1. 概述

固态变压器（Solid State Transformer，SST），又称电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET），是一种基于功率半导体器件和高频磁耦合技术的新型电能变换设备。与传统工频变压器相比，SST具有以下显著优势：

（1）体积小、重量轻：采用高频变换技术，磁性元件体积可大幅减小

（2）可控性强：可实现输出电压、电流的精确控制与调节

（3）功能多样化：可集成功率因数校正、电能质量调节等功能

（4）智能化：便于与智能电网、分布式能源系统集成

碳化硅（SiC）功率器件的出现，特别是高压SiC MOSFET模块商业化，为中压配电网SST的应用提供了关键技术支撑。SiC器件的高击穿电压、低导通电阻、快速开关特性使得SST的效率、功率密度和可靠性得到显著提升。

2. 技术指标与设计要求

本方案针对以下应用场景进行设计：

• 输入电压：10kV AC（配电网中压）

• 输出电压：800V DC

• 额定功率：1MW

• 工作频率：20-50kHz（高频变压器工作频率）

• 效率目标：≥98%

• 冷却方式：水冷或强制风冷

3. 主流拓扑结构分析

3.1 两级式SST拓扑

两级式SST是目前研究和应用最广泛的拓扑结构，主要包括：

（1）AC-DC + DC-DC两级结构

第一级为PFC整流/逆变级，实现功率因数校正和直流电压调节；第二级为隔离型DC/DC变换级，实现电气隔离和电压变换。这是目前最成熟的SST方案。

（2）CHB（级联H桥）型SST

采用多个H桥单元级联实现中压输入，具有输出谐波小、模块化程度高的优点，但系统复杂度较高。

（3）MMC（模块化多电平）型SST

基于模块化多电平变流器结构，可直接接入中压电网，电平数多时输出波形接近正弦波。

3.2 单级式SST拓扑

单级式SST采用矩阵式变换器或直接AC-AC变换技术，可实现单级功率转换，效率较高，但控制复杂，尚未大规模商业化应用。

3.3 本方案拓扑选择

综合考虑技术成熟度、效率、成本和可靠性，本方案采用两级式AC-DC + DC-DC结构：

• 前级：10kV AC / 8kV DC 有源PFC整流器（三相T型三电平整流器）

• 后级：8kV DC / 800V DC 隔离型LLC谐振变换器

该拓扑充分利用10kV SiC器件的优势，实现高效率、高功率密度的设计目标。

4. 元山SiC模块选型

元山电子（济南）有限公司是国内领先的碳化硅功率模块制造商，产品覆盖750V至3300V电压等级，30A至2000A电流范围。本方案选用元山SiC模块进行设计。

4.1 前级PFC整流模块选型

前级整流器采用三相T型三电平拓扑，交流输入侧线电压10kV，经整流后直流母线电压约8kV。每个开关位置承受的最大电压约为DC母线电压的一半（约4kV）。考虑到电压应力余量，选用元山1700V电压等级SiC模块。

推荐型号：元山1700V/400A SiC MOSFET模块（如EM系列），采用Econodual封装，支持多芯片并联实现大电流输出。

4.2 后级LLC谐振变换器模块选型

后级LLC变换器的高压侧（MV侧）需要承受约8kV的直流电压，采用半桥拓扑，每个开关承受4kV电压。选用元山1700V或1200V SiC MOSFET模块。

推荐型号：

• 高压侧：元山1700V/300A SiC模块（半桥结构）,型号：YS17DL300FM2.

• 低压侧（800V侧）：元山1200V/600A SiC模块（半桥结构），型号：YS12CB600EM0.

4.3 元山SiC模块特点

元山SiC功率模块具有以下核心技术优势：

（1）超低寄生电感设计：采用优化的模块内部走线设计，显著降低开关过程中的电压尖峰; 

（2）卓越的动态均流技术：多芯片并联时实现良好的电流分布; 

（3）高效散热设计：采用PinFin强化散热底板，支持水冷或风冷散热; 

（4）高可靠性：采用AMB基板、全铜工艺及全烧结技术，满足车规级可靠性要求; 

（5）完善的驱动方案：配套提供高集成度驱动板，具备短路保护、过压/欠压保护、温度监测等功能.

5. 系统设计方案

5.1 系统总体架构

本SST系统采用两级式架构设计，系统框图如下：

10kV AC输入 → 预充电电路 → 三相T型PFC整流器 → DC-LINK（8kV）→ LLC谐振DC/DC变换器 → 800V DC输出

5.2 前级PFC整流器设计

（1）拓扑选择：三相T型三电平整流器; 

（2）开关频率：20kHz; 

（3）DC-Link电压：8KV; 

（4）功率器件：每相需要4个1700V/400A SiC MOSFET模块;

（5）滤波电感：每相输入电感约5mH;

5.3 后级LLC谐振变换器设计

（1）拓扑选择：全桥LLC谐振变换器

（2）工作频率：48kHz（接近谐振频率）

（3）变比：8kV : 800V = 10:1

（4）谐振参数：

  - 谐振电感（Lr）：约50μH

  - 谐振电容（Cr）：约2.6μF

  - 励磁电感（Lm）：约200μH

（5）高频变压器：采用纳米晶磁芯，原边电压8kV，副边电压800V，功率1MW，频率48kHz。

5.4 控制系统设计

（1）控制器：采用DSP+FPGA双核控制架构; 

（2）PFC级控制：基于dq旋转坐标系的PWM控制，实现功率因数接近1；

（3）LLC级控制：采用频率调制（PFM）实现输出电压稳定; 

（4）保护功能：过流、过压、欠压、短路、过温保护; 

6. 关键器件计算

6.1 电流计算

输入电流（10kV侧）：

I_in = P / (√3 × U_in × cosφ) = 1,000,000 / (√3 × 10,000 × 1) ≈ 57.7 A

直流母线电流（8kV侧）：

I_dc = P / U_dc = 1,000,000 / 8,000 = 125 A

输出电流（800V侧）：

I_out = P / U_out = 1,000,000 / 800 = 1,250 A

6.2 高频变压器设计

（1）变比：n = 8000V / 800V = 10:1

（2）工作频率：f = 48kHz

（3）磁芯选择：纳米晶磁芯，磁通密度约0.4T

（4）原边匝数：N1 ≈ 40匝（根据磁芯尺寸计算）

（5）副边匝数：N2 = N1 / 10 = 4匝

（6）绝缘要求：原边与副边之间绝缘耐压≥20kV

6.3 散热设计

假设系统效率98%，则损耗约20kW。采用水冷系统，冷却液流量约10L/min，温升控制在30℃以内。

7. 总结与展望

本方案详细介绍了基于元山SiC模块的1MW/10kV-800V固态变压器（SST）设计方案。

主要结论：

（1）采用两级式AC-DC + DC-DC架构，技术成熟，可靠性高

（2）充分利用10kV SiC器件的高电压、高频化优势，系统效率可达98%以上

（3）选用元山1700V/1200V SiC功率模块，配合其专用驱动板，可实现快速原型开发

（4）系统功率密度高，体积约为传统工频变压器的1/3至1/5

随着SiC器件技术的持续进步和成本的进一步降低，SST在智能电网、轨道交通、数据中心、工业电源等领域的应用前景广阔。元山电子作为国内领先的SiC功率模块制造商，将为SST应用提供优质的器件和解决方案支持.