤效应（Skin Effect）和邻近效应（Proximity Effect）会导致绕组交流电阻（Rac​）急剧增加。设计必须采用多股细微绞合的利兹线，但这会降低窗口利用率（Window Utilization Factor），增加变压器体积。

绝缘设计与局部放电（PD）： SiC MOSFET的高dv/dt（可达50-100 kV/μs）会在变压器绕组层间和匝间产生极大的位移电流，不仅导致电磁干扰（EMI），还会加剧绝缘介质的电应力，诱发局部放电。 "无空穴"（Void-free）灌封工艺、静电屏蔽层的引入以及梯度绝缘设计是解决这一问题的关键硬件手段 。

3.2 高压SiC器件的驱动与保护

驱动SiC MOSFET与驱动传统Si IGBT有着本质区别，这对硬件电路设计提出了极高要求。

驱动电压与串扰（Crosstalk）： SiC MOSFET通常需要+18V的开通电压以降低RDS(on)​，以及-3V/-5V的关断电压以防止误导通。由于SiC的高dv/dt，米勒电容（Cgd​）会向栅极注入电流，极易引发桥臂直通。因此，驱动电路必须具备有源米勒钳位（Active Miller Clamp, AMC） 功能或采用极低阻抗的关断回路 。

短路保护（Short Circuit Protection）： SiC芯片面积小，热容量低，其短路耐受时间（Short Circuit Withstand Time, SCWT）通常小于3μs，远低于IGBT的10μs。这意味着传统的去饱和（Desat）检测电路必须在数百纳秒内响应，并执行两级关断（2L Turn-off） 以避免因关断过快导致的di/dt感应过压击穿模块 。

3.3 软件控制策略：电压平衡与死区优化

CHB电压平衡控制： 在多级联的SST中，各模块的参数差异和负载不平衡会导致直流母线电压发散。软件设计需引入多层级的电压平衡控制回路：顶层控制总电压，底层通过微调各模块的占空比或移相角来实现单体电压平衡。对于SiC基SST，利用其高开关频率，可以设计带宽更高的电压平衡环路，实现更快的动态响应 。

自适应死区控制： 固定死区时间是效率的杀手。死区过长会导致SiC体二极管长时间续流，造成严重的反向恢复损耗（尽管SiC较小但仍存在）和导通损耗；死区过短则有直通风险。先进的软件设计会根据负载电流和器件结电容特性，实时计算最佳死区时间，或者采用基于电流检测的自适应死区逻辑，以最大化ZVS区间 。

4. 倾佳电子代理的基本半导体SiC模块在SST中的应用价值

作为国产碳化硅功率器件的领军企业，深圳基本半导体（BASiC Semiconductor）推出了一系列针对工业与电网应用的高性能SiC模块。倾佳电子作为其核心代理商，不仅提供产品，更提供了连接器件与系统的技术桥梁。以下将详细分析几款核心产品在SST硬件设计中的具体应用价值。

4.1 BMF240R12E2G3：Pcore™2 E2B封装模块的SST适配性

产品规格： 1200V / 240A，半桥拓扑，采用Pcore™2 E2B封装 。

SST应用场景： 该模块是构建10kV级联H桥（CHB）整流器的理想功率单元。

应用价值分析：

高压级联的基石： 在10kV配电网SST中，通常每相需要7-9个级联单元。每个单元的直流母线电压约为700V-800V。1200V的耐压等级正好满足这一需求，留有足够的安全裕量以应对电网过压和开关尖峰。

Si3​N4​ AMB基板的可靠性： 传统的DBC基板难以承受SST在电网波动和负载突变（如EV充电）下的剧烈热循环。BMF240R12E2G3采用了氮化硅活性金属钎焊（Si3​N4​ AMB） 陶瓷基板。数据显示，Si3​N4​的热导率（>90 W/m·K）是氧化铝的3倍以上，抗弯强度是其10倍。这意味着该模块能承受更严苛的功率冲击，大幅提升SST系统的预期寿命和可靠性 。

集成SBD与死区优化： 该模块集成了SiC肖特基二极管（SBD）或利用了优化的体二极管特性，实现了零反向恢复。在SST的DAB级，当负载较轻无法维持ZVS时，硬开关不可避免。此时，集成SBD能消除反向恢复电流带来的巨大损耗和EMI噪声，确保SST在全负载范围内的高效运行 。

Press-Fit压接技术： 适合自动化生产，降低了模块与PCB之间的接触电阻和寄生电感，这对于动辄包含数十个模块的SST系统来说，是保证一致性和良率的关键。

4.2 BMF540R12KA3：62mm封装模块的大功率优势

产品规格： 1200V / 540A，半桥拓扑，经典62mm工业封装 。

SST应用场景： 适用于SST的低压大电流侧（LV DC/AC Inverter）或大功率集中式DAB变换器。

应用价值分析：

超低导通电阻（RDS(on)​=2.5mΩ）： 在SST的低压侧（如750V直流母线），电流往往高达数百安培。导通损耗（I2R）成为效率的主要杀手。BMF540R12KA3的极低导通电阻使其在处理500A以上电流时，导通压降仅约1.2V，远低于同等级IGBT的饱和压降（通常>2.0V），显著降低了散热需求。

低杂散电感设计（<14nH）： 62mm封装经过内部布局优化，实现了极低的杂散电感。这对于抑制SiC高频开关过程中的关断电压尖峰（Vspike​=Lstray​⋅di/dt）至关重要，允许SST设计者使用更小的吸收电容，简化主回路设计。

直接替代升级： 62mm是工业界最通用的封装标准。使用该模块可以方便地将现有的基于IGBT的变流器升级为SiC SST方案，无需彻底重新设计机械结构，降低了研发门槛。

4.3 BMF80R12RA3：34mm封装模块的灵活应用

产品规格： 1200V / 80A，34mm半桥 。

SST应用场景： 适用于分布式SST、辅助电源系统或功率较小的级联单元。

应用价值分析：

高频化极致： 较小的芯片面积意味着更小的栅极电荷（Qg​）。这使得BMF80系列极易驱动，能够轻松工作在100kHz以上。这对于追求极致功率密度的紧凑型SST（如挂网式变压器）是绝佳选择，可以最大限度减小磁性元件体积。

成本效益： 对于不需要大电流的子模块，使用34mm模块可以有效控制BOM成本，同时保持SiC的高效特性。

5. 驱动生态系统的关键作用：基本半导体子公司青铜剑技术的协同

硬件的潜能释放离不开驱动电路的精准控制。倾佳电子通过整合基本半导体子公司青铜剑技术（Bronze Technologies） 的驱动方案，为基本半导体的SiC模块提供了“交钥匙”式的应用环境。SiC MOSFET的驱动难度远高于IGBT，主要体现在对dv/dt的抗扰度、极快的短路保护需求以及负压关断的必要性。

5.1 适配62mm与34mm SiC模块的驱动方案

针对BMF540R12KA3等62mm模块，基本半导体子公司青铜剑推出了2CP0220T12系列即插即用驱动器 。

高峰值电流（±20A）： 为了在纳秒级时间内完成SiC MOSFET的开通与关断，必须向栅极注入巨大电流以迅速对输入电容充电。20A的峰值电流能力确保了BMF540这样的大电流模块也能实现极快的开关速度，减少开关损耗。

高频支持： 设计支持高达100kHz的开关频率，完美契合SiC SST的设计目标。

5.2 适配E2B封装的驱动核心

针对Pcore™2 E2B封装（如BMF240R12E2G3），基本半导体子公司青铜剑提供了2QD0225T12或类似ASIC驱动核 。

紧凑集成： 这种驱动核体积小巧，可以直接焊接在以E2B模块为核心的功率单元PCB上，最大限度减小栅极回路电感，从物理上抑制震荡。

5.3 针对SST应用的关键保护特性

在SST这种高压、高频、高功率密度的应用中，驱动器的保护功能是系统安全的最后一道防线：

有源米勒钳位（Active Miller Clamp, AMC）：

痛点： 在SST的级联桥臂中，一个开关管的高速导通会产生极高的dv/dt，通过米勒电容耦合到互补管的栅极，导致误导通（直通短路）。

解决方案： 青铜剑驱动器内置AMC功能，在关断期间通过低阻抗回路直接钳位栅极电压，防止误导通。这比单纯依靠负压关断更可靠，且不需要过大的负压电源 。

快速去饱和保护与软关断（Soft Shut Down, SSD）：

痛点： SiC MOSFET的短路耐受时间极短（<2-3μs）。传统IGBT驱动的10μs保护时间对SiC来说太慢，且直接关断大短路电流会引发足以击穿器件的过压。

解决方案： 驱动器具备极速去饱和检测能力，一旦检测到短路，立即执行软关断，缓慢降低栅极电压，限制di/dt，从而抑制关断过压，保护昂贵的SiC模块不被物理损坏 。

6. 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。

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，其核心竞争力的构建依赖于先进的拓扑架构与高性能功率器件的深度融合。通过采用级联H桥（CHB） 结合双有源桥（DAB） 的三级式架构，SST能够有效应对中压电网的耐压需求并实现灵活的能量路由。

在此架构中，基本半导体的SiC MOSFET模块发挥了决定性作用。BMF240R12E2G3凭借Si3​N4​ AMB基板带来的高可靠性，成为CHB级联单元的理想选择；BMF540R12KA3以其低导通电阻和低杂散电感，解决了低压大电流侧的效率瓶颈。而BMF80R12RA3则为高频紧凑型设计提供了可能。

进一步地，倾佳电子通过整合基本半导体子公司青铜剑技术的专业驱动方案，解决了SiC应用中的“最后一公里”难题。高驱动电流、有源米勒钳位和快速软关断保护等特性，消除了SiC器件在SST高频硬开关工况下的失效风险。这种“器件+驱动”的系统级解决方案，不仅降低了SST的研发门槛，更大幅提升了系统的功率密度与全生命周期可靠性，为智能电网的演进提供了坚实的硬件基石。

审核编辑 黄宇