固态变压器SST高频DC/DC变换的变压器设计

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固态变压器SST高频DC/DC变换的变压器设计与基本半导体碳化硅MOSFET功率模块的应用价值深度研究报告

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，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。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

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执行摘要

随着全球能源结构的转型与智能电网的推进，传统的工频变压器（LFT）因其体积庞大、重量显著且缺乏可控性，正逐渐难以满足现代电力系统对高功率密度、双向能量流动及电能质量控制的需求。固态变压器（Solid-State Transformer, SST），作为一种集成了电力电子变换技术与高频磁性元件的新型电力设备，凭借其卓越的模块化设计、动态调节能力及显著的体积缩减优势，成为了能源互联网的核心枢纽。在SST的架构中，高频DC/DC隔离级是实现能量传输与电气隔离的关键环节，其性能直接取决于高频变压器的设计优化与功率半导体器件的开关特性。

深入剖析SST中高频DC/DC变压器的设计方法论，并系统性评估碳化硅（SiC）MOSFET功率模块在此类应用中的核心价值。报告基于基本半导体（BASIC Semiconductor）的最新技术资料，包括Pcore™2 34mm、E2B、62mm系列功率模块的详细数据手册，以及可靠性试验报告1和产品技术对比分析，全面论证了第三代半导体技术如何突破传统硅基器件的物理极限，赋能SST实现更高的开关频率、更低的系统损耗及更优的热管理性能。

研究发现，基本半导体的SiC MOSFET模块，特别是集成了碳化硅肖特基二极管（SBD）的E2B系列，通过消除体二极管的双极性退化风险并大幅降低反向恢复损耗，为双有源桥（DAB）等软开关拓扑提供了理想的解决方案。同时，采用高性能氮化硅（Si3N4）AMB基板的62mm大功率模块，展现了在严苛工业环境下卓越的功率循环能力与热可靠性。本报告将从理论推导、器件特性分析、仿真数据对比及实际应用案例等多个维度，为SST系统的研发人员提供极具参考价值的深度洞察。

第一章 固态变压器（SST）架构演进与技术挑战

1.1 电力电子变压器的技术变革

传统的电力变压器依赖于50Hz或60Hz的电磁感应原理，其铁芯和绕组的体积与工作频率成反比。根据法拉第电磁感应定律，U=4.44fNBm​Ac​，在电压U一定的情况下，频率f越低，所需的磁芯截面积Ac​就越大。这导致了工频变压器不仅消耗大量的铜材和硅钢片，且在运输和安装上存在巨大挑战。

固态变压器（SST）通过引入电力电子变换器，将工频交流电整流为直流，再逆变为高频交流电（通常为10kHz至100kHz），通过高频变压器进行耦合，最后还原为工频交流或直流输出。这一过程将工作频率提升了数个数量级，从而使得变压器的体积和重量呈指数级下降。此外，SST不仅仅是变压器，它实际上是一个智能能量路由器，具备电压调节、无功补偿、谐波抑制及分布式能源接口等多重功能。

1.2 SST的典型拓扑架构

面向中高压配电网的SST通常采用级联型架构以应对高压应力。常见的架构包括：

• 输入级（AC/DC）： 采用级联H桥（CHB）或模块化多电平换流器（MMC）拓扑，负责高压交流侧的整流、功率因数校正（PFC）及直流母线电压稳压。
• 隔离级（DC/DC）： 这是SST的核心，负责实现电气隔离和电压等级变换。主流拓扑为双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）变换器或LLC/CLLC谐振变换器。该级通常采用输入串联输出并联（ISOP）的结构，将高压直流母线分割为多个低压直流单元。
• 输出级（DC/AC）： 将低压直流逆变为用户侧所需的交流电，或直接提供直流母线供电动汽车充电站使用。

本报告重点聚焦于隔离型高频DC/DC变换级。在该级中，功率器件的开关频率直接决定了变压器的设计参数。若采用传统的硅基IGBT，受限于其拖尾电流和开关损耗，频率通常限制在数千赫兹，难以充分发挥SST的小型化优势。而碳化硅（SiC）MOSFET的出现，将开关频率推向了几十甚至上百千赫兹，为高频变压器的极致设计提供了可能。

1.3 高频化带来的设计挑战

虽然频率提升能减小磁芯体积，但也引入了新的物理限制：

1. 磁芯损耗密度激增： 斯坦梅茨方程（Steinmetz Equation）表明，磁芯损耗Pv​=kfαBmβ​。随着频率f的增加，单位体积的损耗急剧上升，迫使设计者降低工作磁通密度Bm​或寻找更优的磁性材料。
2. 高频绕组效应： 集肤效应（Skin Effect）和邻近效应（Proximity Effect）在高频下显著增加绕组的交流电阻，导致铜损剧增。
3. 绝缘应力： SiC器件极高的电压变化率（dv/dt）对变压器的层间和匝间绝缘提出了严苛要求，极易诱发局部放电。

第二章 SST高频DC/DC变压器的设计方法论

高频变压器不仅是能量传输的通道，往往还充当电路拓扑中的谐振电感或储能元件。因此，其设计必须与电路拓扑（如DAB或LLC）紧密耦合。

2.1 磁芯材料的甄选策略

在SST应用（20kHz-100kHz，大功率）中，磁芯材料的选择至关重要。

• 硅钢片： 由于涡流损耗过大，完全不适用于SST的高频环境。
• 非晶合金（Amorphous）： 具有较高的饱和磁感应强度（Bsat​≈1.56T），但高频损耗相对较高，且存在磁致伸缩引起的噪声问题，一般用于中频（<10kHz）。
• 纳米晶合金（Nanocrystalline）： 兼具高Bsat​（≈1.2T）和低损耗特性。在20kHz-50kHz频段，纳米晶是实现高功率密度SST的理想选择。然而，其高频损耗随频率上升较快，且需注意带材厚度对涡流的影响。
• 高性能铁氧体（Ferrite）： 如Mn-Zn铁氧体（N87, 3C95等）。虽然其Bsat​较低（0.4T−0.5T），限制了磁芯的缩小，但在100kHz以上频段，其损耗特性远优于金属磁粉芯和合金材料。

设计洞察： 对于采用基本半导体SiC MOSFET（如BMF540R12KA3 ）的SST，若设计频率设定为20kHz-50kHz，纳米晶磁芯可显著减小体积；若追求更高频率（>80kHz）以利用SiC的超低开关损耗，则铁氧体材料更为合适，以避免热失控。

2.2 绕组设计与利兹线的应用

高频电流倾向于在导体表面流动。例如在50kHz时，铜的集肤深度δ仅为0.29mm。若使用普通实心铜排，大部分截面将无法导电，造成极大的材料浪费和发热。

利兹线（Litz Wire）优化：

SST变压器绕组普遍采用利兹线，即将多股绝缘的细铜丝绞合在一起。单股铜丝的直径应小于两倍集肤深度。

• 设计实例： 针对50kHz应用，应选用单股直径0.1mm或0.071mm的漆包线进行绞合。
• 填充系数挑战： 利兹线由于包含绝缘层和绞合空隙，其窗口填充系数（Fill Factor）较低（通常<0.4）。这要求磁芯窗口面积必须有足够裕量，或者采用矩形利兹线以提高空间利用率。

2.3 漏感控制与绝缘设计

在DAB拓扑中，功率传输公式为 P=2πfLk​NV1​V2​ϕ(1−∣ϕ∣/π)​。漏感Lk​是决定传输功率的关键参数。

• 集成漏感设计： 为了减少分立电感的体积，设计者往往通过控制原副边绕组的间距，利用变压器的漏感作为DAB所需的储能电感。这需要精确的有限元仿真（FEA）来确定绕组排列结构。
• 绝缘耐压： SST通常连接中压电网（如10kV），要求极高的隔离耐压（如20kV-35kV）。SiC器件的高dv/dt（>50V/ns，依据1数据）会在变压器寄生电容上产生位移电流，并可能导致绝缘材料内部的电树枝生长。因此，必须采用低介电常数的绝缘材料，并设计屏蔽层以引导高频漏电流流入地线，而非击穿绝缘层。

2.4 热管理模型

高频变压器的体积缩小导致散热表面积减小，损耗密度增加。

• 热仿真： 必须建立精确的损耗模型（考虑非正弦波励磁下的磁芯损耗和包含谐波电流的绕组损耗），并结合流体动力学（CFD）仿真。
• 冷却方式： 对于大功率SST，传统的自然风冷已不足够。通常采用强迫风冷或与SiC模块共用冷却回路的液冷板设计，甚至采用油浸式绝缘冷却系统。

第三章 碳化硅（SiC）MOSFET功率模块的技术价值分析

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，具有3倍于硅的禁带宽度、10倍的临界击穿场强和3倍的热导率。这些物理特性使其在SST应用中具有不可替代的优势。本章将结合基本半导体（BASIC Semiconductor）的具体产品数据进行深度解析。

3.1 极低的导通电阻与高压阻断能力

得益于高临界击穿场强，SiC MOSFET可以在更薄的漂移层下实现高耐压，从而大幅降低比导通电阻。

• 数据支撑： 基本半导体的BMF540R12KA3 1 模块，在1200V耐压下，实现了惊人的2.5mΩ（典型值，@25°C）导通电阻。
• SST应用价值： 在SST的低压大电流侧（如电动汽车充电接口的DC/DC级），导通损耗是主要矛盾。540A的额定电流能力使得单模块即可支撑数百千瓦的功率传输，无需多器件并联，简化了母排设计并降低了回路杂散电感。

3.2 肖特基二极管（SBD）集成技术与双极性退化抑制

双有源桥（DAB）变换器在轻载或启动阶段，电流会流经MOSFET的体二极管（Body Diode）。传统的SiC MOSFET体二极管是双极性结构，在长期导通时，复合能量可能导致基面位错（BPD）扩展为层错（Stacking Faults），导致通态电阻RDS(on)​不可逆地增加，即“双极性退化”现象。

基本半导体Pcore™2 E2B系列的技术突破：

数据手册1显示的BMF240R12E2G3模块（1200V/240A/5.5mΩ），采用了集成SiC SBD的设计。

• 原理机制： 在MOSFET元胞内部并联集成了单极性的肖特基二极管（SBD）。当器件反向导通时，由于SBD的导通压降（VSD​≈1.9V 1）远低于体二极管的开启电压（通常>3V），电流主要流经SBD，从而旁路了体二极管。
• 可靠性提升： 依据对比数据，普通SiC MOSFET在运行1000小时后RDS(on)​漂移可能高达42%，而内置SBD的BASIC模块RDS(on)​变化率控制在3%以内。这对要求20年以上使用寿命的电网级SST设备至关重要。
• 损耗降低： SBD是多数载流子器件，几乎没有反向恢复电荷（Qrr​）。数据1显示其Qrr​仅为1.6µC（主要为结电容电荷），远低于同级IGBT或未集成SBD的MOSFET。这消除了半桥互补开通时的电流过冲，大幅降低了开关损耗（Eon​）。

3.3 优异的开关特性与频率提升

SiC MOSFET的单极性导电机制消除了IGBT的拖尾电流，使得关断损耗（Eoff​）极低。

• 数据对比： 根据1中的双脉冲测试结果（800V/400A工况），基本半导体BMF240R12E2G3的**Eoff​仅为1.78mJ**，而竞品W***（Wolfspeed CAB006M12GM3）为3.21mJ，I***（Infineon FF6MR12）为2.61mJ。
• 设计影响： 极低的Eoff​允许设计者将SST的开关频率从IGBT时代的几kHz提升至20kHz-100kHz，而不会导致散热瓶颈。这直接促成了变压器磁芯体积的数倍缩减。

 

第四章 基本半导体SiC模块产品家族深度解析

基本半导体提供了覆盖不同功率等级和封装形式的SiC模块，为SST的模块化设计提供了灵活选择。

4.1 Pcore™2 34mm系列：模块化单元的基石

该系列1采用标准的34mm封装，适用于SST中的级联单元（Cell）。

低杂散电感： 数据手册1指出BMF80R12RA3的内部杂散电感低至17nH。低电感设计对于抑制SiC高速开关产生的电压尖峰Vspike​=Ls​⋅di/dt至关重要，减少了对吸收电路（Snubber）的需求。

型号覆盖：

• BMF80R12RA3 1: 1200V/80A，适合小功率级联单元。
• BMF160R12RA3 1: 1200V/160A，低至7.5mΩ，适合中等功率单元。

热阻特性： BMF120R12RB3 的结壳热阻Rth(j−c)​仅为0.37 K/W，优异的散热能力保证了高功率密度下的长期稳定运行。

4.2 Pcore™2 E2B系列：DAB拓扑的专用利器

如前所述，BMF240R12E2G3 1 集成了SBD，专为需要体二极管频繁续流的拓扑（如DAB、LLC）优化。

• 死区时间优化： SBD的低正向压降（1.9V vs 体二极管的3-4V）显著降低了死区时间的导通损耗。在SST中，为了保证全范围ZVS，死区时间往往不能设得太小，因此这一特性对提升整机效率贡献巨大。

4.3 62mm大功率系列：集中式架构的首选

对于大容量SST或直流微网接口，BMF360R12KA3 和 BMF540R12KA3 提供了单模块处理数百千瓦的能力。

氮化硅（Si3N4）AMB基板： 62mm系列特别采用了高性能的Si3N4活性金属钎焊（AMB）陶瓷基板1。

• 热导率： Si3N4的热导率（~90W/mK）远高于氧化铝（Al2O3, ~24W/mK）。
• 机械强度： Si3N4的抗弯强度（700MPa）和断裂韧性极高，能够承受SST在负载剧烈波动（如电动汽车快充站）时产生的巨大热机械应力，防止铜层剥离。这使得该系列模块具备极高的功率循环寿命，符合电网设备高可靠性的要求。

第五章 系统级设计与性能评估：案例研究

为了具体量化SiC模块在SST中的应用价值，本章构建一个理论上的200kW SST隔离级DC/DC单元进行分析。

5.1 设计规格

• 额定功率： 200 kW
• 直流母线电压： 800 V
• 拓扑： 单相双有源桥（DAB）
• 开关频率： 30 kHz
• 选用器件： 基本半导体 BMF540R12KA3 (1200V/540A/2.5mΩ) 

5.2 电流应力与热评估

在800V直流电压下，200kW的平均电流为250A。考虑到DAB移相控制下的电流波形有效值系数，预估RMS电流约为275A。

导通损耗计算：

根据1，在Tj​=125∘C时，推算RDS(on)​约为3.5mΩ（典型值随温度正向漂移）。

Pcond​=Irms2​×RDS(on)​=2752×0.0035≈265 W/switch

开关损耗计算：

根据1中同类技术模块的开关损耗数据进行比例推算，在800V/275A工况下，预估单次开关总能量Etotal​≈25 mJ。

Psw​=Etotal​×fsw​=25×10−3×30,000=750 W/switch

总损耗与结温：

单管总损耗 Ptotal​≈1015 W。

BMF540R12KA3的热阻Rth(j−c)​=0.07 K/W 1。

ΔTj−c​=1015×0.07≈71∘C

若采用高性能液冷散热器将壳温Tc​控制在80°C，则结温Tj​≈151∘C。这一结果低于175°C的额定结温1，验证了该设计在热学上的可行性。

对比分析： 若采用同等级IGBT，由于拖尾电流，开关损耗将成倍增加，迫使频率降至5kHz以下，导致变压器体积增大6倍以上。

5.3 变压器设计参数推演

基于30kHz的开关频率：

• 磁芯选择： 可选用纳米晶磁芯，设定ΔB=1.0T（远高于铁氧体），或者选用铁氧体N87，ΔB=0.3T。考虑到200kW的功率等级，纳米晶磁芯因其高饱和磁感应强度，能显著减小磁芯截面积，是更优选择。
• 绕组设计： 30kHz对应的铜集肤深度为0.38mm。原边电流高达275A，必须使用数千股直径0.1mm的漆包线绞合而成的利兹线，以抑制邻近效应带来的交流电阻损耗。
• 绝缘与寄生电容： 必须在原副边绕组间增加静电屏蔽层，以阻断由SiC高dv/dt产生的共模噪声电流耦合到低压侧。

5.4 可靠性验证数据

SST作为电网设施，可靠性是重中之重。基本半导体提供的B3M013C120Z可靠性试验报告为模块所采用的芯片技术提供了有力背书。

• HTRB（高温反偏）： 在175°C结温、1200V反压下持续1000小时，验证了晶圆边缘终端设计的稳定性，确保在直流母线长期高压下的阻断能力。
• H3TRB（高温高湿反偏）： 在85°C/85%RH高湿环境下，施加960V电压运行1000小时。通过此项测试意味着芯片钝化层和封装具有极佳的防潮能力，适应户外SST机柜的应用环境。
• IOL（间歇工作寿命）： 15000次功率循环（ΔTj​≥100∘C），直接验证了芯片贴装工艺（如银烧结）和键合线的抗疲劳能力。

第六章 高级应用场景与市场展望

6.1 电动汽车超充站（EV Ultra-Fast Charging）

随着800V高压平台的普及，350kW甚至480kW的超充需求激增。采用SST架构的充电站可以直接从10kV配电网取电，省去了庞大的工频变压器。

• BASIC方案： 采用BMF240R12E2G3构建多级DAB模块。其内置SBD特性完美契合充电桩宽范围电压输出（200V-1000V）时的复杂软开关工况，确保全范围高效率。
• 1案例： 某60kW充电模块中，采用SiC MOSFET替换传统方案，显著提升了功率密度，使得单桩可容纳更多模块，实现功率灵活分配。

6.2 智能电网与能源路由器

在微电网中，SST作为能源路由器，需协调光伏、储能和负载的能量流动。

• 双向流动： BMF540R12KA3的双向导通能力和对称的开关特性，使其天然适合需要频繁双向功率流动的储能接口。
• 高压耐受： 基本半导体模块表现出的~1600V实际击穿电压（远超额定1200V），为应对电网侧的雷击浪涌或操作过电压提供了额外的安全裕度。

6.3 轨道交通辅助变流器

列车上的辅助变流器正向高频化、轻量化发展。SiC SST方案可显著减轻车体重量，降低能耗。

• 抗震与长寿命： 62mm模块采用的Si3N4基板和铜基板设计1，提供了轨道交通所需的极致机械强度和热循环寿命。

第七章 结论

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：

倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：

新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；

交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；

数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。

公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。

固态变压器（SST）代表了电力电子技术在配电领域的最高水平，而高频DC/DC变压器与碳化硅功率器件是支撑这一大厦的基石。通过对基本半导体（BASIC Semiconductor）SiC MOSFET模块及其应用价值的深入研究，得出以下核心结论：

1. SiC是SST高频化的物理基础： 只有依托SiC MOSFET的低开关损耗特性，SST的变压器工作频率才能提升至几十千赫兹，从而实现体积和重量的颠覆性缩减。
2. 集成SBD技术（E2B系列）解决了可靠性痛点： 基本半导体通过在MOSFET内部集成SBD,消除了反向恢复损耗，这对于DAB等SST主流拓扑的长期可靠运行具有决定性意义。
3. 先进封装保障了电网级寿命： 氮化硅（Si3N4）AMB基板和银烧结技术的应用，使得SiC模块能够承受SST在电网应用中面临的剧烈热循环和机械应力。
4. 性能参数的全面领先： 对比测试表明，基本半导体模块在导通电阻、开关损耗（特别是Eoff​）、栅极阈值电压及击穿电压裕量上，均展现出超越国际竞品的优异性能，具备极高的应用价值。

综上所述，采用基本半导体的SiC MOSFET功率模块，结合优化的纳米晶或铁氧体高频变压器设计，是构建下一代高功率密度、高效率、高可靠性固态变压器的最佳技术路径。

附录：关键数据图表支撑

表1：基本半导体SST应用推荐模块选型表

产品系列封装形式电压等级电流等级RDS(on)​ (Typ.)核心技术特征SST推荐应用级Pcore™2 34mm34mm1200V80A15.0 mΩ低杂散电感 (17nH)小功率级联单元 (10-50kW)Pcore™2 34mm34mm1200V120A10.6 mΩ低热阻 (Rth​<0.37 K/W)中功率级联单元 (50-80kW)Pcore™2 34mm34mm1200V160A7.5 mΩ高电流密度中功率级联单元 (80-100kW)Pcore™2 E2BE2B1200V240A5.5 mΩ集成SiC SBD，零反向恢复高可靠性DAB单元，充电桩模块Pcore™2 62mm62mm1200V360A3.7 mΩSi3N4 AMB基板，铜底板集中式DC/DC级 (>200kW)Pcore™2 62mm62mm1200V540A2.5 mΩ超低通态电阻，高功率循环能力兆瓦级SST，能源路由器