SST（固态变压器）的工作原理及可靠性分析

SST的工作原理

SST(固态变压器)，是一种通过电力电子技术实现能量传递和电力变换的新型变压器，它结合了电力电子技术与传统变压器技术，用于将中压交流电转换为高/低压直流电，具备电气隔离、电压变换和无功补偿功能，同时相较于传统变压器显著提高了智能化控制水平。SST能够独立调节多个端口的电压和电流，以满足不同电网或负载的需求，输出电压的具体值并不是固定不变的，它依赖于系统的设计要求、控制策略以及实际应用场景。

当前典型的SST设备采用ISOP型系统拓扑，输入整流级采用多H桥模块级联构成，以减小开关管的电压应力；后级是带隔离的DC-DC变换，各模块输出并联，为负载提供直流电力。每一相都由相同数量的功率模块级联来承担输入的相电压，输出并联在一起，形成600~900V直流母线。在电网和级联H桥中间接入滤波电感，滤波电感的主要作用是存储能量，滤除输入电流高频纹波，实现升压。每一相的前级由N个H桥模块级联构成，多模块之间采用载波移相的调制方式，提高了等效开关频率，使调制产生的输入交流电流具有良好的谐波特性。

AC/DC级采用单相PFC拓扑，功率器件选用大功率Si IGBT或SiC MOSFET，实现整流和功率因数校正作用, 采用SiC器件可以提升AC/DC的开关频率，进一步减少网侧电流谐波含量；DC/DC级采用双有源桥或者谐振拓扑结构，功率器件选用SiC MOSFET，由一个跟输入级连接的逆变器、谐振电容、谐振电感、高频变压器和整流器组成，通过谐振变换实现功率传输，变压器实现隔离作用。这种结构能实现输入侧的功率因数校正，同时抑制负载侧谐波对网侧的影响。系统典型拓扑如下图所示。

图1 典型SST系统拓扑图

SST的控制策略

SST采用电压外环+电流内环的双环控制策略，其工作原理是通过电压外环实时监测输出电压，与设定的参考电压进行比较，将偏差信号经过控制器处理后作为电流内环的参考值；电流内环再将实际电流与该参考值对比，根据偏差调节 PWM信号，进而控制整流器的开关器件，实现稳定输出电压与电流的目的。同时可实现模块冗余切除、低电压穿越、短路故障、断路故障等故障工况的控制。控制框图如图所示。

图2 SST总体控制逻辑

SST的可靠性分析

SST在通信领域还属于新兴技术，因此其系统可靠性必须经过严格论证并符合要求。功率单元及其内部关键元器件是SST可靠性评价的重要基础，通过查询主要元件的故障率λ来计算设备的平均无故障时间MTBF。电子元件的故障率受耐压等级、温度、环境、材料等因素的影响，本白皮书仅讨论采用假设相同条件下SST的可靠性，而忽略不同耐压等级、不同厂家等因素所造成的相对较小的故障率差异。根据图1 SST的系统拓扑图列出单个功率模块主要元器件故障参数如表1所示。

表1  元器件故障率参数

根据上表1可计算出单个功率模块的故障率：λ=(0.001×12+0.002×6+0.001×6+0.0005+0.001×2+0.005×2+0.002+0.001×4+0.005×4）×10-5=0.0685×10-5次/小时。

为了保障SST的可靠运行，功率单元须采用冗余配置，假设单相级联的功率模块冗余度为1，即同一相出现单个功率单元故障，系统仍然能正常工作。同时当出现功率单元故障时，每个单元配置的旁路开关须在10ms以内将功率转至单元旁路，使其不影响其它功率单元的正常运行。在引入冗余机制后，SST的MTBF值将远超计算出的11年。

来源：《数据中心800V直流供电技术白皮书》（1.0）

《数据中心800V直流供电技术白皮书》（1.0）于8月15日在第14届中国数据中心设计高峰论坛重磅发布。该白皮书梳理了数据中心供电技术从传统交流UPS、高压直流HVDC到当前800V直流供电的发展历程和技术演进脉络。

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