在APEC(国际电力电子应用会议)上，固态变压器(SST)技术引发了广泛讨论，这表明整个行业在未来几年或将转向更协调一致的研发努力。近期，至少有三家SST初创公司——DG Matrix、Amperesand和Heron Power——共筹集了2.8亿美元资金。此外，许多电力电子系统供应商已在投资SST项目，包括ABB、日立、西门子、Vernova、伊顿、通用电气、施耐德电气、三菱和台达电子。上述公司中，许多正作为电力系统组件供应商与Nvidia积极合作。

这是因为SST被视为下一代800 VDC数据中心配电架构的关键赋能技术。事实上，开放计算项目(OCP)已在OCP欧非中东峰会的一场联合主题演讲中，发布了其关于低压直流(LVDC)配电的首版白皮书。该白皮书对SST给出了明确定义：

“固态变压器(SST)被定义为一种兆瓦级电力电子变换器，旨在取代传统的50/60Hz工频变压器和整流单元(隔离或非隔离)。SST的显著特征包括采用中高频磁性元件/变压器(MFT/HFT)，并由碳化硅(SIC)或新兴的氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体实现。”

数据中心配电：从今天到明天

当前，数据中心使用工频变压器(LFT)作为中压(MV)开关设备，将来自电网的中压电力(13.2 kV 或 34.5 kV)降压至低压(LV)，即480 V AC。480 V交流电被输送到低压开关设备，然后送至不间断电源(UPS)进行电力调节和电网扰动期间的穿越。UPS向配电单元(PDU)供电，PDU再将480 VAC分配给各个机架。机架随后将输入的交流电转换为机架的直流母线电压，这一电压过去是12V，但正朝着48V及更高电压发展。

展望未来，人们开始使用侧挂机架将480 VAC直接转换为800 VDC(图1)。有人可能会问这样做的动机是什么?本质上，是因为以48V电压向机架输送1MW电力需要约20,800A的电流;在如此大的电流下，所需的铜材(例如母线和电缆)在物理上变得不切实际。而在800 VDC下，输送同样的1MW功率仅需1,250A电流。

图1

此外，侧挂机架被放置在尽可能靠近IT机架的位置。正如前述OCP白皮书所述，以Mt. Diablo侧挂机架为例，它仅通过1米长的互连电缆提供800 VDC母线。然而，这仍然是一种“近期架构”。

在“中期”，SST将取代侧挂机架，直接将中压电网转换为800 VDC(图2)。英飞凌预计，SST将取代传统变压器市场(目前价值150亿美元)的一部分，特别是小型电力变压器，到2030年其预期市场价值可达10亿美元。

图2

一个可行的第一阶段选项

需要注意的是，OCP将SST视为一个可行的第一阶段选项，而不一定是未来的愿景，将SST定位为LVDC数据中心配电的一种可行选择，但并非强制要求。未来的阶段则聚焦于“中压与数据中心所有设备之间的全直流配电”。如图3所示，虽然SST可以成为数据中心LVDC未来的一部分，但“也可以使用中压/低压变压器与AC/DC变换器相结合的方式”。

图3

可靠性、安全性、效率和功率密度方面的障碍

在APEC期间，许多供应商花时间深入讨论了SST技术，特别是在数据中心的背景下。正如Vertiv工程总监Brian Heiberg在今年全体会议上讨论SST时所说：“归根结底，我们必须找到一个解决方案，能够实现从34.5 kV到800 VDC、功率在3-5MW级别的转换。”

他还谈到了数据中心一些相当关键的考量因素，指出SST需要证明其可靠性、效率和功率密度，才能在数据中心领域真正发挥作用。此外，需要共同努力找到一种良好的LVDC配电和保护方法——“标准需要迎头赶上，并以行业的速度发展，而目前它们严重滞后。”

OCP的LVDC白皮书也提到了在达到训练型AI数据中心99.9%和推理型AI数据中心99.999%的目标可靠性时所面临的挑战。白皮书指出，电力电子组件(例如电源架、UPS等)是数据中心中故障率最高的部件——迄今为止，这一问题一直通过N+1电源模块等策略来管理。“然而，直流配电不允许UPS进行维护旁路策略，因此需要在电源模块级别实现冗余。”

在弥补这一差距的同时，还要实现数据中心部署所需的功率密度提升，这成为下一代SST设计面临的一个决定性工程挑战——苏黎世联邦理工学院的Johann Kolar教授将其目标描述为1 MW/m³的功率密度，同时损耗比当前最先进的SST降低30%。

另一个显著的局限可能是功率密度和效率。根据Kolar教授在APEC 2026专业教育研讨会上展示的分析，第一代两电平SST目前已达到约0.1 MW/m³的功率密度，效率为98-98.5%——这一性能与基于传统干式LFT的MVAC-LVDC接口大致相当，但在额定功率下尚未达到LFT超过99%的效率曲线(图4)。

图4

隔离对于安全也至关重要。当连接中压和低压时，两侧必须电气隔离，以保护人员和设备。在传统链路中，LFT提供固有的隔离;而对于SST，隔离则由隔离型DC/DC级内部的高频变压器提供。TDK的全球销售发展总监Anirban Roy进一步强调了隔离的重要性：“我听说SST制造商面临的最大挑战是中压高频变压器，他们需要三倍的绝缘强度。因此，对于典型的35kV电压，需要100kV的绝缘，这是非常高的要求。”

正在取得的进展

尽管如此，克服这些障碍的进展正在快速取得。根据OCP的LVDC白皮书，SST作为直流配电系统，由于其相对较低的电感，可以表现出良好的动态性能。它们能够将来自交流电源到直流配电网的故障电流控制并限制在额定电流的小倍数(例如1.5倍)内，并将持续时间限制在几百毫秒。

这意味着SST实际上可以通过使故障电流可控来简化保护架构。这一点在《电力电子新闻》(PEN)对DG Matrix创始人的采访中也得到了讨论，他们表示其SST能够实现数十纳秒级别的控制速度来处理异常情况，并同时协调多个电源和负载。DG Matrix的SST似乎是首个获得Nvidia MGX生态系统认证的SST——据许多专家称，这一行业努力极大地加速了数据中心技术的设计和部署。

在全体会议期间，Vertiv的Heiberg表示，SST最流行的拓扑结构似乎是：

使用模块化多电平变换器(MMC)和级联H桥在中压侧(13.2/34.5 kV 至 中压直流母线)进行AC/DC整流。

使用双有源桥(DAB)进行带隔离的高频DC/DC变换(中压直流母线 至 800 VDC)。

Navitas的展台展示了一个与洛桑联邦理工学院(EPFL)合作构建的SST的第一级，使用了他们的1.2 kV和3.3 kV GeneSiC FET(图5)，但不包括隔离型DC/DC变换器。“你将多个模块堆叠在一起以处理10kV电压，”EPFL的发言人说。每个模块处理总中压的一部分，它们的输出并联在一起，以在800 VDC(或更高电压)下提供所需的电流。

图5

成熟的高压SiC市场

这种模块化似乎是关键，不仅是为了处理更高的中压输入，也是为了安全。根据OCP的LVDC白皮书，需要新技术和架构来实现这些可靠性水平。例如，主要构建模块，如SST、UPS和BBU，正朝着由具有热插拔能力的“更低级别的模块化子模块”组成的解决方案发展。

所需单元的数量直接由每个模块内使用的SiC器件的电压等级决定。值得注意的是，DG Matrix的联合创始人兼首席技术官Subhashish Bhattacharya博士曾公开承认首个商用10 kV SiC mosfet(由Wolfspeed开发)的重要性，称这一发展为“未来几代SST在该关键电网接口的赋能技术”。

然而，当被问及DG Matrix是否打算集成该技术时，他谨慎地表示：“DG Matrix当前的设计不打算集成10 kV器件。但是，DG Matrix拥有足够的知识，在未来市场需求需要时这样做。更高电压的SiC也往往受到出口管制，这可能使国际发货变得困难一些。”

最近的一份新闻稿指出，DG Matrix选择了英飞凌作为其SST平台的关键SiC供应商。目前，英飞凌提供高达2 kV电压等级的SiC;然而，英飞凌工业与基础设施市场总监Michael Williams表示，2.3 kV和3.3 kV技术“将于今年夏天及今年晚些时候推出”。不过，首批发布的产品将不带.XT技术(图6)，这是一种扩散焊接芯片贴装技术，目前可用于其第五代1.7 kV IGBT和第二代1.2 kV CoolSiC。据Williams介绍，.XT技术可以“以5%的成本溢价，实现功率循环寿命22倍的提升”。对于寻求SST能够达到其所替代的LFT超过20年使用寿命的数据中心运营商来说，这项技术可能是一个极具吸引力的选择。

图6

无论如何，整个行业都在推动更高电压的SiC器件，以使市场成熟，从而让SST系统设计人员在相同功率吞吐量下可以选择使用更少的模块，同时保持确保系统级可用性、可靠性和成本所必需的工程保守性。

有趣的是，行业似乎大致收敛于250 kW这个功率水平，作为单个SST模块的构建块尺寸，这很可能归因于SiC器件、热管理和成本限制。瑞萨电子的电力系统架构与营销高级总监Pietro Scalia将其与早期的电动汽车牵引逆变器市场做了一个有趣的类比，他说：“当我们做汽车电气化时，300 kW是一个神奇的数字，每个人都从这个起点开始并发展壮大。现在，每个人在SST上都从250 kW开始。”情况可能如此，以便通过参考架构为早期技术采用者锚定供应链。

更短的交货时间，更低的价格

还有另一个因素需要考虑：交货时间。由于供应链限制和高需求，LFT的交货时间可能长达一年或更久。SST则完全规避了这个问题，因为它不需要像LFT那样大量的原材料投入。

然而，它们仍然比LFT更昂贵。TDK的Roy强调了这一点：“目前，SST的价格是普通变压器的两倍。”但他相信，随着整个SST生态系统市场动态的发展，价格将会降低。“有许多参与者从不同角度进入，不仅仅是初创公司，还有光伏制造商、UPS制造商和变压器制造商。他们都在进入SST领域，”Roy说。TDK风险投资公司也投资了SST初创公司Amperesand，这解释了Roy在APEC上以SST为中心的参展商演讲。

Roy认为数据中心是STT的首个重要应用，其次是电动汽车充电和微电网。瑞萨的Scalia也表示：“SST将成为明年APEC会议的主旋律——我现在就可以告诉你这一点。”可以肯定的是，今年APEC上的这些讨论很可能会积聚动力，就像过去几年围绕数据中心的讨论从WBG半导体和汽车领域转移过来一样。