<p class="ql-block" style="text-align:center;">用碳化硅固态变压器替代电力机</p><p class="ql-block" style="text-align:center;">车油浸电磁感应式变压器的探讨</p><p class="ql-block" style="text-align:center;">龚 学 长</p><p class="ql-block"> <span style="font-size:18px;">碳化硅(SiC)固态变压器本质上是利用碳化硅功率器件的高频开关能力和高频电力电子的多次变换技术，替代传统变压器的工频电磁感应。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:18px;"> 它先将电源系统的50HZ交流电能整流为直流电，再利用碳化硅功率器件变为高频交流，通过高频交流变压器隔离变压和整流变为所需直流电压后，又由碳化硅功率元件变为所需的交流电源，从而实现电压变换和电气隔离，同时获得传统工频变压器无法达到的小型化、高效率和智能化控制的能力。</span></p><p class="ql-block"> 碳化硅半导体器件，是实现这一高频变换的物理基础。它具有击穿电压高、低开关损耗和耐高温的特性，能够高效地处理高电压并支持极高的开关频率，这是传统硅（Si）器件难以做到的。</p><p class="ql-block"> 其中的高频变压器及固态变压器中涉及到的电感和电容元件的体积与工作频率成反比。将频率从50Hz提升至数十kHz，理论上可以使磁性元件（铁芯、绕组）的尺寸缩小数百倍。这正是SiC固态变压器能够实现体积和重量大幅缩减（可至传统方案的1/3甚至更小）的根本原因。同时，高频化也带来了更快的动态响应速度（毫秒级）。</p><p class="ql-block"> 与传统变压器相比，SiC固态变压器除了常规电磁式变压器的变压、隔离和双向功率流动外，它还能主动实现功率因数校正、无功补偿、谐波抑制，这些都是传统变压器不具备的功能。其系统效率也可达到98%以上。</p><p class="ql-block"> 由国家电网主导，属于国家重点研发计划的验证工程35千伏/5兆瓦碳化硅柔性变电站，河北保定于2022年9月投运，已转入常态化商业运行。该碳化硅变压器的能量变换效率达到 99.63%，<span style="font-size:18px;">在5MW满载下，总损耗约为 18.5 kW</span>。密度达到 2.53 W/cm³。</p><p class="ql-block"> SiC固态变压器典型工作流程分为三个阶段：</p><p class="ql-block"> 1. 输入整流级（AC/DC）：先将输入的工频交流电（如电网的25kV交流电压）整流为约30kⅴ的直流电压。</p><p class="ql-block"> 采用有源PFC或高频PWM的整流方式，可使交流电源输入电流近似于正弦波，功率因数近似于1。</p><p class="ql-block"> 2. 隔离变换级（DC/AC/DC）：这是核心环节。直流电被SiC器件逆变为高频方波交流电（AC的频率可达10kHz至100kHz甚至更高），再通过一个体积很小的高频变压器进行电气隔离和电压变换，随后重新整流为低压侧所需要的直流电压，如电力机车的1500V直流电压。</p><p class="ql-block"> 3. 输出逆变级（DC/AC）：根据负载需求，将直流电压转换为所需电压等级和电源频率的交流电压。如加上变频控制，就可实现变频输出。</p><p class="ql-block"> 当碳化硅固态变压器进行逆向功率传输时，3中的直流变交流变为整流模式，将低压侧输入交流变为直流；中间级的低压侧整流变换为高频逆变，高压侧的逆变变换为整流模似；1中的整流变为交流逆变。这些功能变换只需调整全桥模块的导通相位，就能自动实现整流和逆变功能转换。</p><p class="ql-block"> 由于其高功率密度和智能化特性，SiC固态变压器正率先应用在以下领域：</p><p class="ql-block"> AI数据中心：直接将中压交流电转换为服务器所需的800V高压直流，简化供电链路，提升效率。</p><p class="ql-block">· 电动汽车超充站：作为电网接入的核心设备，替代笨重的工频变压器，节省宝贵空间。</p><p class="ql-block">· 轨道交通与智能电网：用于车载牵引系统或作为连接可再生能源的智能接口。</p> <p class="ql-block"> 中压(10kV~35kV)碳化硅固态变压器已实际挂网运行的容量为 10MW。此外，更大容量（20MVA）的产品处于样机或规划阶段。</p><p class="ql-block"> 35kV / 7MW：臻驱科技旗下子公司已发布该产品，采用3.3kV全SiC功率模块，目前处于样机或小批量阶段。</p><p class="ql-block">· 35kV / 10MW：主要是全碳化硅设计方案，多针对算力园区或光储场景。</p><p class="ql-block">· 35kV / 20MW：国内已有企业掌握该等级的工程化技术，并应用于示范工程。</p> <p class="ql-block"> 如果碳化砖固态变压器的AC/DC，DC/AC/DC，DC/AC的前两级模式不变，将末级改为DC/变频AC的交流输出，并增加变频控制功能。一台固体变压器就可代替电力机车上现在的油浸式降压变压器，整流柜和变频柜了。</p> <p class="ql-block"> 因此只要将现有的碳化硅变压器的末级DC/AC改为可控的变频输出，就可直接驱动牵引电机，从而省略中间庞大的工频变压器、直流环节和独立的牵引逆变器。这能显著减轻机车重量、节省空间。</p><p class="ql-block"> 2014年，已有“基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统”的专利申请，其中明确提及使用SiC MOSFET构建谐振变换器。</p><p class="ql-block">· 另外碳化硅固态变压器用在电力机车上还有输入电压多元化的优点。它不仅可以直接输入交流25kV，还可以输入直流电压35kv。因为25kv交流整流后的最高直流电压约为35kv。这为电气化铁络牵引网实现中压直流(35kv)供电打下基础。</p><p class="ql-block"> 由于固态变压器的输入工作电压范围很宽，经过专门设计，只要变换元件的电流沉余容量足够，还可输入欧洲的15kv，频率16.667Hz的交流电压。如果将1500直流端子引出，就满足欧洲一台机车不仅有25kv，50Hz交流，还有15kv，16.667Hz的交流和1500直流的三电源要求了。</p><p class="ql-block"> 碳化硅固态变压器的逆向传输功能，同样满足电力机车的再生制动。再生制动时，只需改变碳化硅固态变压器各级模块的控制相位，牵引电动机发出的交流电能就反向送入牵引网中，直接实现再生制动功能。</p><p class="ql-block"> 随着碳化硅固态变压器的快速发展，不久的将来，电力机用碳化硅固态变压器一定会实现。</p><p class="ql-block" style="text-align:center;">2026年10月6日</p>