2. 电力电子基础回顾

固态变压器（SST）本质上是“电力电子变换器 + 中高频变压器”的系统集成，其性能上限由器件、拓扑、调制与热设计共同决定。本节把与 SST 最相关的电力电子基础知识串成一条主线：用什么器件开关、用什么拓扑变换、用什么方式控制、损耗从哪里来、热量如何排出去。理解这条主线，才能在后续 SST 设计中做出合理的参数取舍。

一、功率半导体器件：SST 的“开关肌肉”

SST 的输入端通常接中压交流或直流，内部存在高频开关过程，因此器件选型要同时关注耐压、通流、开关频率与损耗。常用器件可分为三类：

• Si IGBT：耐压高、通流大、成本低，适合中压大功率场合，但开关频率一般限制在几 kHz 到十几 kHz，关断存在拖尾电流，开关损耗偏大。
• SiC MOSFET：宽禁带器件，耐压可达 1.2 kV～10 kV 以上，开关速度快、导通电阻低、高温特性好，是 SST 实现高频化、高功率密度的关键器件。
• GaN HEMT：开关频率可达数百 kHz 甚至 MHz，适合低压高频小功率级，但在中压 SST 中目前应用有限。

器件选型的核心是“电压裕量、电流裕量、开关频率、损耗与散热”的平衡。例如 10 kV 中压侧若采用 1.7 kV SiC MOSFET 串联，需要解决动态均压问题；若采用 10 kV SiC MOSFET，则器件成本与驱动难度上升。工程上常用“器件电压利用率不超过 60%～70%”作为初步约束。

二、基本变换器拓扑：SST 的“骨架”

SST 通常由三级构成：AC/DC 整流级、DC/DC 隔离级、DC/AC 逆变级。每一级都对应若干基本拓扑：

其中 DAB（双有源桥）是 SST 隔离级最常用的拓扑之一，它通过移相控制实现功率双向流动，配合高频变压器可大幅减小磁件体积。对于中压大功率 SST，模块化多电平（MMC）或级联 H 桥（CHB）也常被用于前端，以降低器件电压应力和谐波。

三、PWM 调制：把“开关”变成“波形”

PWM 的作用是用一系列脉冲宽度可调的开关信号，逼近期望的电压或电流波形。SST 中常见的调制方式包括：

• SPWM：正弦脉宽调制，用正弦调制波与三角载波比较，实现简单，适合两电平逆变。
• SVPWM：空间矢量脉宽调制，直流电压利用率比 SPWM 高约 15%，谐波特性更好，适合三相变换器。
• 移相调制：用于 DAB，通过控制桥臂之间的移相角调节传输功率，可实现软开关。
• 载波移相 PWM：用于级联 H 桥或 MMC，通过多个载波错相叠加，等效提高开关频率，改善谐波。

调制策略直接影响开关损耗、谐波含量和 EMI。例如提高开关频率可减小滤波器体积，但开关损耗随之上升；采用软开关（ZVS/ZCS）可显著降低开关损耗，但需要合理设计死区与谐振参数。

四、损耗与热管理：从“电”到“热”的闭环

功率器件的损耗主要分为导通损耗和开关损耗。导通损耗与通态电阻或饱和压降有关，开关损耗与开关频率、电压电流交叠时间有关。此外还有驱动损耗、磁芯损耗和绕组损耗。SST 的损耗分布通常为：

总损耗 = 导通损耗 + 开关损耗 + 驱动损耗 + 磁芯损耗 + 绕组损耗 + 其他
导通损耗 ≈ I_rms² × R_ds(on) 或 V_ce(sat) × I_avg
开关损耗 ≈ 0.5 × V_ds × I_d × (t_rise + t_fall) × f_sw

热管理的基本路径是“结→壳→散热器→环境”。关键参数包括结温 T_j、热阻 R_th(j-c)、R_th(c-h)、R_th(h-a)。设计时要保证：

T_j = T_a + P_loss × (R_th(j-c) + R_th(c-h) + R_th(h-a))
要求 T_j ≤ T_j(max)，通常留 20%～30% 裕量

常用散热方式包括风冷、液冷和相变散热。SST 功率密度高，液冷是主流选择；对于中压隔离级，还需考虑变压器与器件的热耦合，避免局部过热导致绝缘老化。

五、案例与误区复盘

以一个 10 kV/400 V、100 kVA 的 SST 样机为例：前端采用级联 H 桥，隔离级采用 DAB，输出级采用三相逆变。若初期选择 Si IGBT 且开关频率设为 10 kHz，则开关损耗较大，散热器体积难以压缩；改用 SiC MOSFET 后，开关频率提升至 50 kHz，高频变压器体积显著减小，但驱动电路需重新设计，且需注意 dv/dt 引起的 EMI 问题。

常见误区包括：只看器件耐压而忽略电压尖峰；只关注导通损耗而低估开关损耗；热设计只算总损耗而不看热阻路径；调制策略与拓扑不匹配导致直流母线振荡。复盘时应回到“器件—拓扑—调制—损耗—热”这条链路，逐项核对参数与实测波形。