中国传统变压器全球爆单下的中国方案全碳化硅固态变压器（SST）的战略机遇
全球能源基础设施重构下的中国战略机遇：基于国产SiC碳化硅功率半导体供应链体系的新一代固态变压器（SST）深度研究报告
BASiC Semiconductor基本半导体一级代理商倾佳电子（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。
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：
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！
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倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势
中国传统变压器全球爆单下的全碳化硅中国方案新一代固态变压器（SST）的战略机遇
2025年，全球电力基础设施行业正遭遇前所未有的供应链危机。随着人工智能数据中心能耗的爆发式增长、可再生能源并网需求的激增以及欧美电网设施的老化，传统电力变压器（LPT）面临着结构性的供需失衡。权威数据显示，全球电力变压器供应缺口已达30%，交货周期从疫情前的数月延长至80甚至210周。这一物理瓶颈正在扼杀全球能源转型的进程。在此背景下，基于宽禁带半导体技术的固态变压器（Solid State Transformer, SST）不再仅仅是实验室中的学术概念，而是成为了解决电网“最后一公里”瓶颈的唯一技术解。
倾佳电子杨茜剖析在这一历史性缺口下，中国如何利用其在第三代半导体领域的全产业链优势，打造具有全球竞争力的SST固态变压器解决方案。特别是以深圳基本半导体（BASiC Semiconductor）为代表的国产SiC功率模块和以基本半导体子公司青铜剑技术（Bronze Technologies）为代表的高端驱动方案，正在通过技术耦合重塑SST的成本与性能曲线。倾佳电子杨茜重点探讨SST核心功率级的拓扑演进——在AC-DC级从传统H桥向有源中点钳位（ANPC）拓扑的必然转换，以及在DC-DC隔离级中双有源桥（DAB）与LLC谐振变换器的技术博弈与商业价值。这不仅是技术的迭代，更是中国高端制造在全球能源互联网中争夺定义权的战略高地。
第一章 全球变压器供应链的“灰犀牛”危机与SST固态变压器的战略突围
1.1 全球变压器市场的结构性断裂
电力变压器，这一自法拉第电磁感应定律发现以来便未发生根本性变革的设备，在2025年成为了全球经济发展的最大掣肘。根据Wood Mackenzie的最新市场监测数据，2025年全球电力变压器（Power Transformers）的供应赤字达到30%，配电变压器（Distribution Transformers）的赤字达到10% 。这一数据的背后，是全球供应链深层次的结构性崩塌。
传统的变压器制造高度依赖取向电工钢（GOES）和铜材，且生产过程属于劳动密集型与技术密集型的结合。然而，近年来，随着欧美去工业化导致的制造能力萎缩，以及熟练技术工人的短缺，叠加原材料价格的剧烈波动（2020年以来价格飙升80%），导致产能扩张极其缓慢 。与此同时，需求侧却迎来了“三浪叠加”的爆发：
AI数据中心的算力饥渴：超大规模数据中心的建设对电力的需求呈现指数级增长，其对供电可靠性和电能质量的要求远超传统工业负载。
可再生能源的分布式接入：风光储等分布式能源的并网需要大量的升压和并网变压器，且要求具备双向潮流控制能力。
电网的现代化改造：欧美现有电网平均寿命超过40年，大量设备进入故障高发期，更新换代需求迫在眉睫 。
这种供需剪刀差导致了交付周期的极端拉长。在美国，大型电力变压器的交付周期已从2021年的50周延长至2024年的120周，部分特殊规格甚至需要等待4年 。这实际上意味着，任何现在规划的能源项目，如果依赖传统变压器，其投运时间将被迫推迟到2029年以后。
1.2 固态变压器（SST）：从替代品到必需品
在传统物理供应链失效的背景下，SST作为一种基于电力电子技术的能量转换枢纽，展现出了不可替代的战略价值。与依靠铁芯和铜线圈进行磁耦合的工频变压器不同，SST通过“整流-逆变-高频变压-整流”的电力电子变换链路，利用高频化（10kHz-100kHz）大幅减小了磁性元件的体积和重量，实现了能量密度的数量级提升 。
更重要的是，SST不仅仅是变压器，它是智能电网的“路由器”。它具备传统变压器无法实现的电压瞬时调节、无功功率补偿、谐波治理以及交直流混合接口能力 。对于数据中心而言，SST可以直接输出800V或400V直流电，省去了传统链路中多级AC/DC转换的损耗；对于充电站，SST可以省去笨重的工频变压器，实现兆瓦级超充站的快速部署 。
1.3 中国方案的战略机遇窗口
中国目前拥有全球约60%的变压器制造产能，且在2025年出口额创下新高 。然而，单纯依靠产能输出只能解决量的短缺，无法解决质的升级。真正的战略机遇在于输出基于SiC技术的SST固态变压器整体解决方案。
中国在碳化硅领域已经建立了从衬底（天岳、天科合达）、外延到器件设计制造（基本半导体）及驱动控制（青铜剑）的完整产业链。相比于受制于取向硅钢产能的传统变压器，SiC SST的核心瓶颈在于半导体产能，而这正是中国近年来大规模投资布局的优势领域。利用国产SiC供应链的成本优势和响应速度，中国企业有能力向全球提供标准化、模块化的SST固态变压器产品，填补传统变压器留下的市场真空，并在下一代能源互联网标准制定中占据主导地位。
第二章 核心基石：国产碳化硅功率模块的技术跃迁
SST商业化的前提是高压、高频、高效率的功率半导体器件。传统的硅基IGBT受限于开关损耗，难以支撑SST所需的20kHz以上开关频率，导致系统体积缩小有限。而碳化硅（SiC）MOSFET的出现，彻底解开了SST的频率枷锁。深圳基本半导体（BASiC Semiconductor）作为国产SiC领域的领军企业，其针对工业级应用开发的模块产品，为SST的落地提供了坚实的硬件基础。
2.1 Pcore™2 ED3系列：为SST而生的工业级模块
基本半导体的Pcore™2 ED3系列SiC MOSFET模块，特别是BMF540R12MZA3型号，是目前SST应用中极具竞争力的核心器件。该模块在设计之初就明确将**固态变压器（SST）**列为首要应用场景，显示了厂商对SST市场需求的精准捕捉 。
2.1.1 极致的通态与开关性能
BMF540R12MZA3模块基于基本半导体第三代SiC芯片技术，额定电压1200V，标称电流540A 。其最核心的优势在于极低的导通电阻和开关损耗：
导通电阻（RDS(on)）： 在25∘C结温下，典型值仅为2.2mΩ。更为关键的是，在175∘C的高温工况下，其导通电阻也能保持在较低水平，这对于SST这种高功率密度、散热条件严苛的应用至关重要。低导通电阻直接意味着导通损耗的降低，从而提升系统的整体效率。
开关特性： 模块的总栅极电荷（QG）仅为1320 nC，内部栅极电阻（Rg(int)）约为2.5 Ω。这些参数保证了器件能够以极高的dv/dt（高达50 kV/μs）进行开关动作。低开关损耗使得SST的设计频率可以从传统的数千赫兹提升至数十千赫兹，从而大幅减小高频变压器的体积 。
2.1.2 氮化硅（Si3N4）AMB基板：可靠性的护城河
SST通常部署在户外或恶劣的工业环境中，面临剧烈的温度循环和机械振动。ED3系列模块采用了高性能的**氮化硅（Si3N4）活性金属钎焊（AMB）**陶瓷基板 。
机械强度： Si3N4的抗弯强度高达700 N/mm2，远超传统的氧化铝（Al2O3, 450 N/mm2）和氮化铝（AlN, 350 N/mm2）。这意味着模块在极端的温度冲击下，陶瓷层不易发生断裂。
热循环寿命： 实验数据显示，在经历1000次以上的冷热冲击循环后，Si3N4 AMB基板仍能保持铜箔与陶瓷的紧密结合，未出现分层现象。这种高可靠性设计消除了SST长期运行中的一大隐患，使其能够满足电网级设备20-30年的设计寿命要求 。
2.2 62mm与E2B系列：模块化设计的灵活性
除了ED3系列，基本半导体还提供了丰富的封装选择，以适应SST不同功率等级的模块化设计需求：
62mm工业标准封装（BMF540R12KHA3）： 这款1200V/540A的模块采用了低杂散电感设计（Lσ≈30nH），并使用PPS外壳材料以提升耐温能力。其开关能量损耗在25∘C时分别为开通37.8 mJ和关断13.8 mJ，非常适合作为SST中的基础功率单元（PEBB）。
E2B封装（BMF240R12E2G3）： 额定电流240A，集成NTC温度传感器，支持Press-FIT压接技术，便于在大规模自动化产线中进行装配。其小巧的体积适合用于构建多电平拓扑（如级联H桥）中的子模块 。
这些模块化产品的推出，使得国产SST厂商可以像搭积木一样，根据电压等级和容量需求，灵活构建不同规格的变压器系统，极大地降低了研发门槛和周期。
第三章 神经中枢：青铜剑驱动系统的精准控制与保护
如果说SiC模块是SST的肌肉，那么栅极驱动器就是神经系统。SiC MOSFET的高频高速开关特性虽然带来了效率的提升，但也给驱动电路设计带来了巨大的挑战，如米勒效应引起的误导通、极高的dv/dt导致的共模干扰以及短路保护的响应速度要求。青铜剑技术（Bronze Technologies）作为国内领先的驱动方案提供商，其针对SiC定制的驱动解决方案是保障国产SST稳定运行的关键一环。
3.1 针对高频SiC的驱动优化
青铜剑的2CP系列即插即用驱动器专为62mm和ED3封装的SiC模块设计，解决了SiC驱动的几大痛点 ：
电压匹配： 提供+18V/−4V的驱动电压。+18V确保SiC MOSFET完全导通，获得最低的RDS(on)；-4V的负压关断则提高了抗干扰能力，防止在高速开关过程中因栅极震荡而误导通。
驱动功率与电流： 单通道输出功率高达2W-4W，峰值电流可达±25A。这对于驱动像BMF540R12MZA3这样大容量（输入电容Ciss约34nF）的模块至关重要，只有足够大的驱动电流才能实现纳秒级的开关速度 。
3.2 米勒钳位（Miller Clamp）：高频SST的安全阀
在SST采用的H桥或ANPC拓扑中，上下管交替导通。当上管快速开通时，桥臂中点的电压瞬间从0跳变到母线电压，产生极高的dv/dt。这个电压变化率会通过下管（处于关断状态）的米勒电容（Cgd）向栅极注入电流。如果驱动回路阻抗不够低，栅极电压可能被抬升至阈值电压（Vth≈2.7V）以上，导致上下管直通炸机。
基本半导体的技术文档明确指出，驱动SiC MOSFET必须使用米勒钳位功能 。青铜剑的驱动方案集成了有源米勒钳位电路：
工作原理： 当检测到栅极电压低于预设阈值（如2V）时，驱动器内部的一个低阻抗MOSFET会导通，将功率管的栅极直接短接到负电源轨。
效果： 这一机制为米勒电流提供了一条低阻抗泄放路径，实测数据显示，在无米勒钳位时，寄生导通电压可高达7V以上，而启用钳位后可控制在2V以内，彻底消除了SST在高频硬开关下的直通风险 。
3.3 短路保护与软关断
SiC器件的短路耐受时间（SCWT）通常短于IGBT（往往小于3μs），这意味着驱动器必须具备极快的响应速度。青铜剑驱动器集成了VDS去饱和检测功能，一旦检测到过流，会在微秒级时间内触发保护。同时，为了防止在切断大电流时因线路电感产生过高的电压尖峰击穿模块，驱动器采用了**软关断（Soft Turn-off）**技术，通过增加关断电阻或分级关断，平缓地释放电感能量，保护昂贵的SiC模块 。
第四章 AC-DC级拓扑革命：从H桥到ANPC的必然跨越
SST的前级AC-DC变换器直接面向中高压电网（如10kV、35kV），其主要任务是将工频交流电整流为稳定的直流母线电压，并控制输入电流正弦化（PFC）。在这一环节，传统的两电平或级联H桥拓扑正在被更高效的有源中点钳位（ANPC）拓扑所取代。
4.1 传统级联H桥（CHB）的局限性
级联H桥拓扑通过将多个低压H桥单元串联来承受高网压，具有模块化程度高的优点。然而，在SiC时代，CHB暴露出了明显的短板：
器件数量庞大： 每个单元都需要独立的直流母线电容和隔离电源，系统复杂度随电压等级线性增加。
电压应力与开关损耗： 在H桥拓扑中，每个开关管在关断时需承受全母线电压。虽然可以使用3300V或6500V的高压SiC器件减少级联数量，但高压器件的开关速度较慢，且成本极高。若使用1200V器件，则级联级数过多，控制复杂。
4.2 有源中点钳位（ANPC）：SiC的最佳搭档
ANPC拓扑是三电平NPC（二极管钳位）的改进版，通过引入有源开关代替钳位二极管，彻底改变了高压变换器的设计逻辑。
4.2.1 电压应力减半与1200V器件的越级应用
ANPC最核心的优势在于其三电平结构使得每个开关管只需承受一半的直流母线电压 。这意味着，对于一个2400V的直流母线系统，设计者可以使用成熟度最高、性价比最优的1200V SiC MOSFET（如BASiC的ED3系列），而无需被迫选用昂贵且供货不稳的3300V器件。
战略意义： 1200V SiC产业链在中国最为成熟，产能最充沛。采用ANPC拓扑，可以直接利用国产1200V产业链解决更高电压等级的应用需求，规避了高压器件的“卡脖子”风险。
4.2.2 损耗分布均衡化
传统的NPC拓扑存在损耗分布不均的问题，内管和外管的热应力差异巨大，限制了系统的整体容量。ANPC通过引入有源开关，增加了零电平时的冗余开关状态。控制算法可以根据器件的实时温度，灵活选择电流通路，在不同的开关管之间轮换导通，从而实现损耗的主动均衡 。
SST价值： 在SST应用中，这意味着可以最大限度地挖掘模块的电流能力，提升功率密度，延长系统寿命。
4.2.3 效率与谐波的双重提升
相比于两电平H桥，ANPC输出的电压波形为五电平（线电压），谐波含量大幅降低。这使得网侧滤波器的体积可以减小50%以上 。同时，由于单次开关动作的电压跳变仅为母线电压的一半，开关损耗显著降低。结合SiC的高速特性，ANPC整流器可以轻松实现99%以上的转换效率，这对于不仅要求隔离还需要高能效的数据中心供电尤为重要。
第五章 DC-DC级核心博弈：DAB与LLC的技术路线选择
SST中间的隔离型DC-DC变换器负责实现电气隔离和电压匹配，是SST中体积和重量占比最大的部分。实现高频化以减小变压器体积是其核心目标。在此阶段，双有源桥（DAB）和LLC谐振变换器是两种主流技术路线，它们各有千秋，但在SiC加持下，DAB正逐渐展现出更强的适应性。
5.1 双有源桥（DAB）：全能的“万能钥匙”
DAB变换器由原副边两个全桥和中间的高频变压器及漏感组成，通过控制原副边电压的移相角来调节功率传输的大小和方向。
5.1.1 天然的双向流动能力
DAB天生具备能量双向流动的能力，无需额外的辅助电路 。这一点对于现代SST至关重要。
应用场景： 在储能接入或V2G（车网互动）应用中，能量需要在电网和电池之间频繁双向交换。DAB可以无缝切换功率流向，响应速度极快。
5.1.2 宽电压范围的适应性
SST在电网中运行时，往往面临输入电压波动或负载侧电压调整的需求。DAB通过移相控制（SPS, EPS, DPS等），可以在很宽的电压增益范围内保持稳定的功率传输。
5.1.3 SiC对DAB的重塑：零电压开通（ZVS）
传统硅基DAB在轻载下难以实现软开关（ZVS），导致效率急剧下降。而SiC MOSFET极小的结电容和关断拖尾电流，使得DAB可以在更宽的负载范围内实现ZVS 。
高频化红利： 利用BASiC的SiC模块，DAB的开关频率可以推高至50kHz-100kHz。这一频率下，高频变压器的体积仅为同功率工频变压器的1/10甚至更小。
5.2 LLC谐振变换器：极致效率的“偏科生”
LLC变换器利用谐振槽路（Lr, Lm, Cr）实现原边开关管的ZVS和副边整流管的ZCS。
5.2.1 效率天花板
在谐振频率点附近，LLC可以几乎消除所有的开关损耗，实现全负载范围内的极高效率（峰值可达98%-99%）。
低EMI： 由于电流波形接近正弦波，LLC的电磁干扰（EMI）远低于DAB的方波电流，简化了滤波设计。
5.2.2 控制的阿喀琉斯之踵
LLC的弱点在于其调压能力和双向控制。LLC通过变频控制（PFM）调节增益，但在宽电压范围内，频率变化范围极大，给磁性元件设计带来困难。此外，实现双向CLLC拓扑需要复杂的同步整流控制，且反向模式下的增益特性往往不如正向优异 。
5.3 商业价值判断与选择策略
结论： 在SST的DC-DC级选型中，DAB是更具普适性的战略选择，特别是对于不仅作为变压器，还要承担能源路由器功能的智能电网SST。
理由： 智能电网的核心是互动（双向潮流）和稳定（宽电压适应）。DAB完美契合这两点。虽然其峰值效率略低于LLC，但SiC器件的低损耗特性已经将DAB的效率提升到了98%以上，足以满足商业化需求。
LLC的定位： 更适合用于定电压输出、单向传输的场景，如数据中心末端供电或特定负载的专用电源。
中国方案的策略： 利用国产SiC产业链优势，大规模制造基于DAB拓扑的标准化“电力电子积木”（PEBB）。这种模块化的DAB单元可以通过积木式串并联，快速构建出任意电压和容量等级的SST，极大缩短交付周期，直击全球变压器短缺的痛点。
第六章 商业价值与战略展望
6.1 填补全球真空的“中国速度”
全球变压器市场30%的缺口和长达3-4年的交付周期，为中国SST固态变压器方案提供了千载难逢的市场切入点。传统变压器的产能扩张受限于取向硅钢等原材料的扩产周期，是非弹性的；而基于半导体的SST，其核心产能在于芯片和电子制造，这正是中国产能最具弹性的领域。
交付优势： 相比于LPT数年的等待，基于国产SiC模块的SST可以将交付周期压缩至数月。对于那些因这就缺电而停摆的AI数据中心和光伏电站，SST固态变压器的高溢价是完全可以接受的——因为它买到的是“时间”和“开工权”。
6.2 弯道超车的技术红利
通过推广全SiC SST，中国电力装备行业将完成从“原材料输出”到“高科技输出”的转型。
数据中心市场： SST固态变压器的高密度特性使其可以直接部署在服务器机房旁，减少低压直流传输损耗，提升PUE值，完美契合绿色数据中心的需求。
新能源消纳： SST固态变压器的有源控制能力解决了分布式能源并网的电压波动问题，成为构建新型电力系统的关键节点。
6.3 建议与展望
未来3-5年，建议中国产业链上下游协同发力：
标准化PEBB研发： 依托BASiC的ED3/E2B模块和基本半导体子公司青铜剑驱动，制定SST功率单元的标准规范，实现大规模工业化生产。
可靠性背书： 充分利用基本半导体H3TRB、DGS等可靠性测试数据，向全球客户证明国产SiC SST的长寿命与高可靠性，消除市场对新技术的疑虑。
系统级出海： 不再单卖模块，而是以SST整机或核心功率柜的形式出海，输出包含ANPC/DAB拓扑算法在内的整体解决方案，抢占全球能源互联网的定义权。
2025年的变压器危机，是旧电网时代的落幕，也是SST固态变压器时代的序章。依托基本半导体等国产SiC碳化硅技术的爆发，中国方案已不仅仅是一个备选项，而是全球电力基础设施升级的最优解。
关键数据表
表 1: 2025年全球变压器供应缺口预测
| 变压器类型 | 预计缺口 | 主要瓶颈 |
|---|---|---|
| 电力变压器 (Power Transformers) | 30% | 取向电工钢 (GOES), 熟练劳动力, 产能排期 |
| 配电变压器 (Distribution Transformers) | 10% | 制造产能, 铜/铝原材料短缺 |
表 2: 基本半导体 ED3 系列模块核心参数 (BMF540R12MZA3)
| 参数 | 数值 | SST应用优势 |
|---|---|---|
| 额定电压 (VDSS) | 1200 V | 完美适配ANPC拓扑的中压接入方案 |
| 额定电流 (ID) | 540 A | 单模块高功率密度，减少并联数量 |
| 导通电阻 (RDS(on) @ 25∘C) | 2.2 mΩ | 极低的导通损耗，提升整机效率至99%级 |
| 基板材料 | Si3N4 AMB | 极高的热循环寿命，适应户外及高负荷工况 |
| 应用定位 | SST, 储能 | 针对高频硬/软开关优化，支持高频化设计 |
表 3: SST 关键拓扑架构对比分析
| 级联阶段 | 拓扑结构 | SiC应用优势 | 局限性 | 战略推荐 |
|---|---|---|---|---|
| AC-DC (整流) | ANPC (有源中点钳位) | 电压应力减半(可用1200V器件)，损耗分布均匀，高效率。 | 控制算法及驱动电路相对复杂。 | 中压电网侧首选 |
| H-Bridge (H桥) | 结构简单，模块化强。 | 单管耐压要求高(需1700V+)，高频损耗大。 | 仅限低压或超多级联 | |
| DC-DC (隔离) | DAB (双有源桥) | 天然双向流动，宽范围ZVS，控制逻辑解耦。 | 轻载下存在环流损耗 (SiC可缓解)。 | 智能电网/V2G首选 |
| LLC (谐振) | 谐振点效率极高，EMI小。 | 双向控制极其复杂，增益范围受限。 | 数据中心/定压电源 |
审核编辑 黄宇
