SST固态变压器中NPC三电平架构的演进与SiC功率模块应用优势研究报告

SST固态变压器中NPC三电平架构的演进与SiC功率模块应用优势研究报告

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，代理并力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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1. 绪论：电网现代化与电力电子变压器的崛起

全球能源结构的深刻变革正在推动电力网络从传统的单向传输模式向双向、智能、分布式的“能源互联网”演进。在此背景下，作为电网核心节点的变压器设备面临着前所未有的挑战。传统的工频变压器（Line-Frequency Transformer, LFT）虽然在可靠性和成本上具有成熟优势，但其基于电磁感应的物理原理决定了其体积庞大、重量沉重，且缺乏对电压、频率和功率潮流的主动控制能力 。随着分布式可再生能源（DERs）、电动汽车（EV）大功率充电基础设施以及直流原生负载（如数据中心）的渗透率不断提高，电网对电能质量控制、交直流混合接口以及功率密度的要求日益迫切。

固态变压器（Solid State Transformer, SST），亦被称为电力电子变压器（PET），作为一种能够替代传统LFT并提供附加功能的智能设备，正逐渐成为学术界和工业界的关注焦点 3。SST本质上是一个包含高频隔离环节的多级电力电子变换器系统，它不仅能够实现电压等级的变换和电气隔离，还能提供无功补偿、谐波抑制、电压暂降穿越以及交/直流混合端口等高级功能 。通过引入中高频变压器（Medium/High-Frequency Transformer, MFT），SST利用频率与磁性元件体积的反比关系，显著提升了系统的功率密度，理论上可将体积和重量减少60%至90% 。

在SST的中压交流侧（MV AC），为了适配配电网的电压等级（如6kV, 10kV, 35kV）并降低开关器件的电压应力，多电平变换器拓扑成为必然选择。其中，中点钳位型（Neutral Point Clamped, NPC）三电平拓扑凭借其优越的谐波性能、适中的器件数量以及成熟的控制策略，已成为中压SST整流级和逆变级的主流方案之一 。然而，传统基于硅（Si）基IGBT的NPC拓扑在高频化和效率方面遭遇了物理瓶颈。硅器件的开关损耗限制了开关频率的提升，从而制约了SST核心优势——高功率密度的实现。

碳化硅（Silicon Carbide, SiC）作为第三代宽禁带（WBG）半导体的代表，凭借其高击穿场强、高电子饱和漂移速度和高热导率，为突破SST的技术瓶颈提供了关键契机 9。SiC MOSFET的应用使得NPC变换器能够在数十千赫兹（kHz）的频率下高效运行，极大地减小了无源元件的体积，并提升了整机效率。倾佳电子杨茜研究NPC三电平架构在SST中的演进路径，特别是从被动钳位向主动钳位（Active NPC, ANPC）的发展趋势，并结合基本半导体（BASIC Semiconductor）等厂商的最新SiC模块技术数据，量化分析SiC技术在提升SST效率、功率密度及可靠性方面的核心优势。

2. 固态变压器（SST）的系统架构与拓扑演变逻辑

SST的架构设计需要在效率、体积、可靠性、成本和功能性之间寻找极其微妙的平衡。根据电能变换的级数，SST主要分为单级式、双级式和三级式结构。虽然单级式AC/AC变换器（如矩阵变换器）具有最少的元件数量，但其缺乏直流母线（DC Link），无法实现无功功率的解耦控制，也难以提供直流接口，因此在现代智能电网应用中受到限制 。相比之下，三级式架构（AC/DC + DC/DC + DC/AC）凭借其高度的解耦控制能力、丰富的端口扩展性以及对电网扰动的优异隔离性能，已成为工业界研发的主流方向 。

2.1 三级式SST架构中的中压侧挑战

在三级式SST中，第一级AC/DC整流器直接连接中压电网，面临着严峻的高压绝缘和耐压挑战。对于10kV及以上的配电网，直接采用两电平拓扑会导致开关器件承受极高的电压应力，且输出波形谐波含量大，需要庞大的滤波电感 。为了解决这一问题，级联型多电平拓扑应运而生。

目前，中压SST的主流实现方式主要有两种路径：级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）和级联NPC/ANPC结构 。

• 级联H桥 (CHB)： 该拓扑模块化程度高，采用低压器件级联即可实现高压输出。然而，其致命弱点在于需要大量的独立隔离直流电源，这意味着后级的DC/DC隔离变换器数量巨大，系统复杂度和变压器绕组设计难度极高 。
• 级联NPC/ANPC： 相比之下，NPC三电平拓扑自身即可通过二极管或开关管的钳位作用，使每个开关管仅承受一半的直流母线电压。这意味着在相同的母线电压下，NPC拓扑可以使用耐压等级较低的器件，或者在相同的器件耐压下，NPC单元可以承受更高的母线电压，从而减少级联单元的总数 。例如，采用1200V或1700V的SiC器件构建NPC单元，可以大幅简化中压SST的结构，减少隔离变压器的数量，从而提高系统的可靠性和功率密度。

2.2 NPC三电平拓扑的固有优势

NPC拓扑由Nabae等人于1981年提出，其核心在于利用两个串联的直流电容引出中性点，并通过钳位二极管将功率开关管的关断电压钳位在直流母线电压的一半 。在SST应用中，NPC拓扑相比两电平拓扑具有以下显著优势：

1. 开关损耗降低： 由于每个器件仅需阻断一半的直流电压，开关过程中的电压跳变幅值（dv/dt）减半，这直接降低了单次开关动作的能量损耗。这对于追求高频化的SST至关重要，因为开关损耗通常是限制频率提升的主要因素 。
2. 谐波性能改善： NPC逆变器能输出+Vdc/2、0、-Vdc/2三种电平状态。相比两电平的PWM波形，三电平波形更接近正弦波，显著降低了输出电压的总谐波失真（THD）。这意味着SST网侧的LCL滤波器体积可以大幅减小，从而提升整体功率密度 。
3. EMI抑制： 降低的dv/dt不仅减少了开关损耗，还显著减小了电磁干扰（EMI）发射，减轻了对绝缘系统的压力，这对于紧凑型设计的SST尤为重要 。

2.3 从NPC到ANPC的演进趋势

尽管NPC拓扑优势明显，但其传统结构（二极管钳位）存在一个固有的缺陷：损耗分布不均。在特定的功率因数和调制比下，某些特定位置的开关管（通常是外管或内管）会承担过高的导通或开关损耗，导致结温过高，而其他器件则相对“凉爽”。这种热应力的不平衡限制了变换器的最大输出功率，并降低了系统的长期可靠性 。

为了解决这一问题，主动中点钳位（Active NPC, ANPC）拓扑逐渐成为SST发展的新趋势。ANPC用有源开关（如IGBT或MOSFET）替代了NPC中的钳位二极管。这一改变虽然增加了器件数量和驱动电路的复杂性，但引入了巨大的控制自由度。通过控制钳位开关的通断，ANPC拥有多种冗余的零电平开关状态。控制算法可以根据器件的实时温度或损耗模型，在这些冗余状态间灵活切换，从而主动平衡各开关管的损耗，消除热点，显著提升变流器的容量利用率和寿命 。

3. 碳化硅（SiC）模块在NPC/SST架构中的技术价值分析

SST要实现对传统工频变压器的替代，必须在效率和体积上取得革命性突破。硅基器件受限于材料物理特性，难以同时满足高压、高频和高效的要求。碳化硅（SiC）技术的成熟，特别是高压大电流SiC MOSFET模块的商业化，为NPC架构的SST注入了新的活力。

3.1 宽禁带材料的物理降维打击

SiC材料的禁带宽度为3.26 eV，约为硅的3倍；击穿场强是硅的10倍 。这些物理特性在功率器件层面转化为巨大的性能优势：

• 超低导通电阻： 高击穿场强允许SiC MOSFET的漂移层（Drift Layer）做得极薄且掺杂浓度更高。这意味着在相同的耐压等级下，SiC器件的比导通电阻（RDS(on)​×Area）远低于硅器件。这对于SST至关重要，因为NPC拓扑中电流路径上串联的器件较多，降低单一器件的导通压降能显著提升整机效率 。
• 单极性导电与高速开关： SiC MOSFET是单极性器件，不存在IGBT中的少子拖尾电流（Tail Current）现象。这使得SiC MOSFET的关断速度极快，关断损耗（Eoff​）极低。结合极小的反向恢复电荷（Qrr​），SiC器件允许SST的开关频率从硅基的几kHz提升至几十甚至上百kHz 。
• 高温运行能力： SiC的高热导率（约硅的3倍）和宽禁带特性使其能够在更高的结温下（如175°C甚至200°C）稳定工作，这简化了SST的散热系统设计，进一步提升了功率密度 。

3.2 关键参数实证分析：基于基本半导体（BASIC Semiconductor）SiC模块

为了量化SiC模块在NPC架构SST中的优势，我们深入分析基本半导体（BASIC Semiconductor）的几款代表性工业级SiC模块规格书数据 32。

3.2.1 导通损耗的显著降低

以基本半导体的 BMF540R12MZA3 模块为例，该模块采用Pcore™2 ED3封装，额定电压1200V，额定电流高达540A 。

• RDS(on)​数据： 在结温 Tvj​=25∘C 时，其典型导通电阻仅为 2.2 mΩ；即使在 175∘C 的高温下，电阻也仅上升至 3.8 mΩ 。
• 对比分析： 传统的同电压等级硅IGBT模块，由于存在固定的集射极饱和压降（VCE(sat)​），在小电流负载下效率较差。而SiC MOSFET呈现纯阻性导通特征，在SST经常运行的轻载或半载工况下（如数据中心夜间低负荷），2.2 mΩ的超低电阻将带来极低的导通损耗，显著提升SST的全范围加权效率 。
• NPC应用： 在NPC拓扑中，电流经常流经两个串联的开关管。如果使用SiC MOSFET，两管串联的总压降依然极低，使得兆瓦级（MW）的SST设计成为可能，而无需像硅器件那样通过大量并联来降低损耗。

3.2.2 开关频率与变压器体积的解耦

开关损耗是限制SST频率提升的根本原因。基本半导体的 BMF240R12KHB3 模块（1200V/240A）数据显示，其总开关损耗（Eon​+Eoff​）在800V/240A工况下仅约为 14.6 mJ 。

• 频率飞跃： 相比之下，同规格的1200V硅IGBT模块的总开关损耗通常在100mJ以上，主要归因于IGBT的拖尾电流和二极管剧烈的反向恢复 29。SiC模块极低的损耗允许SST的AC/DC级和DC/DC级工作在 40kHz - 100kHz 的频率范围内，而不是硅基方案的2-5kHz。
• 体积缩减： 根据变压器体积设计公式，磁芯体积大致与频率成反比。从5kHz提升至50kHz，意味着SST核心的高频隔离变压器（HFT）体积可以理论上缩小近10倍。这不仅减少了昂贵的磁性材料和铜材的使用，也使得SST能够以模块化的形式安装在空间受限的场所，如海上风电平台或城市地下变电站 。

3.2.3 零反向恢复特性的系统级收益

在NPC逆变器的换流过程中，钳位二极管的反向恢复特性对系统性能影响巨大。当主开关管开通时，如果互补的钳位二极管存在较大的反向恢复电流，会在主开关管上产生巨大的开通电流尖峰和损耗，并引发严重的EMI问题。

• SiC SBD优势： 基本半导体的 BMF80R12RA3 模块集成了SiC肖特基势垒二极管（SBD），其反向恢复电荷（Qrr​）仅为 0.3 µC 。这意味着在换流瞬间，几乎没有反向恢复电流冲击。
• 系统简化： 这种“零反向恢复”特性 消除了NPC拓扑中对复杂且有损的吸收电路（Snubber Circuits）的需求，简化了电路设计，降低了BOM成本，并大幅减少了高频噪声的产生，使得SST更容易满足电网的电磁兼容（EMC）标准 。

3.3 封装技术对SST可靠性的加持

SST作为电网设备，其设计寿命通常要求达到20年以上，且需承受剧烈的功率循环和环境温度变化。SiC芯片的高功率密度对封装技术提出了极高要求。

• 氮化硅（Si3​N4​）基板： 基本半导体的Pcore™2系列模块（如BMF240R12E2G3）采用了Si3​N4​ AMB（活性金属钎焊）陶瓷基板 。研究表明，Si3​N4​ 的断裂韧性和抗弯强度远高于传统的氧化铝（Al2​O3​）或氮化铝（AlN）基板 。在SST承受风电或光伏功率波动引起的热循环时，Si3​N4​ 基板能有效抵抗铜层与陶瓷层因热膨胀系数不匹配而产生的剥离失效，显著延长模块寿命 。
• Press-Fit 压接技术： 传统的焊接连接在长期振动和热循环下容易产生焊点疲劳裂纹。BMF240R12E2G3模块采用了Press-Fit压接技术 。这种冷连接方式消除了PCB板级的焊点，提供了极高的机械可靠性和抗振动能力，非常适合安装在如轨道交通牵引SST等高振动环境中。

4. NPC三电平架构的发展趋势：迈向全SiC

拓扑的极简与高效化

随着1200V以上更高电压等级SiC器件（如3.3kV, 10kV）的研发进展，SST的拓扑结构呈现出简化的趋势。

• 减少级联数量： 使用高压SiC器件构建的NPC单元，可以直接耐受更高的直流母线电压。例如，使用3.3kV SiC MOSFET的NPC单元可以直接接入更高的电压等级，从而减少级联模块的数量（Cell Count），降低了SST系统的复杂度和控制难度，提高了可靠性 。
• 两电平回归的讨论： 在某些特定电压等级下，高压SiC的出现甚至让简单的两电平拓扑重新具有竞争力，但在中压直挂场合，为了降低绝缘应力和EMI，NPC三电平依然是平衡性能与器件应力的最佳选择。

5. 典型应用场景与未来展望

5.1 数据中心（Data Centers）

AI算力的爆发导致数据中心能耗激增。传统的“中压交流-低压交流-直流”的多级配电架构效率低下且占地巨大。趋势是向“中压直挂直流”（MVDC）架构转型，即SST直接将10kV/20kV交流电转换为800V或400V直流电供给服务器机架 。在此场景下，基于SiC的NPC型SST凭借其高功率密度（节省寸土寸金的机房空间）和高效率（降低PUE值）成为关键技术。基本半导体的BMF540R12MZA3（540A）模块的高电流能力恰好满足数据中心对大功率供电单元的需求 。

5.2 电动汽车超充站（Ultra-Fast EV Charging）

兆瓦级充电站对电网造成巨大冲击，且需要隔离型DC/DC变换。基于NPC架构的SST可以作为充电站的“能源路由器”，直接从中压电网取电，通过高频变压器隔离后输出直流，不仅提供了必要的电气隔离，还能通过控制算法向电网提供无功支持，维持电网稳定 。SiC模块的高频特性使得充电站设备可以小型化，易于在城市环境中部署。

5.3 2025-2030技术路线图

• 电压等级上探： 随着SiC外延技术的进步，未来将出现更多针对3.3kV、6.5kV甚至10kV的SiC模块，这将推动NPC SST向更高电压等级的配电网渗透 。
• 智能功率模块（IPM）： 为了应对SiC极快的开关速度带来的驱动挑战，集成栅极驱动、保护电路和温度监测的SiC IPM将成为趋势，降低SST的研发门槛 。
• 成本平价： 随着8英寸SiC晶圆产能的释放，SiC成本将持续下降，全SiC ANPC SST将逐渐取代混合方案，成为中压领域的标准配置 。

6. 结论

NPC三电平架构与SiC功率模块的深度融合，正在重塑固态变压器的技术形态。NPC架构解决了中压领域的耐压与谐波问题，而SiC技术则攻克了传统硅基方案在频率、效率和热管理上的物理极限。

通过对基本半导体BMF系列模块的分析可见，现代SiC模块在低导通电阻（低至2.2mΩ）、极低开关损耗（~15mJ总开关能）以及高可靠性封装（Si3​N4​、Press-Fit）等方面的突破，已经为高性能SST的工程化铺平了道路。未来，随着主动钳位（ANPC）控制策略的普及和SiC成本的进一步优化，基于SiC的NPC固态变压器将成为构建高效、智能、灵活的现代能源互联网的基石装备。