固态变压器SST核心方案与关键设计要点与未来研究方向

固态变压器架构与核心设计要点(苏黎世联邦理工学院ETH Zürich)

一、中频电能变换技术

1. 发展历程

1914 年：机械式直流变换器；1923 年：汞弧阀交流变换器；1928 年：直流变压器电路；1968 年：全固态电子变压器。

2. 主流拓扑

（1）双有源桥（DAB）

1989 年提出，依靠原副边电压移相控制实现功率双向传输，特定工况下可实现零电压开通（ZVS）软开关，降低开关损耗。

硅 IGBT 方案：360 千瓦、2.5 千赫兹工况下效率 98.4%；

碳化硅（SiC）MOSFET 方案：360 千瓦、4 千赫兹工况下效率 99.2%。三相 DAB 单机容量可达 7 兆瓦，峰值效率 99.2%，功率密度 0.9 千瓦 / 立方分米。

（2）直流变压器（DCX，谐振型）

谐振频率与开关频率近似，电压变比固定，无需复杂控制，多单元串联时可自然均压，广泛应用于多模块固态变压器。可通过励磁电流控制实现全负载范围零电压开通，输出电压偏差小于 0.8%，整机效率 99%。

实例：法国国铁 300 千瓦直流变压器模块（15 千赫兹、碳化硅器件），两单元串并联后实现 3 千伏 / 1.5 千伏变换，输出纹波通过交错并联大幅降低。

（3）两类拓扑对比

双有源桥：控制灵活、功率流向可调，适用于工况多变场景；

直流变压器：结构简单、控制成本低，模块化系统首选。

二、功率半导体器件

1. 硅基器件

主流 1200 伏、1700 伏 IGBT，最高耐压 6.5 千伏；受宇宙射线影响，1700 伏 IGBT 实际最高工作电压仅 1000 伏左右，中压场景需多器件串联或多电平拓扑。

2. 碳化硅（SiC）器件

击穿电场强度约为硅材料的 9 倍，比通阻更低、耐压更高，现有 10~15 千伏碳化硅 MOSFET 样机已落地。弊端：开关速度快导致高 dv/dt、高 di/dt，易产生过电压、对地杂散电流，需优化布局与寄生参数。

3. 器件串联 / 多电平方案

单器件耐压不足时，采用器件串联、中性点钳位（NPC）、飞跨电容、级联 H 桥（CHB）、模块化多电平（MMC）等拓扑。多单元交错并联优势：电流纹波、开关损耗、导通损耗均显著降低。

SiC 国产芯片产业链：碳化硅MOS功率模块应用，驱动，系统方案2026-06_20260603_104025.pdf

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