碳化硅固态变压器在城市轨道交通整流站的应用前境

龚学长

碳化硅固态变压器在城市

轨道交通整流站的应用前境

龚 学 长

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。

碳化硅半导体器件，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。

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。

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%，在5MW满载下，总损耗约为 18.5 kW。密度达到 2.53 W/cm³。

SiC固态变压器典型工作流程分为三个阶段：

1. 输入整流级（AC/DC）：先将输入的工频交流电（如电网的35kV交流电压）整流为约49kⅴ的直流电压。

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。

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，如地铁站的1500V直流。

由于高频变压器和其中的电感、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）。

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。

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，高压侧的高频方波逆变变换为整流模似；1中的整流变为交流逆变。

各模块只需调整全桥的导通顺序和导通时间，就能自动实现整流和逆变功能的相互转换。

　 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。

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。

· 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。

· 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

　　如果常规碳化砖固态变压器的前两级模式保持不变，将末级DC/AC取消，变为AC/DC，DC/AC/DC两级模式，直接输出1500或800V直流电压。一台碳化硅固态变压器就可代替地铁24脉冲整流站中的两台油浸式整流变压器和整流柜。由于该碳化硅固态变压器少一级变换器，因此比常规碳化硅固态变压器的可靠性和效率都更高，变压器的成本也更低。

在AI数据中心应用中，碳化硅固态变压器直接将中压交流电(10~35kv)转换为服务器所需的800V高压直流，简化了供电链路，提升了效率。

因此将碳化硅固态变压器应用在地铁整流站中有如下优点。

1、由于碳化硅固态变压器的体积和重量都比原电磁感应式变压器小得多，一台碳化硅固态变压器能代替原24脉冲整流的两台整流变压器和24脉冲整流柜，将显著节省宝贵的地铁地下整流站的空间。

2、可以大大提高整流站的功率因数和减少谐波电流。碳化硅固态变压器采用了有源PWM整流模式，使电源电流近似于正弦波，功率因数近似为1。避免了24脉冲整流在轻负载时功率因数非常低(小于0.7)现象。

3、减化了地铁整流站的一次接线方式，使复杂的24脉冲整流站变成一个简单的变配电站。

4、当地铁运行列车中，某些列车向牵引网反馈制动的电能大于其它牵引列车所需的牵引能量时。碳化硅固态变压器检测到牵引网直流电压高于某一值时，它迅速调整各模块的工作模式，碳化硅固态变压器变为能量逆向传送，将牵引网中多余的直流能量反送到电源糸统中，使列车的返馈制动更加可靠。

随着碳化硅元件和碳化硅固态变压器的迅速发展，不久的将来，地铁交通中一定会用碳化硅固态变压器代替现有的变压整流设备。

2026年10月14日于绵阳