固态变压器（SST）两电平H桥与三电平拓扑对比分析

摘要

当前工程落地的固态变压器（SST，电力电子变压器），功率单元内部以两电平 H 桥（全桥）拓扑占绝大多数，三电平 SST（NPC/ANPC）仍以实验室、样机验证为主，产业化案例较少。本报告针对三级式 ISOP（输入串联输出并联）模块化 SST 架构，对比功率单元内部两电平 H 桥与三电平（NPC/ANPC）拓扑的技术优劣势、工程痛点，分析各自适用场景，研判拓扑未来演进路线，为 SST 拓扑选型、产品开发提供参考。

1 概述

中压 SST 主流采用三级式模块化架构：高压 AC‑DC 整流级 + 高频隔离 DC‑DC 级（DAB/CLLC） + 低压 DC‑AC/DC 输出级，通过多个功率单元输入串联、输出并联（ISOP）实现中压电网适配。 每个功率单元的网侧整流 / 逆变单元，主流分为两类：

1. 两电平 H 桥（全桥）
   
   ：4 只开关器件，输出 ±Vdc 两电平电压波形，目前商业化 SST 样机、示范项目的主流方案。
2. 三电平拓扑
   
   ：包含二极管钳位 NPC、主动中点钳位 ANPC，输出 + Vdc/2、0、‑Vdc/2 三电平波形；器件承受电压仅为母线电压一半；受中点电位平衡、控制复杂度制约，实际产品较少，是中高压大功率 SST 重点研究方向。

说明：本文讨论对象为模块化 SST 子单元内部拓扑，非 MMC 模块化多电平。

2 两电平 H 桥 SST 拓扑技术分析

2.1 拓扑原理

单相 H 桥由 4 只功率管组成，输出只有 + Vdc、‑Vdc 两个电平。多个 H 桥单元原边串联承受中压，副边高频隔离 DC‑DC 输出并联，构成完整 SST 系统。器件承受完整单元直流母线电压。

2.2 核心优势

1. 拓扑简单，控制成熟度高
   
   电路结构简单，开关状态少，PWM 调制、过流保护、驱动逻辑成熟；无中点电位平衡问题，调试难度低，开发周期短，仿真、测试工具生态完善，是 SST 产业化首选拓扑。
2. 器件数量少，BOM 简单，维护方便
   
   同等单元母线电压条件下，H 桥单元开关器件数量少于三电平；驱动、采样回路少，硬件成本可控，模块标准化程度高，故障旁路逻辑简单，便于工程运维。
3. 功率流动双向控制简单
   
   适配 DAB、CLLC 等高频隔离 DC‑DC，移相、谐振控制实现双向功率流动，适配储能、微电网、数据中心、充电桩等双向场景。
4. 模块化扩展性好
   
   依靠增加串联单元数量即可提升整机耐压，不改变单元内部拓扑；1700V SiC 器件成熟，供应链完善，适合快速迭代样机与示范工程。

2.3 主要短板

1. 器件电压应力高，dv/dt 大
   
   开关动作直接跳变完整母线电压，SiC 高频工作下产生很高 dv/dt；高频变压器绝缘、绕组局部放电风险上升，EMI 干扰严重，对 PCB 布局、寄生参数、滤波器设计要求严苛。
2. 谐波含量高，滤波器体积大
   
   输出仅两电平 PWM 波形，THD 更高，需要更大体积的 LCL 滤波，一定程度抵消 SST 功率密度优势。
3. 开关损耗约束开关频率上限
   
   单管关断电压高，开关损耗大；若追求较高开关频率，器件损耗明显上升，限制系统进一步提升功率密度。
4. 母线电压受器件耐压限制
   
   受 1700V SiC 器件降额约束，单元直流母线一般只能做到 1000‑1200V；想要接入 10kV 电网，需要更多串联单元，整机器件总数上升。

2.4 适用场景

• 中小容量 SST 示范项目、兆瓦级数据中心、工商业储能、兆瓦超充；
• 看重开发周期、成本、可靠性验证，对滤波器体积不敏感；
• 器件以 1200V‑1700V SiC MOSFET 为主。

3 三电平 SST 拓扑技术分析（NPC/ANPC）

3.1 拓扑原理

每个功率单元采用 NPC 二极管钳位或 ANPC 主动钳位三电平拓扑，输出三电平电压；功率器件关断承压仅为直流母线的 1/2。ANPC 相比传统 NPC 可以主动分配器件损耗，解决 NPC 固有损耗不均衡问题，是 SST 三电平优选方案。

3.2 核心优势

1. 器件电压应力减半，dv/dt 显著降低
   
   开关电压跳变只有 Vdc/2，dv/dt 幅值减半，大幅降低高频变压器绝缘压力、局部放电风险，EMI 噪声明显改善，减小共模干扰，适配 SiC 高频运行场景。
2. 谐波性能优异，缩减滤波体积
   
   三电平输出波形更接近正弦波，总谐波失真 THD 显著下降，可以缩小网侧滤波器体积，提升整机功率密度，契合 SST 小型化目标。
3. 同等器件耐压下，单元母线电压更高
   
   同样使用 1700V SiC 器件，三电平单元可以支持更高直流母线电压；接入同等中压电网时，整机所需串联单元数量减少，减少系统总器件数量、减少高频变压器数量，降低整机复杂度。
4. 开关损耗更低，允许更高工作频率
   
   单管开关电压低，开关损耗下降，在同等散热条件下可以提升开关频率，进一步缩小高频变压器磁件体积，提升系统效率。ANPC 拓扑还可以通过开关状态轮换，均衡各器件损耗，改善热分布，提升模块功率能力与寿命。

3.3 现存短板（也是三电平 SST 产业化少的核心原因）

1. 控制复杂度大幅提升
   
   必须实时控制中点电位平衡，负载扰动、功率双向流动、电网跌落工况下中点电位漂移风险突出；调制算法、保护逻辑更复杂；硬件在环仿真、测试工具生态不完善，研发调试门槛高，是制约三电平 SST 普及的最大瓶颈。
2. 器件、驱动数量增加
   
   相比 H 桥，三电平单元功率器件、钳位器件、驱动、采样点增多，BOM 成本上升；对驱动芯片 CMTI（共模瞬态抗扰度）要求更高。
3. 可靠性验证不足
   
   三电平 SST 长期运行、故障穿越、直流故障工况下的工程案例较少；中点电位失衡会直接造成器件过压损坏，整机可靠性数据积累远少于成熟两电平 H 桥方案。
4. 电容设计压力大
   
   需要两个大容量串联直流支撑电容，中点电位波动对电容容值、均压特性提出更高要求。

3.4 适用场景

• 中高压大容量 SST（5MW 以上）、10kV 及以上配电网；
• 追求极高功率密度，对 EMI、绝缘局部放电指标严苛；
• 希望减少串联单元数量，降低整机模块总数；
• 面向下一代 3.3kV、6.5kV、10kV 高压 SiC 器件应用场景。

4 两电平 H 桥与三电平 SST 关键指标对比表

5 当前产业现状总结

1. 两电平 H 桥 SST 是当前产业化主力
   
   依托 1700V SiC 器件成熟、控制简单、生态完善，国内外绝大多数 SST 示范工程、数据中心样机、储能样机均采用级联两电平 H 桥 ISOP 架构，技术风险可控，可快速完成产品落地验证。
2. 三电平 SST 处于样机与实验室阶段，落地少
   
   虽然理论性能全面占优，但中点电位控制、可靠性验证、成本等因素制约大规模落地；目前更多集中在高校、研究所原型验证，部分厂商开始做硬件在环仿真平台开发，尚未大规模商业化交付。
3. 技术趋势不是简单替代，而是分场景选型
   
   不是三电平完全取代两电平，而是中小容量、快速落地项目优先两电平；大容量、高功率密度下一代产品逐步向三电平（ANPC）演进。

6 SST 拓扑未来发展方向

6.1 短期（1‑3 年，现阶段）：两电平 H 桥继续主导商业化落地

1. 以级联两电平 H 桥‑ISOP 架构作为主流，依托 1700V SiC 器件迭代，持续优化效率、功率密度，完成数据中心、储能、超充站示范项目规模化落地。
2. 针对两电平短板，通过优化布局、缓冲电路、无源滤波、共模抑制方案缓解高 dv/dt 与 EMI 问题，弥补拓扑固有缺陷。
3. 同步开展三电平 ANPC 样机验证，积累中点电位平衡算法、故障工况测试数据，为大容量产品做技术储备。

6.2 中期（3‑6 年）：ANPC 三电平 SST 逐步走向工程化

1. ANPC 替代传统 NPC，成为三电平主流
   
   ：解决 NPC 损耗分布不均问题，实现损耗主动均衡，提升模块输出能力与热可靠性。
2. 随着 3.3kV SiC 器件量产，三电平单元母线电压进一步提升，减少整机串联单元数目，降低整机器件总数，抵消三电平单单元器件变多带来的成本压力。
3. 中点电位控制算法成熟：研发适合 SST 双向功率流动、电网扰动工况的中点电位平衡策略；完善硬件在环 HIL 仿真测试工具链，降低三电平 SST 开发门槛。
4. 市场分化：兆瓦级以下成本敏感项目继续沿用两电平 H 桥；5MW 以上大容量 SST、10kV 配网、大型 AI 数据中心，逐步采用三电平方案。

6.3 长期（6‑10 年）：拓扑融合，高压 SiC 驱动架构革新

1. 10kV 级 SiC 器件成熟后，单三电平单元可直接对接 10kV 电网，大幅减少级联串联级数，简化整机系统架构，降低系统复杂度。
2. 混合拓扑思路：部分厂商探索 “部分单元三电平 + 部分单元两电平” 混合级联架构，兼顾成本与性能。
3. 向 PEBB（电力电子积木）标准化模块演进：分别推出标准化两电平、三电平功率单元模块，整机按需组合，降低研发成本。
4. 拓扑与保护、数字化深度融合：数字化控制实现单元健康监测、器件结温预估、中点电位预测控制，提升三电平 SST 整机可靠性。

6.4 器件‑拓扑协同演进逻辑

SST 拓扑选型从来不是单纯拓扑优劣对比，而是功率器件耐压、成本、可靠性、控制复杂度之间的权衡：

• 低压成熟器件时代，两电平 H 桥凭借简单可控优先产业化；
• 高压 SiC 器件成熟后，三电平拓扑的电压应力低、谐波小、功率密度高的优势将充分释放，市场占比会逐步提升，但不会完全取代两电平 H 桥。

7 结论与选型建议

1. 两电平 H 桥 SST
   
   ：技术成熟、开发风险低，适合现阶段商业化示范、中小‑中等容量 SST 项目，未来中长期依旧有大量应用市场。短板在于 dv/dt、谐波、单元串联数量较多，依靠磁件、滤波器、EMI 设计做系统层面补偿。
2. 三电平 ANPC‑SST
   
   ：性能上限更高，是中高压大容量 SST 重要演进方向，但现阶段控制复杂、工程验证少，优先作为下一代技术储备；当项目功率≥5MW，追求极高功率密度、低 EMI、减少串联单元数量，可优先考虑三电平路线。
3. 产业路径预判：两电平 H 桥负责当下商业化落地，三电平 ANPC 代表 SST 中长期技术升级方向，二者长期共存，按功率等级、应用场景分化选型，不存在绝对的技术替代关系。

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