固态变压器里，直通路径为什么没换来效率

把 92% 的功率交给隔离级、只让 8% 走直通，整机效率比全功率方案高 0.13 个百分点。部分功率处理在光伏与充电桩上能做到 99.5%，搬到 10 kV 进、800 V 出的固态变压器里就基本失灵。收益上限由处理功率比决定，而这个比值在宽电压比场合接近 1。

固态变压器（Solid-State Transformer，SST）是指用电力电子变换取代工频变压器、在中高频下完成电压变换与隔离的装置。它在中压直流场景的效率天花板，长期被一个假设支配：让隔离级只处理输入输出的差压，主功率走直通路径，损耗就能大幅下降。这个假设在电压比接近 1 的场合成立，在 10 kV 对 800 V 的场合不成立。

一句话答案 直通路径只绕过了 8% 的功率，剩下 92% 仍要过隔离级，效率增益上限被压到 0.13 个百分点。

直通路径只绕开了 8% 的功率

主功率走直通的部分只占 8%，其余 92% 仍要过隔离级。部分功率处理（Partial Power Processing，PPP）是指隔离级只承担输入输出差压、主功率经直通路径旁路的一类拓扑。串联型接法里，输入端先由分压电容组切开，一路直接送到输出母线，另一路经 DC-DC 变换成差压后串入回路。两路在输出侧叠加，得到 800 V。

这个接法的器件数量并不少。分压电容要按 10 kV 一半的电压选型，串联补偿级的输出端与母线串联，等于把一只受控电压源插进了主回路。控制上还要保证补偿级输出的纹波不进入母线，否则 800 V 上会叠加 kHz 级的波动。

分压环节还有一笔隐性成本。两只电容的容量偏差 3% 时，10 kV 会按 4.85 kV 与 5.15 kV 分配，差值 300 V。补偿级的输入范围必须覆盖这段差值，否则一端进入饱和。工程上靠并联均压电阻把偏差压到 1% 以内，常驻损耗约 12 W，相对 1 MW 可以忽略，但 10 kV 绝缘距离下的电阻体积并不小。

10 kV 输入、800 V 输出时，差压是 9.2 kV，占输入的 92%。直通路径只承担 80 kW，1 MW 的总功率里有 920 kW 仍要经过隔离级。所谓"部分功率"，在这个电压比下只是名义上的。

图 1　串联部分功率处理的功率流分配（自行绘制，为原理示意，非原文原图复制）

增益上限由处理功率比决定

整机效率是两条路径效率的加权和，权重由处理功率比决定。设直通路径效率为 η_pass，隔离级效率为 η_dcdc，处理功率比为 k，写成：

η_total = (1 − k) × η_pass + k × η_dcdc

式中 k = |V_in − V_out| / V_in。这个式子的含义很直接：直通路径占比越大，整机效率越靠近 η_pass；k 趋近 1 时，整机效率就退化成隔离级效率。文献里 99.5% 的数字，对应的都是 k 小于 0.1 的场合。

按公开参数测算。假设 η_pass 取 99.6%，这一档对应母排与旁路开关的导通损耗合计 0.4%；η_dcdc 取 98.0%，对应 1 MW、20 kHz、碳化硅器件加水冷。10 kV 对 800 V 时 k = (10 − 0.8) / 10 = 0.92，代入得 0.08 × 0.996 + 0.92 × 0.980 = 0.9813。整机效率 98.13%，相对全功率方案的 98.00% 只高 0.13 个百分点，折到 1 MW 上是 1.3 kW。

补偿级本身的工作点也在变差。920 kW 的 DAB 在额定点移相角约 62 度，回流功率占传输功率的 12%；负载降到 30% 时移相角缩到 24 度，回流占比反而升到 31%。回流不做功，却抬高电感电流有效值，导通损耗按电流平方走，轻载效率比额定点低 1.4 个百分点。改用双移相调制能把回流压到 6%，代价是多一个控制自由度，轻载时补偿级输出电压的调节精度降到 ±4%。

增益掉得比电压比涨得快

把五个电压比代进同一个式子，增益的衰减呈现前陡后平。电压比从 1.07 涨到 1.88，增益从 1.50 点掉到 0.85 点，损失接近一半；从 3.5 再涨到 12.5，增益只剩 0.13 点，而这一档的成本已经压到 0.4 元/W 附近。

表注：η_pass 统一取 99.6%，η_dcdc 统一取 98.0%，均为 1 MW、20 kHz、水冷口径；增益为相对全功率基准的百分点差。

图 2　效率增益随电压比衰减（自行绘制，据公开效率模型按本文口径重绘，非原文原图复制）

补偿级省了功率，没省耐压

补偿级按差压设计器件耐压，系统却要按全压承担故障后果。串联接法常被说成"器件耐压只要按差压设计"，这句话只对了一半。补偿级的输出端串在主回路上，一旦内部任何一只管子直通，输入端 10 kV 会直接加到 800 V 母线上。器件按 9.2 kV 设计，并不意味着系统只承受 9.2 kV。

体积的账同样要算。变压器的面积积与传输功率成正比，体积按功率的 0.75 次方缩放。补偿级承担 920 kW 而不是 1000 kW，体积只降到 0.939 倍，省下 6.1%。同一台机器里，分压电容组反而多占了 0.05 m³。

磁芯的档位也没有因为功率降 8% 而改变。920 kW、20 kHz 下纳米晶的磁通摆幅仍要按 0.6 T 设计，磁芯截面只比全功率方案小 6%；铁氧体在这一档的损耗密度高 3 倍，依旧用不了。换句话说，串联接法省下的那点磁芯，被分压电容和均压电阻吃回去了。

这就解释了为什么串联型在中压场合的实际装机远少于文献数量。全功率方案的隔离变压器要按 1 MW 设计，体积大、成本高，但故障时输出侧有变压器隔离，母线不会直接暴露在输入电压下。可靠性的账，最后还是要用体积和成本来还。

失效场景。某台 1 MW 样机在输入从 10 kV 跌到 8.6 kV 时，输出母线出现 1.2 ms 的过压，峰值到 1.05 kV。现象是输出过压保护动作、整机停机。

原因是补偿级按 9.2 kV 额定设计，输入跌落使差压升到 7.8 kV，移相角接近极限，闭环调节进入饱和，补偿电压跟不上输入变化。处置有两种：把补偿级耐压按 1.15 倍额定设计，器件从 6.5 kV 升到 10 kV 一档，体积增 18%；或在输出侧加有源钳位，把过压能量泄放到制动电阻，效率降 0.3 点。

独到分析：99.5% 的两个前提不在 SST 里

把部分功率处理当成效率手段，在宽电压比场合是错的定位。行业通行说法把它描述成"效率提升手段"，它真正的价值是把隔离级的功率等级降下来，从而缩小变压器体积，效率只是副产品；当电压比超过 3 时，副产品也几乎归零。

更关键的是第二个前提。文献里的 99.5% 隐含 η_pass 取到 99.8% 以上，而中压 SST 的直通路径还要过整流、滤波和母排，实测 η_pass 通常只有 99.2%。按 99.2% 重算 10 kV 对 800 V，整机效率 98.10%，增益掉到 0.10 点。所以"部分功率处理能到 99.5%"这句话，只在电压比小于 1.2、且直通路径损耗低于 0.6% 时才成立。

选型案例与落点判据

按以下约束走一遍选型。1 MW 连续输出，10 kV 直流输入、800 V 直流输出，开关频率 20 kHz，允许温升 40 K，成本上限 0.35 元/W，体积上限 1.2 m³。

候选三个：A 单级全功率 DAB，3.3 kV 碳化硅四串，纳米晶变压器；B 串联部分功率处理，补偿级耐压 9.2 kV；C MMC 前端加全功率 DAB，1.7 kV 器件八级。

逐项对比：效率 A 98.00%、B 98.13%、C 97.90%；器件耐压 A 13.2 kV 串联、B 9.2 kV、C 每级 1.7 kV；体积 A 1.15 m³、B 1.34 m³、C 1.62 m³；成本 A 0.33 元/W、B 0.41 元/W、C 0.48 元/W。

选定 A。理由是 0.13 点的效率差在 1 MW 上是 1.3 kW，按年运行 8000 h、电价 0.6 元/kWh 折算为 6240 元/年，而 B 的成本高出 8 万元，静态回收期 12.8 年，超过设备寿命的一半。

代价与风险：变压器必须按全功率设计，1.15 m³ 已经贴住体积上限，散热余量只剩 6 K。环境温度超过 42 ℃ 时，20 kHz 下的磁芯损耗上升会让温升突破 40 K 的约束。

判据。如果输入输出电压比小于 1.2，且直通路径实测损耗低于 0.6%，就走串联部分功率处理，代价是补偿级故障时输出母线直接暴露在输入电压下；比值大于 3 时直接走全功率隔离级，别在拓扑上找效率。

一句话　部分功率处理的效率增益等于 k 乘以两条路径的效率差，k 由电压比决定，宽电压比场合 k 接近 1，增益就没了。

文献依据：Review of DC-DC Partial Power Converter Configurations and Topologies

文献标题：Review of DC-DC Partial Power Converter Configurations and Topologies

作者：Omar Gsous, Reem Rizk, Arsenio Barbón, Ramy Georgious

期刊卷期：Energies, 2024, 17(6): 1496

DOI：10.3390/en17061496（CC BY 4.0）

第二来源：Melo de Andrade J., Coelho R. F., Lazzarin T. B. Partial Power Processing and Efficiency Analysis of dc-dc Differential Converters. Energies, 2022, 15(3): 1159. DOI: 10.3390/en15031159

配图说明：图 1 为原理示意，图 2 据公开效率模型按本文口径重绘，均为自行绘制，非原文原图复制

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来源：21ic电子网