固态变压器（SST）AC-DC 前端变换级：可控与不可控整流技术的对比与应用场景研究报告

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固态变压器（SST）AC-DC 前端变换级：可控与不可控整流技术的对比与应用场景研究报告

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. 引言：配电网的电力电子化转型与SST的核心地位

1.1 电力系统的范式转变

全球能源互联网与智能电网的快速发展正在推动电力系统经历一场百年来未有之大变局。传统的电力系统依赖于基于电磁感应原理的工频变压器（Low-Frequency Transformer, LFT）作为电压变换与能量传输的核心枢纽。然而，随着分布式可再生能源（DERs）的高比例渗透、电动汽车（EV）大功率充电基础设施的广泛部署，以及直流微电网（DC Microgrids）的兴起，传统LFT“非能动、单向流、缺乏调控能力”的局限性日益凸显 。电网正从单向的能量传输网络演变为双向互动的能源交换平台，这要求关键节点设备必须具备更高的可控性与灵活性。

在此背景下，固态变压器（Solid-State Transformer, SST），亦称为电力电子变压器（PET），作为一种融合了电力电子变换技术与高频磁性元件的新型电力设备，被视为未来智能电网的“能量路由器” 。与传统LFT相比，SST不仅能够实现基本的电压等级变换与电气隔离，更凭借其内部的电力电子变流级，具备了无功功率补偿、电压暂降穿越、故障电流限制、谐波抑制以及交直流混合接口等高级功能 。

1.2 AC-DC前端级：SST与电网交互的门户

SST通常采用多级级联架构，其中最典型的拓扑结构包括三个核心功率级：输入级（AC-DC整流）、隔离级（DC-DC变换）以及输出级（DC-AC逆变或DC输出） 。作为SST与中压（MV）或低压（LV）交流电网的直接物理接口，AC-DC前端变换级（Grid-Side Converter）的设计至关重要。它不仅决定了能量不仅是从电网流向负载（整流）还是能反馈回电网（逆变），还直接主导了SST对电网电能质量的影响（如谐波注入与功率因数） 。

在AC-DC级的设计选择上，工程界长期存在着两条截然不同的技术路线：

1. 不可控整流（Uncontrollable Rectification） ：主要依赖二极管桥式电路，利用自然换相原理进行整流。这种方案以其极高的可靠性和低廉的成本在工业界占据传统优势，但缺乏对电流波形的控制能力 。
2. 可控整流（Controllable Rectification / Active Front End, AFE） ：利用全控型功率半导体器件（如IGBT、SiC MOSFET），通过脉宽调制（PWM）技术主动控制网侧电流。这种方案虽然复杂，但能实现单位功率因数、低谐波及双向能量流动，是“智能”SST的关键赋能技术 。

倾佳电子剖析这两种整流技术在SST应用中的优缺点，结合最新的宽禁带（Wide Bandgap, WBG）半导体技术参数 ，探讨其在不同工业与电网场景下的最佳匹配策略。

2. SST中的不可控整流技术：原理、局限与生存空间

尽管电力电子技术飞速发展，不可控整流技术凭借其物理本质上的简洁性，在特定的SST架构中依然扮演着重要角色，尤其是在对双向潮流无需求且对成本极其敏感的单向应用场景中。

2.1 技术原理与拓扑演进

不可控整流的核心在于利用二极管的单向导电性，将交流电压转换为脉动的直流电压。在SST的中高压应用背景下，简单的六脉波三相桥式整流电路往往无法满足需求，因此衍生出了多种复杂的变种拓扑。

2.1.1 多脉波整流技术

为了改善输入电流波形，降低总谐波失真（THD），大功率SST常采用移相变压器配合多组二极管整流桥的方案。例如，12脉波整流器利用两组三相桥，通过变压器网侧绕组的星形（Y）和三角形（Δ）连接产生30度的相位差，从而抵消5次和7次谐波 。更高阶的18脉波或24脉波整流进一步通过更复杂的移相绕组消除11、13、17、19次谐波，使得输入电流趋近于正弦波，满足IEEE 519标准 。这种方案虽然属于“不可控”范畴，但通过磁性元件的设计实现了无源的谐波治理。

2.1.2 模块化二极管整流器（Modularized Bridge Rectifier, mBR）

这是一种针对中压交流（MVAC）直挂式SST的新型拓扑。其基本思想是将隔离型DC-DC变换器模块直接嵌入到二极管整流桥的臂中，或者利用多个二极管整流桥级联来分担高压 。在mBR架构中，二极管承担了工频换相和耐高压的任务，而原本笨重的工频变压器被后续的高频DC-DC级取代。这种混合架构试图在保留二极管整流简单性的同时，利用SST的高频隔离优势实现体积减小。

2.2 不可控整流在SST中的显著优势

2.2.1 极致的可靠性与鲁棒性

二极管作为无源功率器件，不存在栅极驱动电路失效、误触发或直通（Shoot-through）短路的风险 。在SST面临电网侧浪涌电压（Surge）或雷击过电压时，大功率整流二极管通常具有比MOSFET或IGBT更高的抗浪涌电流能力（IFSM​）和雪崩耐受能力。对于安装在海上风电、海底供电网络等维护极其困难的场景，减少有源开关数量是提升系统MTBF（平均无故障时间）的最有效手段。

2.2.2 成本效益分析

从物料清单（BOM）角度看，二极管整流方案具有压倒性的成本优势。

• 器件成本：二极管的价格仅为同电压等级SiC MOSFET或IGBT的几分之一。
• 外围电路：省去了复杂的栅极驱动器、隔离电源、电流霍尔传感器以及用于锁相环（PLL）的高精度电压检测电路 。
• 控制资源：不需要高性能DSP或FPGA进行复杂的矢量控制运算，降低了控制器的成本和开发门槛。

2.2.3 零高频EMI污染

不可控整流器工作在电网基波频率（50/60Hz），其换相过程自然发生，不会产生PWM调制所特有的高频电磁干扰（EMI）。这使得SST的网侧EMI滤波器体积大幅减小，甚至在某些工业应用中可以省略，避免了高频共模电压对电网绝缘系统的侵蚀 。

2.3 不可控整流的致命缺陷与挑战

2.3.1 单向能量流动的“硬伤”

二极管的物理特性决定了能量只能从交流电网流向直流母线 。在现代智能电网中，这意味着SST无法支持分布式电源（如光伏、储能）的并网发电，也无法实现电动汽车的V2G（Vehicle-to-Grid）功能。这种单向性将SST的角色限制为单纯的负载供电设备，丧失了“能源路由器”的核心价值 。

2.3.2 严重的谐波污染与无功消耗

标准的6脉波二极管整流器会产生大量的低次谐波（5、7、11、13次），导致网侧电流THD通常高达30%-80% 21。这不仅违反了IEEE 519等电能质量标准，还会导致电网侧变压器过热和中性线电流过大。虽然多脉波技术可以缓解这一问题，但引入的移相变压器体积庞大，违背了SST追求高功率密度的初衷。此外，二极管整流器通常表现为滞后的位移功率因数，且无法像有源整流器那样发出无功功率来支撑电网电压 。

2.3.3 直流母线电压缺乏调节能力

不可控整流器的输出直流电压直接取决于输入交流电压的幅值（VDC​≈1.35×VLL​）。当电网发生电压暂降（Voltage Sag）时，直流母线电压会随之跌落 。为了保证后端负载的稳定运行，SST的DC-DC隔离级必须设计成能够适应宽范围输入电压的结构，这增加了DC-DC级的设计难度和器件电流应力，导致整体效率下降。

3. 可控整流技术（AFE）：智能SST的基石

可控整流技术，即有源前端（Active Front End, AFE），通过引入全控型开关器件和先进的控制算法，彻底改变了AC-DC变换的性质。它不再是被动的能量转换，而是主动的电能质量管理。

3.1 主流拓扑架构

针对SST应用，AFE主要有以下几种主流拓扑，每种拓扑在耐压、效率和器件数量上各有取舍：

3.1.1 两电平电压源变流器（2L-VSC）

这是最经典的拓扑，由六个开关器件（如SiC MOSFET）组成三相桥臂。其结构简单，控制成熟，但开关器件需承受全部直流母线电压，且输出电平仅有两级，导致较大的dv/dt和开关损耗。随着1200V及以上高压SiC器件的成熟（如BASiC的BMF540R12MZA3），两电平拓扑在数百千瓦级的应用中正重新焕发活力 。

3.1.2 维也纳整流器（Vienna Rectifier）

Vienna整流器是一种三电平混合拓扑，每相仅需一个双向开关（通常由两个MOSFET对顶串联或二极管桥加一个开关构成）。其最大的特点是开关管承受电压仅为直流母线的一半，且无需担心直通短路风险 。然而，标准Vienna整流器通常设计为单向功率流动，这使得它在需要V2G功能的场合受到限制，但在追求高效率、低成本的单向EV充电桩中应用广泛。

3.1.3 中点钳位（NPC）与T型（T-Type）三电平

这两种多电平拓扑在SST中极为常见，特别是在中压侧。它们能输出三电平波形，显著降低了谐波含量和滤波电感体积。NPC拓扑利用二极管将开关应力钳位在半个母线电压，适合更高电压等级；而T-Type拓扑在低压段具有更低的导通损耗 。它们均天然支持双向功率流动。

3.1.4 模块化多电平变流器（MMC）

对于直接连接10kV以上中高压电网的SST，MMC是目前的主流选择。它通过级联大量的子模块（Sub-modules）来分担高压，无需工频变压器即可直接挂网。MMC前端具有极好的谐波性能，几乎无需滤波，但控制极其复杂，且子模块电容体积较大 。

3.2 可控整流带来的革命性优势

3.2.1 完美的电能质量控制

AFE的核心优势在于实现了电流与电压的解耦控制。通过电压定向控制（VOC）或直接功率控制（DPC），AFE可以强迫输入电流波形紧密跟随电压波形，实现单位功率因数（PF ≈ 1.0）和极低的谐波失真（THD < 3%-5%） 。这使得SST变成了一个“绿色”负载，完全符合甚至优于IEEE 519标准，无需额外的无功补偿装置。

3.2.2 四象限运行与双向能量流

AFE使得SST具备了四象限运行能力，既可以整流（从电网吸取有功），也可以逆变（向电网回馈有功），同时还可以发出或吸收感性/容性无功 。这一特性是SST能够作为微网接口、储能接口以及V2G充电站的关键。

3.2.3 直流母线的主动稳压（Boost特性）

AFE本质上是一个Boost（升压）变换器。无论电网电压如何波动（只要在设计范围内），AFE都可以通过调节调制比，维持直流母线电压恒定甚至提升电压 。这为后级的DC-DC变换器创造了理想的“零电压波动”工作环境，允许DC-DC级被设计为固定变比的“直流变压器”（DCX），从而在最高效率点运行。

3.3 可控整流面临的挑战

3.3.1 开关损耗与效率瓶颈

在传统的硅（Si）基IGBT时代，AFE的高频开关损耗是一个痛点，往往导致SST的整体效率低于传统变压器。然而，碳化硅（SiC）技术的出现正在消除这一障碍。

3.3.2 复杂的EMI问题

PWM调制产生的高频共模电压和差模噪声需要设计复杂的EMI滤波器。在SST中，高频变压器的寄生电容可能成为共模噪声的耦合通道，导致干扰传播到低压侧，这需要精细的电路设计和屏蔽措施 。

3.3.3 系统稳定性

AFE是一个高阶闭环控制系统，当接入弱电网（高阻抗电网）或与其他电力电子设备并联时，可能会发生阻抗交互引发的谐振或失稳 。这要求控制算法具备极高的鲁棒性。

4. 性能指标的深度量化对比

基于基本半导体（BASiC Semiconductor）提供的SiC模块数据，我们可以对两种技术路线进行量化的对比分析。

4.1 效率对比：SiC如何重写规则

传统观点认为二极管整流效率最高，因为没有开关损耗。但现代SiC器件改变了这一结论。

• 二极管整流：主要损耗为导通压降损耗 Ploss​=VF​×Iavg​。大功率二极管的VF​通常在1.0V-1.5V之间。对于540A的电流，单管损耗巨大。
• SiC AFE（同步整流） ：利用MOSFET沟道导通电流。以BASiC的BMF540R12MZA3模块为例，其导通电阻 RDS(on)​ 典型值仅为 2.2 mΩ 。在额定电流下，其导通压降 Vdrop​=540A×0.0022Ω≈1.18V，这已经与二极管的压降相当甚至更低。
• 更为关键的是，BMF240R12E2G3等模块集成了零反向恢复（Zero Reverse Recovery）的SiC肖特基二极管 ，几乎消除了传统反向恢复带来的开关损耗。
• 结论：采用先进SiC模块的AFE，其本身效率已逼近二极管桥，若考虑系统级效率（AFE减少了无源滤波器损耗），其综合能效往往更优 。

4.2 电能质量数据对比

指标不可控二极管整流 (6-Pulse)可控整流 (Active Front End)电流总谐波失真 (THD)> 30% (无滤波); ~10% (带重型无源滤波) < 3% (典型值，符合IEEE 519) 功率因数 (PF)~0.9 (滞后), 不可调0.99~1.0 (可调超前/滞后) 动态响应慢 (依赖于直流侧大电容充放电)快 (典型带宽几百Hz到几kHz)直流电压纹波大 (300Hz/360Hz低频纹波)极小 (开关频率倍数的高频纹波，易滤除)

4.3 成本与体积的权衡

• 体积：不可控整流需要庞大的工频磁性元件（多脉波变压器）和LC滤波器。AFE利用高频开关（如20kHz-100kHz），电感体积可缩小90%以上 。SiC模块的高功率密度（如BMF540R12KA3在62mm封装内实现540A能力 ）进一步缩小了变流器体积。
• 成本：AFE的半导体和控制成本是二极管方案的数倍。然而，考虑到SST作为“高端”设备，AFE所节省的土建空间（占地面积）、铜材消耗以及提供的附加服务价值（无功补偿），在全生命周期成本（TCO）上可能更具竞争力。

5. 应用场景的精准画像

基于上述技术特征及BASiC半导体模块的规格书，我们将SST在不同场景下的AC-DC级选型策略进行详细画像。

5.1 场景一：电动汽车（EV）超充站与V2G枢纽

• 推荐技术：全控型AFE（双向）
• 关键需求：双向流动（V2G）、高功率密度、电网友好性。
• 应用逻辑：超充站（350kW+）直接接入中压电网。若采用二极管整流，不仅无法实现V2G，其产生的谐波将对电网造成灾难性影响。采用基于SiC的AFE，不仅可以实现能量双向互动，还能利用SST的直流端口直接连接光伏和储能（光储充一体化）。
• 器件支撑：BMF240R12E2G3（240A, 1200V）及BMF540R12MZA3（540A, 1200V）其低开关损耗特性完美契合充电站对高效率和散热的要求。

5.2 场景二：数据中心与关键基础设施UPS

• 推荐技术：可控整流（AFE）
• 关键需求：单位功率因数、极高可靠性、对电网波动免疫。
• 应用逻辑：数据中心是能耗巨兽，功率因数每提升0.01都意味着巨大的电费节省。AFE能确保输入PF=1，最大化利用备用发电机容量 。更重要的是，AFE的升压稳压能力确保了即使市电电压波动，直流母线依然稳定，保护了后端的服务器负载。
• 器件支撑：BMF540R12MZA3数据手册明确指出其适用于“UPS systems”，其高可靠性设计（Si3​N4​陶瓷基板）能承受数据中心长期连续运行的热应力。

5.3 场景三：工业直流供电（电解制氢、电弧焊）

• 推荐技术：不可控整流（或混合型）
• 关键需求：极低成本、抗冲击、单向大电流。
• 应用逻辑：电解槽和电焊机通常只需要单向直流电。工业环境恶劣，电网波动大。二极管整流桥的耐造性在此无可替代。虽然传统方案谐波大，但在专用工业电网中往往可以接受，或者通过简单的无源滤波解决。
• 例外：高端精密焊接需要快速响应，此时可能会采用“二极管整流 + Buck斩波”的混合构架，或者使用AFE来满足严格的并网标准。
• 器件支撑：BMF60R12RB3（60A, 1200V）在数据手册中特别列出了“Welding Machine”（焊机）和“Induction Heating”（感应加热）作为应用 。这表明在这些应用中，虽然前端可能是二极管，但后端的高频逆变或斩波级依然大量使用SiC MOSFET来提升控制精度。

5.4 场景四：可再生能源并网（光伏/风电）

• 推荐技术：可控整流（AFE）
• 关键需求：MPPT追踪、低电压穿越（LVRT）、无功支撑。
• 应用逻辑：光伏和风电具有间歇性，且需要向电网注入高质量的正弦波电流。SST作为并网接口，必须具备主动调节能力，以满足电网调度指令（如一次调频、无功响应）。二极管整流器无法实现逆变并网，因此在这里完全不适用 。
• 器件支撑：BMF240R12E2G3和BMF540R12KA3均将“Solar applications”（太阳能应用）列为主要市场 。

6. 前沿趋势：混合与模块化架构的折中之道

在纯粹的可控与不可控之间，学术界和工业界正在探索折中方案，以平衡成本与性能。

6.1 混合固态变压器（Hybrid SST）

这种架构保留了传统的工频变压器（LFT）来承担主要的能量传输任务（约80%-90%），同时在其副边或抽头处并联一个额定功率较小的SST变换器 。

• 工作模式：LFT负责基波能量传输，小功率SST负责补偿谐波、无功及微调电压。
• 整流选择：在这种架构下，主回路可能依然使用二极管整流（如果负载是直流），而SST部分则使用AFE。这种方案大幅降低了昂贵的SiC器件使用量，是SST走向工业化落地的重要过渡形态。

6.2 模块化二极管整流器（mBR）

针对不需要双向流动的MVDC应用（如海底观测网供电），研究人员提出了mBR架构 。

• 特点：利用标准二极管构成高压整流桥，但在二极管两端并联或级联集成具有隔离功能的DC-DC模块。
• 优势：避免了中压侧开关器件的串联均压难题，利用了二极管的高耐压特性，同时通过DC-DC模块实现了对电流的一定程度整形和控制。这是一种在“不可控”架构中引入“微控”的高明设计。

7. 结论与建议

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。代理并力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET功率模块，BASiC基本半导体SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

 

SST AC-DC前端技术的选择并非非此即彼，而是一个基于应用需求的多维权衡过程。

1. 不可控整流依然是单向、成本敏感型、环境恶劣型工业应用的首选。其“简单即是美”的工程哲学在这些领域难以被撼动。
2. 可控整流（AFE）则是智能电网、电动汽车V2G、高端数据中心等场景的唯一入场券。其带来的双向互动、电能质量治理及直流稳压能力，是构建现代化能源互联网的基础。
3. SiC技术的决定性作用：随着以BASiC BMF540R12MZA3为代表的低导通电阻、零反向恢复SiC模块的量产，AFE的主要劣势（效率与发热）已被攻克。这意味着AFE的适用边界正在向传统领域扩张。未来，随着SiC成本的进一步下降，即使是原本使用二极管的场合，也可能为了获得更优的能效和电网友好性而转向AFE方案。

建议：在设计SST时，若应用涉及电网交互、储能集成或高端供电，应坚定选择基于SiC MOSFET的AFE架构；若仅作为单纯的工业电源且预算受限，不可控整流配合无源滤波仍具生命力，但应关注混合型拓扑带来的性能提升潜力。