13.2 千伏的桥臂上，1.7 千伏的管子为什么只用掉 39%

 把器件电压利用率从 39% 提到 78%，串联的模块数能砍掉一半，机柜看着更省。按 13.2 千伏重算一遍，省下的是模块数量，付出去的是绝缘距离、dv/dt 和冗余比例。这三笔账都不写在器件手册里。

十个模块把 13.2 千伏分掉

一台配电级的单相固态变压器，中压侧不靠一颗器件扛电压，而是把 10 个模块串在桥臂上。13.2 千伏除以 10，每个模块分到 1.32 千伏的直流母线。模块内部的有源前端做成三电平结构，同一时刻每只开关管只承受母线的一半，也就是 0.66 千伏。

器件选的是 1.7 千伏的碳化硅 MOSFET。0.66 除以 1.7，利用率 38.8%，四舍五入就是 39%。一台 10 千伏安的机器，用掉 10 个模块，每个模块一套三电平桥臂，开关器件总数比两电平方案翻了一倍，输入电流却只有 0.76 安。

看到这个数字，工程上的第一反应是把模块数压下去，让每只管子吃满额定。这个方向没有错，只是它要动的不是模块数，是整条绝缘链。

选择 10 个模块还有一层原因在器件耐压上。1.7 千伏的器件要接 13.2 千伏的电网，串 8 个时每个模块扛 1.65 千伏，已经贴近器件额定的 97%，任何一次电网过压都没有余量。串 10 个降到 1.32 千伏，留出 22% 的稳态余量，再让三电平把每只管子压到 0.66 千伏。这个顺序是先按电网波动定模块数，再按 dv/dt 定电平数，最后才轮到看利用率。

模块数还买到一样东西，等效开关频率。10 个模块的载波依次错开 36 度，桥臂输出端的等效开关频率是单模块的 10 倍。单模块跑 10 千赫兹，桥臂看上去在 100 千赫兹上工作，网侧滤波器的截止频率可以往上挪，电感量按频率反比缩小。这一项收益在 8 模块方案里只有 8 倍，模块越多越明显，也是设计者愿意多串几个的现实理由。

三电平换来的是一半 dv/dt

利用率低，一半的原因在三电平。1.32 千伏的母线，两电平桥臂开通一次就是 1.32 千伏的电位跳变，三电平只有 0.66 千伏。中频变压器的匝间绝缘、原副边之间那层主绝缘，按 dv/dt 和局部放电起始电压设计，不按稳态电压设计。跳变减半，绝缘厚度可以松一档，局部放电的起始电压也往上抬。

代价写在器件数上。一个桥臂两电平用 2 只管子，三电平用 4 只，10 个模块的差额是 40 只对 20 只。多出来的 20 只管子不承担更多电流，只承担把电压台阶切细的任务。10 千伏安的机器输入电流 0.76 安，这 20 只管子上的导通损耗加起来不到 1 瓦，器件的成本却翻了一倍。

三电平还有一个隐性收益在输出波形上。两电平的输出只有两个电平，滤波电感要按 1.32 千伏的台阶设计；三电平的台阶是 0.66 千伏，同样纹波要求下电感量可以减半。电感减半，体积和铜损都跟着减，这部分收益要算进三电平的账里，不然只看器件数会觉得亏。

绝缘这一侧的账还有一项常被忽略。局部放电的起始电压随频率下降，20 千赫兹下的起始电压比 50 赫兹低一截，同样厚度的绝缘，在开关频率下先放电。三电平把 dv/dt 减半，缓解的是电场集中；频率抬上去带来的起始电压下降，只能靠加厚绝缘或者改用低介电常数材料来补。两个方向都有代价，取舍点落在 20 千赫兹这个工作频率上。

利用率翻倍要先换器件

要把 39% 抬到 78%，模块电压得做到 2.64 千伏，器件耐压至少 3.3 千伏，还要留出降额。碳化硅的比导通电阻按耐压的 2.5 次方上涨，3.3 千伏器件的单位面积电阻是 1.7 千伏的三倍以上。管芯面积不变，导通损耗就翻三倍。

这台机器的电流太小，导通损耗翻三倍也还是毫瓦级，真正变重的是栅极电荷和开关损耗。1.7 千伏器件的栅极电荷在百纳库量级，3.3 千伏器件接近翻倍，同样开关频率下驱动功率跟着翻倍。驱动功率乘上模块数，辅助电源的预算要重做一遍。

图 1　13.2 kV 到器件应力的三级分配（依据原文第 2 节绘制）

模块数从 10 降到 5，还有一处跟着变。中频变压器原来按 1.32 千伏做绝缘，现在要按 2.64 千伏做，油隙或者固体绝缘的厚度近似按电压线性增长。磁芯窗口被绝缘占掉一块，绕组能用的面积少了，同样功率下铜损往上走。省下的模块体积，有一部分被变压器的绝缘吃回去。

冗余是按模块数的比例配的

串联结构的冗余按模块算。10 个模块配 1 个备用，冗余率 10%；压到 5 个模块再配 1 个，冗余率变成 20%。模块少了，备用比例翻倍，这是串联拓扑最不划算的一处。

备用模块也不是插上就能用。故障模块要旁路，旁路开关自己得扛住整段母线电压，还要在毫秒级完成动作。10 个模块的旁路开关按 1.32 千伏选，5 个模块的按 2.64 千伏选，又是同一笔绝缘账。旁路动作期间，剩下的模块要扛住全部母线电压，1 个模块退出，其余 9 个的电压从 1.32 千伏升到 1.47 千伏，涨幅 11%，这个瞬时过压才是冗余设计真正要校核的点。

驱动电源跟着模块数走

每个模块的上下管需要独立的隔离驱动供电，10 个模块就是 20 路。中压侧的隔离电源要扛住模块之间的电位差，按每路 0.5 瓦估算，20 路合计 10 瓦。相对 10 千伏安的容量是 0.1%，看着不多，但这 10 瓦全落在模块内部，要靠同一套散热结构带走。

隔离电源的绝缘等级也不能按模块电压降。10 个模块串在 13.2 千伏上，最上面那一路的驱动电源要隔离的电位差接近整段母线，不是 1.32 千伏。这一点在选型表上最容易看漏，10 路电源里有 9 路的绝缘要求都不一样。

这一路电源还要扛共模。模块的电位每 100 微秒跳变一次，每次在 100 纳秒里走完 0.66 千伏，驱动电源原副边之间的耦合电容按 10 皮法算，共模电流是 66 毫安。这个电流不去别处，就落在栅极回路上，轻则拖慢开关速度，重则误触发。驱动变压器的层间屏蔽和共模电感，就是为这 66 毫安加的。

图 2　模块数与电压利用率、冗余比例的关系（依据原文第 3、4 节绘制）

折算到整机的账

把 10 千伏安摊开看：输入电流 0.76 安，导通损耗在毫瓦级；辅助电源 10 瓦，占 0.1%；开关损耗由频率和器件电容决定，和模块数呈线性。这条链上效率对模块数并不敏感，敏感的是体积、绝缘和可靠性。

换一个角度，10 千伏安的机器做 10 个模块，单模块 1 千伏安，模块里的 LLC 谐振腔按 1 千伏安设计，磁芯用不了多大。模块做小之后，真正难的是把 20 路驱动、20 路采样、10 套均压环塞进同一个箱体，布线和隔离的成本开始超过器件本身。

真正决定 39% 这个数字的，是三电平的 dv/dt、中频变压器的绝缘厚度、N+1 的备用比例。三件事都不在器件选型表里，却一起把器件的电压余量买走了。想把利用率提上去，先得回答绝缘能不能薄、冗余能不能少、旁路开关扛不扛得住。

一句话：39% 不是设计保守，是绝缘、dv/dt 和冗余三笔账合起来占住了器件的电压额度。

内容来源：Energies（MDPI，开放获取期刊）

原文标题：Design and Control of a 13.2 kV/10 kVA Single-Phase Solid-State-Transformer with 1.7 kV SiC Devices

作者：Jeong-Woo Lim, Younghoon Cho, Han-Sol Lee, Kwan-Yuhl Cho

DOI：https://doi.org/10.3390/en11010201 （Energies 2018, 11(1), 201）

配图说明：两张配图均由作者自行绘制，为原理示意，非原文原图复制。

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来源：21ic电子网