固态变压器（SST）技术发展与应用

随着电力电子技术和半导体的发展，固态变压器（Solid-state transformer,SST）的应用发展日趋成熟。固态变压器也称为电力电子变压器（Power Electronic Transformer,PET），通过电力电子技术实现传统变压器的功能。固态变压器是近年来随着大功率电力电子技术的发展而逐步发展起来的新型电力变压器。它在实现常规电力变压器电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现潮流控制、电能质量控制等许多额外功能，这是因为它可以实际控制包括对电压（或电流）的幅值、相位、频率、相数、相序和波形等电能参数，在结构上，它包含两个基本要素：电力电子变换器和中（高）频变压器。电力电子变换器主要包括电力电子器件、控制器、滤波器以及辅助设备，主要完成保护和电能的变换及控制等功能；高频变压器的功能是隔离及电压等级变换，频率通常工作在千赫兹（kHz）级别，高频的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量、减少散热以及提高容量与效率等。

如：光储充一体的10kV直挂低压配电网案例

一、典型 SST 的电能变换过程分为三个阶段

1.1）AC-DC 整流阶段：通过可控整流器（如 cascaded H-bridge, CHB 多电平整流器）将工频交流电压转换为直流电压，同时实现功率因数校正与输入侧电能质量控制，减少对电网的谐波污染；

1.2）DC - 高频 AC 逆变阶段：通过高频逆变器（如双有源桥，Dual-Active Bridge, DAB 变换器）将直流电压转换为高频交流电压（通常为 kHz 级，如 3kHz、25kHz、100kHz），为高频变压器提供高频激励；

1.3） 高频 AC-DC/AC 变换阶段：高频变压器实现电压等级变换与电气隔离后，通过整流器或逆变器将高频交流电转换为负载所需的直流电压（如 EV 充电用 400V/1kV）或工频交流电压，完成电能的最终供给。

二、固态变压器（SST）的架构

2.1 级联H桥（CHB）与模块化多电平（MMC）架构

对于连接10kV、35kV甚至更高电压等级的中高压配电网，由于单个功率半导体器件的耐压能力有限（目前商业化量产器件主流为650V-3300V，少数达到6500V），直接通过单管进行高压变换是不现实的。因此，模块化级联技术成为了SST处理高压输入的首选路线。

2.2 核心隔离级：双有源桥（DAB）变换器

无论采用何种高压侧拓扑，SST内部实现电气隔离和电压变换的核心环节通常是高频DC-DC变换器，其中双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）是目前研发热度最高的技术路线。

工作原理：DAB通过控制原边和副边全桥电路的移相角，控制功率流的大小和方向，天然具备软开关（ZVS/ZCS）特性。

频率与效率的博弈：为了减小中间高频变压器的体积（体积与频率成反比），研发方向是不断提升开关频率至20kHz-100kHz甚至更高。然而，随着频率提升，开关损耗（Switching Loss）会急剧增加。这正是国产SST研发中对碳化硅器件需求最迫切的环节。

器件需求：DAB级要求功率器件具备极低的开关损耗和优异的反向恢复特性。基本半导体的SiC MOSFET模块（如BMF系列）凭借其纳秒级的开关速度和相比Si IGBT降低数十倍的关断损耗，成为实现高频DAB的关键使能器 。

相较于传统的Si器件，采用SiC，GaN等宽禁带器件可以降低开关损耗和导通损耗，进一步提升系统的开关频率，优化系统的性能表现。更高的开关频率会带来更小的电压电流波动，因此可以减小变压器、电容等无源器件的体积，实现更高的功率密度。在相同的电路条件下，开关频率为谐振频率的工况下，SiC MOSFET可以带来更低的损耗和更高的结温。此时器件的开关损耗小，如果开关频率偏移谐振频率，功率器件的关断损耗占比更大，SiC MOSFET的优势也更加明显。因此，使用SiC MOSFET，可以进一步提升变换器的开关频率，从而减小无源器件的体积，提高系统的功率密度。同时，对于固态断路器而言，更高耐压的功率器件可以大幅度降低固态变压器中级联单元的数量，从而提高功率密度，降低控制的复杂度。为了减小级联数量，需要提升每个单元的电压等级，比如将电网电压整流后的DC母线电压从800V提升为1500V。由于母线电压提高，对于隔离的DCDC变换器提出了更高的要求。为了满足1500V的母线系统，可以采用器件串联的方式，多电平的拓扑或者使用更高电压的功率器件。综合考虑执行难度和性价比，更高耐压的功率器件是实现高母线电压，减小级联数量的最有方式。