兆瓦级充电桩为什么要把工频变压器换成固态变压器

编译自 MDPI Energies 2025, 18(17), 4705　·　开放获取 CC BY 4.0

充电桩往兆瓦级走的时候，先卡住的往往不是枪头和电缆，而是站里那台工频变压器。它把中压电网的电压降下来，体积和重量都堆在那里，谐波也由它身边产生。奥克兰理工大学的一篇综述把近年的固态变压器方案梳理了一遍，给出的结论是：把它换掉能省下六成多的体积，但代价要从控制、成本和标准三条线一起算。

工频变压器挡在了兆瓦级前面

超快充电站这个说法有明确的功率门槛。350 千瓦以上、充电时间压到十分钟以内的直流快充，行业里才把它归入超快充。再往上一档，兆瓦级充电系统的目标功率落在 1 兆瓦到 4.5 兆瓦之间。

这一步跨过去，问题就出来了。工频变压器工作在电网频率上，铁芯和绕组的体积由频率决定，频率低，体积就大。一台兆瓦级的工频变压器，重量以吨计，安装要专门的基础和吊装。它还给电网注入谐波，站里要另配滤波和无功补偿。更麻烦的是，它只能做电压变换：充电桩需要可控的直流输出，需要在毫秒级内切断故障，这两件事它都办不到。

固态变压器换了一条路。它把输入的中压交流先整流成直流，再用高频开关把能量通过一台小体积的高频变压器送过去，最后整流成适合充电的直流。开关频率从 50 赫兹提到几十千赫兹，变压器和电感的体积跟着掉下来。综述引用的数据是，相比工频变压器，固态变压器体积减少约 65%，效率提高约 3%，并且能从中压电网直接取电，功率按模块往上堆。

这个方向还踩在标准上。IEC 61851-23 这条充电设备标准要求设备提供可控直流输出和毫秒级动态保护，工频变压器方案要额外加装置才能满足。美国能源部对配电设备提出过 97% 以上的效率目标，高频化是达到这个数字的路径之一。

换掉之后，代价从三条线上来

好处说完，账要算另一头。

第一条是控制。固态变压器内部是一堆开关器件在高速开关，要协调的环节比工频变压器多得多。整流侧要稳住直流母线，隔离级要让高频变压器工作在最优点，输出侧还要贴合电池的充电曲线。这三段之间还有功率和电压的耦合，任一段摆不平，整机就跟着乱。

第二条是电网交互。兆瓦级快充发生的瞬间，站从电网抽走的功率是阶跃式的。在电网比较弱的地方，这种阶跃会带来电压波动和寄生振荡。传统充电站没有主动抑制的手段，电压塌下来只能等它自己恢复。综述把"电网交互能力"单列成一类设计目标，原因就在这里。

第三条是成本。论文给出现状：固态变压器的部署成本至少是同等容量工频变压器的五倍，可靠性还没跑出工频变压器那样的长期记录，和现有的低压保护方案也不兼容。行业标准里，兆瓦充电系统的连接器接口、热管理协议和电网交互规范都还没定完，设计和实际互操作之间留着一道缝。

图1　固态变压器充电站的三级结构：中压交流输入、直流母线、高频隔离与直流输出（依据原文第 1、2 节绘制）

拓扑按三个目标分家

综述在讲拓扑之前先立了一个框架。它没有按电路结构给拓扑分类，而是按设计者最关心的三件事分：高效能量转换、模块化可扩展、电网交互能力。

高效转换这条线上，传统方案能列出一串。前端有中性点钳位、级联 H 桥、Vienna 整流器，后端有移相全桥、LLC 谐振和双有源桥。这些都做过工程验证，瓶颈也清楚：级数多，每一级都带损耗。高频创新拓扑在这条线上继续压损耗，比如把三相 H 桥和 LLC 谐振槽合在一起，效率做到 97.5% 以上；单级交交变换的方案做到 98.5% 以上。

模块化可扩展这条线应对的是功率往上堆的需求。做法之一是电压平台标准化，用级联 H 桥或双 H 桥把子模块串起来，让每颗器件承受的电压降下来，论文提到这类方案能把循环电流的峰值压低七成到九成。另一条是多端口功率调度，比如在三有源桥和四有源桥之间分配功率。模块化换流器和固态变压器结合的方案也在这条线上。

电网交互这条线是三条里最新的一条。它把充电站当成一个能对电网出力的电源看，要能提供虚拟惯量和动态无功补偿。论文提到的一类做法，是动态调节双有源桥模块里缓冲电容的电压，在负载突变时减少直流端口的电压跌落，等效于给系统加了惯量。另一类做法重新分配容量，在不增加总成本的前提下把无功支撑能力做上去。

按级数看，方案分成单级、两级和三级。三级加上了直流环节，能支持车网互动，总谐波失真能压到 5% 以下，代价是多一级损耗和多一套控制。选哪一档，取决于站点要什么功能，不是级数越多越好。

图2　固态变压器拓扑按高效转换、模块化扩展、电网交互三条需求分线（依据原文第 2 节绘制）

控制分成三层，最外面一层管电网

综述借用了三层控制框架来组织控制策略。内层在硬件级，管调制优化和软开关，让器件工作在损耗较低的点上，同时压住电压纹波、做好能量缓冲。中层管模块之间的功率平衡和电压协调，多模块多端口系统里哪块出多少力，由这一层决定。外层做系统级调度，负责站内模块通信和跟电网的自适应配合。

复杂工况下的控制单独列了一节。弱电网和参数不确定时，要靠鲁棒控制撑住；电网故障和过载时，控制要能在故障清除后恢复，而不是跟着一起崩。

论文反复提到拓扑和控制要一起设计。同一个拓扑配不同的控制，运行的效率和稳定性差很多；反过来，控制策略也受拓扑限制。把它当成一对来设计，是这个领域从"先做拓扑再配控制"转向的思路。

离商用还差什么

论文给出现状：主流方案覆盖 360 千瓦到兆瓦级，输出电压 150 到 1000 伏，正从实验室验证往商业试点过渡，大规模部署还没出现。文中提到美国和中国的厂商计划在 2025 年做试点项目。

要落地，三件事绕不开。一是成本，五倍的价差得靠器件降价和规模摊平。二是可靠性，固态变压器里器件数量远多于工频变压器，失效率的计算方式不同，长期运行数据还不充分。三是热管理，高频化和高功率密度把热量集中在很小的体积里，散热设计和器件寿命绑在一起。

充电站把工频变压器换成固态变压器，本质上是从"用电网频率干活"转向"用开关频率干活"。这个方向的收益已经算得清，剩下的问题是要在成本、可靠性和标准三条线上同时收敛。

内容来源：MDPI Energies 2025, 18(17), 4705

原文标题：A Review of Solid-State Transformer-Based Ultra-Fast Charging Station Technologies: Topologies, Control, and Grid Interaction

作者：Hanbing Xiao, Krishnamachar Prasad, Jeff Kilby

原文链接：https://doi.org/10.3390/en18174705

许可协议：CC BY 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）

配图说明：图1、图2 为本文依据原文献内容自行绘制。

改动声明：本文在其基础上进行了中文编译与删节，未改变技术结论与原始数据。

来源：21ic电子网

作者：Ayase