1 系统说明

工业和商业设施中的电能转换与分配方式正在经历一场重大变革。几十年来，工频变压器一直是任何并网系统中不可或缺的组成部分。这些变压器虽然可靠，但庞大、笨重，且在接入低压电力电子系统时效率并不特别理想。如今，公用事业级光伏电站、并网电池储能系统以及高密度数据中心等应用，要求安装紧凑高效且具备更高功率等级。这种对技术创新的需求，给基于传统变压器架构构建的电力电子系统带来了巨大压力。

固态变压器 (SST) 应运而生，成为一种替代方案。固态变压器不依赖工作于 50Hz 或 60Hz 的大型铁芯变压器，而是通过高频电力电子级来实现相同的电气隔离和电压转换，其开关频率高于 10kHz。最直接的效果便是变压器尺寸和重量的显著减小。此外，从中压电网到直流链路的直接功率变换成为可能，从而提升了系统整体效率。

中压电网的工作电压范围为 10kV 到 30kV。中压运行的难点在于，标准功率半导体器件无法承受如此高的电压等级。因此，拓扑选择成为解决该问题的关键。在文献中探讨过的各种转换器架构中，级联 H 桥 (CHB) 无疑是固态变压器设计中最具实用价值的选择。该方案并非将全部中压施加于一组开关器件上，而是将电压分散到多个串联的 H 桥功率单元上。由于每个独立器件均选自商用低压元件系列，因此每个单元仅承受总中压的一部分。此外，这些元件通常比高压器件速度更快、成本更低且特性表征更完善。

除了解决电压问题，CHB 拓扑的模块化结构还具有其他优势。例如，单元的数量可根据目标电压灵活增减，且该架构支持冗余设计。冗余意味着某个单元发生故障后，通常可以被旁路，而无需将整个转换器离线。

这些特性使得固态变压器成为光伏电站、电池储能系统以及数据中心未来所需电力基础设施中极具吸引力的构建模块。

本设计指南介绍了一款基于级联 H 桥拓扑构建的双向 50kW 固态变压器参考设计，其中每个子模块由中压侧的 H 桥转换器和用于隔离式 DC/DC 转换级的双有源桥 (DAB) 组成。中压直流链路额定电压为 2.2kV，低压直流链路工作电压为 1.5kV。子模块之间通过光纤链路进行通信，从而提供在中压电位差下运行所需的电气隔离等级。