固态变压器，需要怎样的功率器件

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）近日，芯联集成宣布基于自研8英寸SiC工艺平台，推出3300V SiC MOSFET器件。该器件面向固态变压器（SST）等高压、高功率密度、高可靠性应用场景深度定制，芯联集成表示目前已向核心客户送样验证。

浙江晶能微也在近期宣布推出自研SST功率模块，并提出“AI级SiC模块”的新标准。

随着AI算力的爆发式增长，单颗芯片功耗持续飙升，超大型数据中心对供电系统的高效性、可靠性提出了极致要求。在英伟达推动的800V DC高压直流架构中，由于传统的工频变压器只能在交流电路中使用，为了减少AC/DC转换次数，数据中心供电架构中就需要引入SST。

传统硅基 IGBT 因耐压不足、损耗偏高，难以满足 SST 对高效、紧凑、可靠的核心需求。而SiC材料 10 倍于硅的击穿场强、更低的导通损耗与更高的开关频率特性，使其成为kV级高压应用的理想选择。

今年以来，面向SST应用的高压SiC产品陆续面世，多家厂商都推出了从3.3kV到10kV的SiC器件，这也意味着，SST正在成为SiC的新战场。

固态变压器需要怎样的功率器件

首先我们来看看SST在数据中心供电架构中的位置。

从415 VAC（上）到800 VDC配电（下）的转换示意图，图源：英伟达

传统的数据中心供电架构中，来自电网的13.8kV-35kV中压交流电先通过工频变压器降压至480V AC，480V AC电进入AC UPS后，经过配电单元再次降压至415V AC，随后经过交流配电将电能分配到计算机架或储能模块，最后在计算机架上通过PSU，将415V AC转换成54V DC供给计算托盘，由板级DC-DC转换器完成最终的电压调节。

可以发现，传统的架构中需要经过非常多级的电能转换。众所周知，AC/DC和DC/DC转换过程中，都会产生能量损耗。每增加多一级转换步骤，整个系统的转换效率都会打折扣。

而800VDC架构中，首先来自电网的13.8kV-35kV中压交流电，通过SST直接转换成800VDC，通过直流配电将电能分配到各个计算机架或储能模块，800VDC直接引入计算托盘，最后在板上完成800VDC-12VDC的降压。

相比传统架构的多级转换，在800VDC架构中仅保留了两个主要部分：电网侧到数据中心供电系统的13.8kV-35kV AC转换为800VDC；计算托盘主板上的800VDC转换为12VDC。

大幅简化的供电架构，令端到端的电能传输效率大幅提高，降低损耗的同时，也简化了整个供电系统的部件数量，提高可靠性。

那么SST的核心作用，就是将电网侧到数据中心供电系统的13.8kV-35kV AC转换为800VDC。

电网侧输入电压高达35kV，但目前市面上的SiC器件、模块等耐压似乎都无法满足。不过也可以采用小功率模块串联分压的形式。

比如此前电子发烧友网报道了Enphase推出的IQ SST，就采用了大量小功率模块分布式组合的结构，单机架集成数百个小功率转换模块。而其中核心的器件是GaN HEMT双向开关，输入端采用多模块交流侧串联分压，单模块AC应力仅约 300V，选用650V 耐压GaN BDS即可覆盖前端 AC 整流变换。输出端则采用并联的形式，提升功率输出能力。

所以目前行业存在两种SST路线：大量低压小模块方案与少数高压SiC大功率模块方案。多小模块架构虽然动态响应、供应链、可靠性优势突出，但也存在整机硬件复杂度高、轻载损耗偏大等短板。

另外，从架构上看，传统SST采用三级架构，第1级高压AC-DC整流；第2级高频隔离DC-DC（DAB）；第3级低压DC-DC稳压输出。

而采用大功率模块方案，可以用10kV、3.3kV耐压的SiC MOSFET，利用少数模块来实现前端的AC/DC。SiC高耐压、开关损耗低，耐高温能力强，非常适合高压侧的SST模块。而DC/DC输出级，需要高效率和动态响应，所以部分SST会采用SiC、GaN混合的方案，在中高压采用SiC MOSFET，输出级采用GaN BDS。

单个SiC MOSFET或者模块的耐压高，也就能够减少整体模块的数量，从而降低系统复杂性。

不过Enphase推出的IQ SST，则采用了创新的方案，把电网侧整流、高频隔离变压器、直流稳压合并在同一个功率模块中，一步完成中压电网AC到800V DC，取消了传统的三级架构，每个小模块都能完成完整的“AC-DC、DAB、DC-DC”流程。

总体来说，数据中心SST对于SiC、GaN这些第三代半导体功率器件是刚性需求，在一定条件下，器件耐压越高，可减少串联级数，从而在一定程度上简化系统结构，但系统复杂度仍主要取决于拓扑与控制架构。

10kV器件陆续发布

为了满足未来市场对于SST的需求，今年以来多家厂商推出了10kV的SiC MOSFET器件。

今年3月，Wolfspeed宣布推出业内首款可商用的10kV SiC功率MOSFET，型号为型号CPM3-10000-0300A。据称作为全球首款解决10kV SiC MOSFET双极退化难题的商用产品，该器件可稳定支持体二极管工作，这一特性对中压UPS系统、风电变流器及SST等关键应用至关重要。

在可靠性方面，该器件表现尤为突出。通过本征时间相关介电击穿（TDDB）寿命分析显示，在20V连续栅极偏置电压下，其预计运行寿命可达15.8万年，远超传统硅基IGBT器件，彻底解决了高压场景下器件可靠性不足的行业痛点。同时，该器件具备超快开关速度，上升时间小于10纳秒，可有效替代传统机械火花隙开关，消除电弧损耗，提升脉冲功率传输的精准度。

系统级价值上，这款10kV SiC MOSFET实现了全方位突破：可将系统成本降低约30%，通过简化拓扑结构，将多单元设计整合为更少单元，甚至可将三电平逆变器 downsizing 为两电平拓扑；功率密度提升超过300%，开关频率从传统的600Hz提升至10kHz，大幅简化控制与栅极驱动电路，同时缩小磁性元件体积；系统级散热需求降低高达50%，凭借99%的转换效率，大幅简化热管理系统，降低整体能耗。目前，该器件裸片已开放客户采样与资格认证，正式进入商业化落地阶段。

同在今年3月，安海半导体宣布其研发的6.5kV/40mΩ与10kV/130mΩ系列碳化硅MOSFET芯片实现量产，而且两款产品良率均突破80%大关。其中6.5kV芯片击穿电压超7.5kV，晶圆级测试额定阻断电压下漏电流小于100nA，导通电阻低至40mΩ；10kV芯片击穿电压超12kV，晶圆级测试额定阻断电压下漏电流同样小于100nA，导通电阻低至130mΩ。

2025年6月，瞻芯电子与浙江大学在国际功率半导体器件和集成电路研讨会（ISPSD 2025）上，联合发表了10kV等级SiC MOSFET的最新研究成果，相关论文还被IEEE Transactions on Electron Devices接收。

该款10kV SiC MOSFET基于瞻芯电子第三代平面栅工艺平台生产，单芯片尺寸达10mm×10mm，导通电流接近40A，击穿电压超过12kV，是目前公开发表的最大尺寸10kV等级SiC MOSFET芯片，其比导通电阻小于120mΩ·cm²，接近SiC材料的理论极限，有效解决了高压器件击穿电压与导通电阻之间的矛盾，为高压固态变压器等场景提供了核心支撑。

小结

SST对功率器件的本质要求并不是单纯“高耐压”，核心要求是在10kV或以上的电网电压条件下实现可扩展的模块化串联电压能力，同时在低压侧保持高频开关能力与高效率双向能量流控制能力。但同时从系统的角度来看，高耐压的SiC MOSFET能够为SST带来一些优势，这也是为什么目前各大企业开始布局kV高压SiC器件，但同时也在探索一些新的架构。

固态变压器，需要怎样的功率器件图2

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