中国国产固态变压器（SST）研究报告：技术演进、市场格局

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中国国产固态变压器（SST）深度研究报告：技术演进、市场格局与国产碳化硅功率半导体厂商比如基本半导体的核心贡献倾佳电子（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，全力推广BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管和SiC功率模块。
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！
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！
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！
1. 绪论：能源互联网下的电力电子变革在当今全球能源结构转型的宏大背景下，电力系统正经历着从单向、集中式供电向双向、分布式的“能源互联网”演变的深刻变革。传统的电力变压器，作为电力传输与分配的核心枢纽，虽然经历了百年的技术积淀，以其高可靠性和低成本占据了统治地位，但在面对可再生能源（如光伏、风电）的大规模接入、直流负载（如电动汽车充电桩、数据中心）的爆发式增长以及对电能质量日益严苛的要求时，其功能单一、体积庞大、缺乏可控性的局限性逐渐暴露。固态变压器（Solid State Transformer, SST），又称电力电子变压器（PET）或智能变压器（Smart Transformer），作为一种集成了高频电力电子变换技术与高频磁性元件的新型电力装备，正逐渐成为解决上述痛点的关键技术路径。
倾佳电子详尽分析国产固态变压器的技术路线选择、研发的前沿方向、具体的应用场景及其广阔的市场潜力。倾佳电子将深入剖析国产第三代半导体领军企业——深圳基本半导体股份有限公司（以下简称“基本半导体”）——在这一产业链中的战略地位，并通过对其碳化硅（SiC）功率器件产品组合的微观技术分析，阐述基础半导体器件性能的提升如何从根本上推动国产SST技术的工程化与商业化进程。

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2. 国产固态变压器（SST）的技术路线与架构分析固态变压器的核心理念在于利用电力电子变流器实现电压等级的变换与电气隔离，同时具备电能质量调节与功率流控制的能力。与传统变压器仅依靠电磁感应原理不同，SST通常包含“高压交流-直流”、“直流-直流（高频隔离）”、“直流-低压交流”等多个变换级。在中国，结合国内电网的电压等级与工业基础，SST的技术路线主要呈现出以下几种主流架构。
2.1 级联H桥（CHB）与模块化多电平（MMC）架构对于连接10kV、35kV甚至更高电压等级的中高压配电网，由于单个功率半导体器件的耐压能力有限（目前商业化量产器件主流为650V-3300V，少数达到6500V），直接通过单管进行高压变换是不现实的。因此，模块化级联技术成为了国产SST处理高压输入的首选路线。
2.1.1 级联H桥（CHB）拓扑CHB拓扑通过将多个低压功率单元（Power Cells）在输入侧串联以分担高压电网电压，在输出侧并联以提供大电流输出。

• 技术优势：模块化设计使得系统具有高度的冗余性，某个单元故障不仅不会导致系统瘫痪，反而可以通过旁路控制保证降额运行，极大提高了可靠性。
• 研发挑战：主要在于各模块间的均压控制以及复杂的隔离电源设计。
• SiC器件的角色：在CHB架构中，若使用传统的硅基IGBT，由于其开关频率较低（通常在几千赫兹），导致无源滤波元件体积较大。而引入1200V或1700V的碳化硅MOSFET，如基本半导体提供的B2M/B3M系列 ，可以将单级模块的电压等级提升，从而减少级联模块的数量，降低系统复杂度。
  

2.1.2 模块化多电平换流器（MMC）MMC技术在柔性直流输电领域已非常成熟，正逐渐向配电网SST渗透。相比CHB，MMC在无需隔离变压器的情况下即可实现高压直流互联，非常适合未来“交直流混合配电网”的建设。
2.2 核心隔离级：双有源桥（DAB）变换器无论采用何种高压侧拓扑，SST内部实现电气隔离和电压变换的核心环节通常是高频DC-DC变换器，其中双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）是目前研发热度最高的技术路线。

• 工作原理：DAB通过控制原边和副边全桥电路的移相角，控制功率流的大小和方向，天然具备软开关（ZVS/ZCS）特性。
• 频率与效率的博弈：为了减小中间高频变压器的体积（体积与频率成反比），研发方向是不断提升开关频率至20kHz-100kHz甚至更高。然而，随着频率提升，开关损耗（Switching Loss）会急剧增加。这正是国产SST研发中对碳化硅器件需求最迫切的环节。
• 器件需求：DAB级要求功率器件具备极低的开关损耗和优异的反向恢复特性。基本半导体的SiC MOSFET模块（如BMF系列）凭借其纳秒级的开关速度和相比Si IGBT降低数十倍的关断损耗，成为实现高频DAB的关键使能器 。
  

2.3 研发方向的演进趋势当前国产SST的研发方向正从单一的“功能验证”向“性能极致化”和“多功能融合”转变：

• 高频化与高密度化：利用SiC器件的高频特性，将SST的功率密度从传统的0.5-1.0 W/cm³提升至2.0-5.0 W/cm³以上。
• 多端口融合：研发具备AC、DC（高压）、DC（低压）多种端口的“能源路由器”，实现光伏、储能、交流负荷的一体化接入。
• 标准化与模块化：推动功率模块的标准化封装，如基本半导体采用的34mm、62mm及车规级Easy封装，以降低SST的制造成本和维护难度 。
  

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3. 基本半导体：国产SST供应链的基石固态变压器的性能上限在很大程度上取决于其核心半导体器件的物理极限。作为中国第三代半导体行业的创新领军企业，深圳基本半导体股份有限公司（以下简称“基本半导体”）通过全产业链布局，为国产SST的研发提供了坚实的硬件基础。
3.1 企业战略定位与研发实力基本半导体是具备深厚技术底蕴的IDM（垂直整合制造）模式践行者。
创始团队与技术基因：公司由清华大学和剑桥大学的博士团队创立，董事长汪之涵博士和总经理和巍巍博士均在电力电子领域拥有深厚的学术背景 。这种学术与产业结合的基因，使得基本半导体能够深刻理解SST等高端电力电子装备对器件的特殊需求（如dv/dt耐受力、短路保护能力等），而不仅仅是提供标准品。
股东背景的产业协同：基本半导体的股东名单中包含了产业巨头。

• 直接关联到SST在轨道交通牵引领域的应用研发。
• 合作关系，则为SST在智能电网中的挂网运行提供了宝贵的试验田。
• 这种“产-学-研-用”的深度绑定，确保了基本半导体的器件研发能够紧跟SST的工程化需求。
  

3.2 碳化硅（SiC）全产业链自主可控SST的规模化应用前提是成本的可控和供应链的安全。基本半导体覆盖了从碳化硅外延、晶圆设计、封装测试到驱动电路设计的全流程 。

• 材料优势：SiC材料具备3倍于硅的禁带宽度、10倍的临界击穿场强和3倍的热导率 。这使得基于SiC的SST能够耐受更高的电压、在更高的温度下运行，并显著减小散热系统的体积。
• 制造能力：公司在深圳设有碳化硅晶圆制造基地，在无锡设有车规级模块封装基地 。这种制造能力的本地化，对于保障国产SST在面对国际供应链波动时的稳定性至关重要。
  

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4. 微观剖析：基本半导体产品对SST研发的具体贡献SST是一个复杂的电力电子系统，包含主功率回路、辅助电源、驱动电路等多个子系统。基本半导体丰富的产品线覆盖了SST内部不同位置的需求。本章将结合具体数据手册（Datasheets），深入分析其产品如何解决SST研发中的技术难题。
4.1 辅助电源与控制系统供电SST内部包含大量的控制器、传感器和通信模块，这些弱电系统需要从高压母线取电。
产品贡献：基本半导体的SiC MOSFET分立器件（B2M/B3M系列）和SiC肖特基二极管（SBD）是构建高压输入辅助电源（Auxiliary Power Supply）的理想选择。

• 高压启动：1700V高压SiC MOSFET（如B2M600170H）可直接用于高压直流母线的启动电路，简化了电路拓扑 。
• 高频反激：利用SiC MOSFET的高频特性，辅助电源可以设计成高频反激拓扑，显著减小辅助变压器的体积，便于集成在功率单元内部。
  

4.2 功率单元核心：34mm封装模块系列的低电感优势SST的模块化架构要求每个功率单元（Cell）都具备紧凑、高效的特点。基本半导体的34mm封装半桥模块系列为中等功率SST单元提供了标准化的解决方案。
表1：基本半导体34mm SiC MOSFET模块技术参数深度分析
产品型号电压 (VDSS​)电流 (ID​ @ TC​)导通电阻 (RDS(on)​ Typ)开关损耗 (Eon​+Eoff​ @ 175°C)对SST研发的意义
BMF60R12RB31200V60A (@80°C)21.2 mΩ3.0 mJ适用于SST中的小功率隔离探头电源或预充电电路。低损耗特性有助于提升轻载效率。
BMF80R12RA31200V80A (@80°C)15.0 mΩ4.0 mJ适合作为10kVA-20kVA级联模块的开关管，平衡成本与性能。
BMF120R12RB31200V120A (@75°C)10.6 mΩ10.4 mJ适用于更高功率密度的单元设计，低内阻减少了散热器尺寸。
BMF160R12RA31200V160A (@75°C)7.5 mΩ13.7 mJ极低的导通电阻支持大电流应用，适合SST主回路。

• 低杂散电感设计：在SST的高频DAB环节，极高的电流变化率（di/dt）会在杂散电感上产生巨大的电压尖峰。基本半导体的34mm模块通过优化内部布局，将杂散电感控制在较低水平（通常在15nH-20nH量级，具体取决于外部连接），配合低电感母排设计，能够有效抑制电压过冲，保护器件安全 。
• 高温工作能力：所有模块均标称可在175°C结温下工作 。SST通常安装在户外箱变或密闭空间内，散热条件恶劣。高温耐受能力意味着研发人员可以放宽散热系统的设计余量，或在同等散热条件下提升设备的过载能力。
• 体二极管特性：在DAB拓扑中，虽然主开关管实现ZVS，但在死区时间内体二极管会续流。基本半导体模块的体二极管正向压降（VSD​）在高温下表现稳定（如BMF160R12RA3在175°C下VSD​典型值为4.28V 1），且反向恢复时间极短（纳秒级），这大幅降低了死区损耗，提升了整机效率。
  

4.3 高功率密度突破：core™ E2B模块基本半导体推出的Pcore™ E2B模块提供了更高的电流密度。
AMB陶瓷基板技术：BMF240R12E2G3模块采用了活性金属钎焊（AMB）氮化硅（Si3​N4​）陶瓷基板 。

• 贡献解读：相比传统的氧化铝（Al2​O3​）基板，Si3​N4​具有更高的机械强度和热导率。在SST应用中，尤其是轨道交通和电动汽车领域，设备会经历剧烈的温度循环和机械振动。AMB基板显著提升了模块的热循环寿命和功率循环寿命，解决了SST长期运行的可靠性短板。
  

Press-FIT压接技术：该模块采用压接针脚而非焊接 。这简化了SST控制板的组装工艺，避免了虚焊风险，特别适合自动化生产，有助于国产SST从实验室走向大规模制造。
内置NTC传感器：集成的负温度系数（NTC）热敏电阻 允许SST控制器实时监控功率器件的温度，实现精准的过温保护和动态功率降额，提升系统的智能化水平。
4.4 迈向兆瓦级：62mm大功率模块系列 为了应对电网侧兆瓦（MW）级SST的需求，基本半导体开发了62mm封装的大电流模块。
超低导通电阻：BMF540R12KA3 模块在1200V耐压下实现了惊人的 2.5 mΩ 导通电阻 。

• 能效计算：假设一个SST功率单元运行在300A电流下，使用该模块的导通损耗仅为 3002×0.0025=225W。若采用同规格的硅IGBT（假设饱和压降Vce(sat)​为1.8V），损耗将高达 300×1.8=540W。超过58%的损耗降低直接意味着SST的整体效率可以轻松突破98%甚至99%的门槛，这是传统硅基方案难以企及的。
  

瞬态热阻抗：根据数据手册，BMF360R12KA3的热阻（结到壳）低至0.11 K/W ，BMF540R12KA3更是低至0.07 K/W 。极低的热阻保证了SST在承受电网短路冲击或电机启动过载时，芯片结温不会瞬间超标，保障了电网资产的安全性。
4.5 驱动与保护的整体解决方案SST研发不仅需要好管子，还需要好驱动。SiC MOSFET的高dv/dt（>50V/ns）特性容易在控制回路产生干扰。

• 抗干扰驱动：基本半导体提供的隔离驱动芯片（如BTD系列）和即插即用驱动板 1，具备高共模瞬态抗扰度（CMTI），确保SST在高频硬开关或软开关工况下不会发生误导通。
• 短路保护：针对SST可能面临的负载短路，基本半导体的驱动方案集成了去饱和检测（DESAT）或电流检测功能，能在微秒级时间内关断故障电流，保护昂贵的SiC模块。
  

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5. 国产SST的应用场景深度解析与市场潜力基于基本半导体等国产厂商提供的硬件支持，国产SST的应用场景正从理论走向实践，并在多个领域展现出巨大的市场潜力。
5.1 智能配电网与能源路由器这是SST最宏大的应用战场。

• 场景描述：在城市中心区域，用地紧张，传统箱式变电站体积大。SST凭借高频化优势，体积可缩小30%-50%。更重要的是，SST可以作为一个“能源路由器”，通过其直流端口直接接入屋顶光伏和分布式储能。
• 基本半导体的角色：基本半导体展示了典型的SST子系统架构。其B3M系列MOSFET用于主逆变，BMF系列模块用于大功率DC/DC变换，完美契合配电网对高效率和小体积的诉求。
• 市场潜力：随着中国配电网改造和“源网荷储”一体化建设，预计未来5-10年，配电网侧SST市场规模将达到百亿级人民币。
  

5.2 大功率电动汽车充电基础设施随着电动汽车迈向800V高压平台，传统的“工频变压器+整流柜”模式显得笨重且效率低下。

• 场景描述：基于SST的充电站架构，可以直接从10kV或380V交流电网取电，通过内部的高频隔离级，输出可调的高压直流电给汽车充电。这种架构省去了笨重的工频变压器，且易于实现V2G（车辆到电网）的双向流动。
• 案例分析：基本半导体在“充电桩电源模块应用”推荐中，明确提出了采用SiC MOSFET的三相LLC双向拓扑方案 。其BMF240R12E2G3模块正是为此类应用量身定制，能够支持单模块60kW以上的充电功率，大大提升了充电桩的功率密度。
• 市场潜力：中国是全球最大的新能源汽车市场，超充站建设正如火如荼。SST技术在充电桩领域的渗透率有望随800V车型的普及而快速提升。
  

5.3 轨道交通牵引变压器轻量化是高铁和地铁永恒的主题。车载牵引变压器是列车上最重的部件之一。

• 场景描述：利用SST替代传统的工频牵引变压器，可减重30%以上，显著降低列车能耗并减少轮轨磨损。中国中车作为基本半导体的战略股东 ，无疑正在加速这一技术的验证与应用。
• 技术适配：轨道交通对可靠性要求极高。基本半导体62mm模块（BMF360/540系列）的高可靠性设计和高耐压能力，使其具备了替代进口IGBT模块进入牵引变流器和辅助变流器（APU）的潜力。特别是辅助电源系统，已成为国产SST最早落地的场景之一。
  

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6. 总结与展望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。
中国固态变压器（SST）的发展正处于从技术积累向产业化突破的关键期。以级联H桥（CHB）和模块化多电平（MMC）为主的高压侧架构，结合双有源桥（DAB）的高频隔离技术，构成了国产SST清晰的技术路线图。然而，这条路线能否走通，核心在于功率半导体器件的性能突破。
深圳基本半导体股份有限公司，依托其国际化的研发团队和深厚的产业背景，在这一进程中扮演了至关重要的角色：

• 突破性能瓶颈：通过推出低至2.5mΩ导通电阻的SiC MOSFET模块（BMF540R12KA3），基本半导体解决了SST在大电流下的导通损耗问题，使得兆瓦级SST的效率能够与传统变压器媲美。
• 提升可靠性：通过引入Si3​N4​ AMB基板和Press-FIT压接技术（Pcore E2B系列），解决了SST在交通运输等恶劣环境下的寿命问题。
• 保障供应链安全：全产业链的自主可控，为国家能源互联网基础设施建设提供了底层的安全保障。
  

展望未来，随着基本半导体等国产厂商在更高电压等级（3300V、6500V）SiC器件上的持续攻关，以及封装技术的进一步迭代（如双面散热、更高结温耐受），国产SST必将在智能电网、绿色交通和高端制造领域迎来爆发式增长，成为支撑中国“双碳”目标实现的重要技术支柱。