全球领先的基于微型逆变器的太阳能和电池系统供应商 Enphase Energy，正通过其 IQ 固态变压器 (IQ SST) 将其分布式电源架构引入人工智能数据中心。Enphase 是太阳能微型逆变器的先驱，也是首家将基于氮化镓双向开关 (GaN BDS) 技术的微型逆变器商业化的公司。该平台于 2026 年 4 月发布，使 Enphase 与不断壮大的 SST 初创公司(包括 DG Matrix、Heron Power 和 Amperesand)展开直接竞争。所有这些公司都在竞相解决同一个问题：如何高效、可靠且足够快速地为下一代人工智能机架提供兆瓦级电力，以应对每秒数次从空闲到满功率波动的负载。

竞争对手主要基于碳化硅 (SIC) 构建，而 Enphase 则采用基于氮化镓的分布式功率转换，并借鉴其 20 年来出货近 9000 万台微型逆变器的经验来证明其方案的可行性。全面系统演示的目标时间是 2026 年底，计划于 2027 年进行客户试点，预计 2028 年实现批量出货。

为什么需要 SST?

SST 是一项新兴技术，直接针对当前将中压 (MV) 13.8 kV 和 34.5 kV 电网连接到计算机架的两个主要组件：工频变压器 (LFT) 和侧挂机架。SST 获取电网电力，并将其直接转换为低压 (LV) 800 VDC(图 1)。英飞凌估计，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，预计到 2030 年，SST 的市场价值将达到 10 亿美元。

图1

分布式架构

大多数 SST 制造商倾向于使用更少、功率更高的模块。他们的论点基本上是：模块越少，复杂性越低。这根本上依赖于所使用的宽带隙 (WBG) 功率半导体：碳化硅 (SiC)。

Enphase 采取了不同的方法，而是大规模使用氮化镓双向开关 (GaN BDS)。每个 1.25 MW 的 SST 机架结合了 342 个智能 4 kW 功率模块，这些模块以协调的串联/并联三角形配置运行(图 2)。这是对 Enphase 历经九代微型逆变器不断完善的分立式架构的直接扩展。除了 GaN BDS，每个功率模块还采用 Enphase 的第五代 Kestrel ASIC，这是一款定制的 22 纳米控制芯片，首次部署于 IQ9 微型逆变器。

图2

据 Enphase 称，选择 GaN BDS 而非大多数 SST 竞争对手青睐的 SiC 器件，是其性能声明的核心：

控制带宽 > 10 kHz

10 年保修

342 个模块均可热插拔维护

磁性元件

IQ SST 功率模块的额定连续峰值功率为 4 kVA，GaN BDS 的平均开关频率超过 250 kHz，峰值可达 500 kHz。更高的工作频率将缩小无源元件(例如共模扼流圈、电感等)的尺寸。Enphase Energy 联合创始人兼首席产品官 Raghu Belur 在接受《电力电子新闻》独家采访时表示："当它们变得越来越小时，这确实会直接降低成本。"

磁性元件嵌入在功率模块内部。Belur 表示："这是一个非常复杂的磁性元件，因为我们必须处理局部放电问题。" SST 设计中更具挑战性的工程难题之一是隔离，具体来说，是如何在高频变压器中安全地跨越中压域和低压域之间的间隙而不引发局部放电。局部放电是一种渐进式绝缘击穿，最终可能导致故障。

然而，由于 342 个功率模块以三角形配置连接(每相 114 个模块)，交流侧的每个模块仅承受约 300 V 电压(300 × 114 ≅ 34.5 kV)，而不是中压网络全部的 34.5 kV。在直流侧，每个模块承受 800 V 电压，以同时支持 NVIDIA 的 800 VDC 标准和 OCP Mt. Diablo ± 400 VDC 标准。这使得磁性元件和隔离问题的挑战性大大降低。Belur 说："我们在变压器外部没有任何爬电距离和电气间隙问题。我们需要确保的是变压器完全没有局部放电。这就是我们正在做的产品化工作——确保诸如此类的问题得到解决。"

采用硅灌封胶的环境空气冷却

与 IQ9 微型逆变器类似，Enphase 的 IQ SST 采用双有源桥 (DAB) 串联谐振单级拓扑结构，具有完全软开关换向。"由于我们使用氮化镓并通过谐振拓扑进行软开关，这使我们能够实现 ZVS(零电压开关)和 ZCS(零电流开关)，并且我们的 EMI 特征极低。所以我们的整个功率模块都装在塑料外壳中。"

采用塑料外壳是一个大胆的举动，因为它需要非常安静的功率转换和低功率损耗，因为没有金属外壳来散热。但 Enphase 在这项设计上早已超越了实验阶段，因为它也用于 IQ9 微型逆变器。Belur 说："我们每个季度用标准的拾放机和自动化生产线制造数百万个这样的模块。非常传统的制造，成本很低，没有什么奇特之处。"

更引人注目的是，整个 SST 采用环境空气冷却。"在热管理上分而治之。你只需要处理 4 kW 的热管理。所以我们把它放在硅胶灌封胶中，就像我们对所有微型逆变器所做的一样。我们的微型逆变器所处的环境要严酷得多——它们被放在亚利桑那州的屋顶上，但仍然必须良好工作。这降低了热管理成本。"

可靠性

342 个模块分为三组，每组 114 个模块，每组串联在三相中压输入的一对相线之间：线 1 到线 2、线 2 到线 3、线 3 到线 1。这种三角形配置意味着每个模块仅承受总中压的一小部分，从而保持较低的模块电压应力。

这也意味着存在固有的冗余设计。"要达到 1.25 MW，你不需要全部 342 个模块。我实际需要的少 10%。"342 个模块的计数包含了内置的 10% 冗余缓冲;换句话说，系统只需大约 309 个模块就能提供完整的 1.25 MW 功率，留下约 33 个模块作为故障余量。Belur 引用他们的微型逆变器现场数据说："我不期望失效率接近 10%，因为目前我们的失效率是每百万个部件 500 个 defective。即每年 0.05% 的失效率。在 10 年内，我们预计这 342 个模块中最多只有两个会发生故障。"

另一个需要考虑的因素是，由于系统采用较低电压和较低功率，因此可以热插拔，故可更换故障模块。据 Belur 称，每个模块重 4 磅，"所以你可以像插拔刀片服务器一样，拔出一个再插入另一个。" 请注意，对于依赖高压 SiC 的更大、更 monolithic 的转换器来说，这可能没那么简单。虽然使用更少的模块可能有助于实现更高效的解决方案，但可能不利于模块化和热插拔性。

OCP 似乎也鼓励采用"较低级别模块化子块"的解决方案，以实现数据中心的高可靠性。然而，效率指标的重要性怎么强调都不为过——将损耗从电网端降低到 AI 处理器端，是向 800 VDC 架构转变的全部理由。挑战在于如何在效率和可靠性之间取得平衡，尽管这些不一定是相互冲突的设计目标。

Belur 说："我们将为此提供 10 年保修，这是我们实现目标中的 5 个 9 可靠性(99.999% 正常运行时间)的方式。系统本身是一个非常可靠的单元;它具有惊人的正常运行时间。"

也许与直觉相反，Enphase 是通过开环系统实现这种可靠性水平的。Belur 说："这是一个具有预测控制的单级谐振转换器。这种预测控制意味着我们在纳秒级别合成控制向量。预测控制也意味着它不是双级闭环系统——它实际上是一个完全开环的系统。"

控制向量本质上是发送给开关设备的一组指令，例如何时开启/关闭、相位角和时序。这些操作在纳秒级别内完成，以跟踪和管理以 4 到 5 Hz 频率发生的负载变化，而没有任何可感知的延迟。凭借现场约 9000 万个单元，Enphase 拥有海量数据;单级谐振转换器的预测控制模型得到了极其充分的表征。

移除侧挂机架：淘汰 BBU 并缩小 CBU

Belur 表示，该拓扑结构支持亚毫秒级响应。"看看训练数据中心——那个巨大的动态负载问题——它以 4 到 5 Hz 的频率在 10% 到 100% 之间摆动。" 这种快速波动(图 3)必须被某个地方吸收，而将其反馈回电网是不可行的，因为电网运营商不会允许具有这种变化水平的互联。因此，数据中心运营商必须在机架层面安装本地储能，即电容器备用单元 (CBU) 和电池备用单元 (BBU)，以缓冲这些波动，提供几秒钟的吸收或保持时间。吸收指的是吸收或提供突发能量的能力，而保持时间是指电源在输入源中断或移除后能够持续提供输出功率的时间。

图3

BBU 本身带有设计挑战，因为它们在主用电力中断时提供延长的保持时间，这就需要额定值在 15C 到 20C 的高 C 倍率电池。在这些 C 倍率下，电池会迅速退化。此外，要将一个足够大以存储有意义能量的电池安装在侧挂机架内，物理上是不可行的。

Belur 说："由于我们的响应时间亚毫秒级，在远程 BESS 能够响应之前，我们只需要 1 到 10 毫秒的保持时间。" 换句话说，由于 IQ SST 对负载波动的反应速度比波动传播的速度还快，这些瞬态可以反而被反射回位于中压园区网络上的 BESS，该 BESS 可能距离数据中心建筑一英里远。Belur 继续谈到远程 BESS 的话题："它可以做它本应做的事，以正常的 C 倍率运行——比如 0.5 C 或 0.2 C。"

这意味着可以使用小得多的 CBU 并完全淘汰 BBU。Belur 说："我可以真正地淘汰侧挂机架，并将 CBU 缩小 10 倍，甚至 100 倍。一个非常小的 CBU 可以成为计算机架本身的一部分，因为我只需要 1 到 10 毫秒的保持时间。"

Belur 还指出，一些 SST 公司可能正在做出一种妥协，即将电池从侧挂机架重新安置到 SST 本身。"这会引发一大堆其他问题，因为会有非常高的循环电流，会有很大的 EMI 问题，并且必须处理可能产生无限电流的故障电池。" 他认为，更干净的解决方案是将 BBU 完全从低压网络中移除。

需要注意的是，其他 SST 公司通过将 BESS 集成到其 SST 中，已经实现了亚微秒级的响应时间。然而，这可以看作是重新安置了 BBU 功能，而不是消除了它。

氮化镓双向开关 (GaN BDS)

作为实现 GaN BDS 技术的先驱，Enphase 通过采用多供应商方法建立了安全网。Belur 说："我们让他们接受我们的长期可靠性测试 (LTR) 和可靠性演示测试 (RDT)，这是一项在相当严酷恶劣条件下进行的 110 天测试。我们选择的每个供应商都必须通过该测试周期。" 在此之后，供应商被列入公司的核准供应商名单 (AVL)。Belur 继续说："所有优秀的 GaN 厂商都在名单上。" 众所周知，英飞凌在其 AVL 中，因为它被正式用于 IQ9 微型逆变器。

虽然 IQ SST 中所用器件的额定电压尚不清楚，但 650V GaN BDS 已经商用，并正向 900V 迈进。今年几乎不可避免地会有更多 GaN BDS 产品的发布。Belur 赞同这种看法："我们很快就会得到 900V 的产品。这方面的发展非常可预测。"

平台可扩展性

Enphase 对 GaN BDS 的投入完全早于 SST 市场。Belur 指出，公司早在 6-7 年前就开始推动 GaN BDS 技术，直接与制造商合作开发满足其特定要求的器件——并且只有在确信其性能符合要求后，才通过 IQ9 微型逆变器将其商业化。他说："我们真正地精心培育了 GaN BDS 行业。我们促使他们朝着我们想要的方向发展，因为它非常适合我们的应用。"

"我们已经做到了这一点，使得我们基本上可以实现任意电压输入、任意电压输出、任意频率——交流、直流，任何形式。我们打造了这个非常强大的通用平台，但这个通用平台包含了大量的知识产权。" Belur 继续说："这就是我们架构的美妙之处——对于这种特定拓扑结构，我们能达到的功率真的没有上限。它是完全可扩展的。所以你不需要每次都重新架构、重新设计、重新开发一个全新的产品。"

Enphase 通过 IQ9 微型逆变器在 GaN BDS 开发和现场部署方面积累了多年的经验，现在这构成了 IQ SST 的技术基础，使公司在 SST 领域的新进入者可能仍在努力建立的该技术制造和可靠性记录方面占据了优势。