级联型固态变压器（SST）冗余与容错控制研究报告

基于SiC功率器件的级联型固态变压器（SST）冗余与容错控制研究报告

1. 级联型SiC SST系统架构与单点失效雪崩效应机理

随着宽禁带半导体技术的演进，基于碳化硅（SiC）功率器件的固态变压器（SST）在新能源并网、中压直流输电及电动汽车超充站等场景中得到了广泛应用 。级联型变压器输入端通常采用高压级联拓扑，例如模块化多电平变换器（MMC）或级联H桥（CHB）变换器 。由于级联拓扑由大量串联的功率电子建筑块（PEBB）或子模块（SM）组成，任何单个SiC功率单元的失效都极易引发系统级的雪崩式连锁故障 。

当单个级联单元由于SiC MOSFET开路或短路故障而损坏时，若不实施即时切除，该故障单元的直流电容电压将迅速崩溃 。在强耦合的中压级联系统中，这会导致其余健康单元承受不均匀的电压应力，进而引发严重的直流母线过压、环流激增或热失控 。更严重的是，SiC MOSFET由于极高的开关速度，其开关瞬态下的电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/dt）通常比传统硅基IGBT高出一个数量级，这加剧了高频瞬态电磁干扰和由于寄生参数导致的过压尖峰，极易诱发邻近健康功率单元的过压击穿，从而产生雪崩式的连锁失效 。

在硬件结构上，高频高效的运行对器件封装的热性能和机械可靠性提出了更高要求。下表对比了主流功率模块陶瓷覆铜板的材料特性 ：

覆铜板材料	热导率 (W/mK)	热膨胀系数 (ppm/K)	抗弯强度 (N/mm2)	断裂韧性 (MPa⋅m​)	剥离强度 (N/mm)	1000次温度冲击后状态
Al2​O3​ (氧化铝 DBC)	24	6.8	450	4.2	-	出现铜箔与陶瓷分层现象
AlN (氮化铝 AMB)	170	4.7	350	3.4	≥4	出现铜箔与陶瓷分层现象
Si3​N4​ (氮化硅 AMB)	90	2.5	700	6.0	≥10	保持良好的接合强度，不易开裂

为更直观地展示SiC MOSFET在热性能与系统效率方面的技术优势，下表给出了在PLECS仿真环境下，以三相级联系统其中一相为例，两电平逆变应用（输入母线电压 800 V，输出相电流 400 Arms，散热器温度 80∘C）的仿真对比数据 ：

模块类型 / 型号	载频 fsw​ (kHz)	单开关导通损耗 (W)	单开关开关损耗 (W)	单开关总损耗 (W)	系统有功功率 (kW)	整机效率 (不含电抗器)	最高结温 Tj​ (∘C)
SiC MOSFET / BMF540R12MZA3	8	254.66	131.74	386.41	378	99.38%	129.4
SiC MOSFET / BMF540R12MZA3	16	266.14	262.84	528.98	378	99.15%	147.0
Si IGBT + Diode / 2MB1800XNE120-50	8	209.48 + 29.33	361.76 + 159.91	571.25 + 189.24	378	98.79%	115.5
Si IGBT + Diode / FF900R12ME7	8	187.99 + 29.46	470.60 + 150.46	658.59 + 179.92	378	98.66%	123.8

由上表可知，在 8 kHz 载频下，SiC MOSFET（BMF540R12MZA3）的单开关总损耗仅为 386.41 W，而传统硅基 IGBT 的损耗高达 760.49 W 至 838.51 W 。两者的发热量相差一倍以上 。这意味着采用 SiC MOSFET 不仅能将整机效率提升至 99.38%，还能成倍降低散热系统的体积与成本，为SST实现轻量化和高功率密度提供了物理支撑 。基本半导体一级合作伙伴-倾佳电子（Changer Tech）力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板，PEBB电力电子积木，Power Stack功率套件等全栈电力电子解决方案。

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2. PEBB级硬件冗余设计与高速旁路固态开关特性

容错运行的第一步是硬件冗余设计。级联拓扑的模块化特征使其非常适合通过配置冗余单元来实现“不间断运行”（SST通常设计有 N+x 的冗余度） 。下表系统梳理并对比了模块化多电平变换器中常见的四种冗余运行策略 ：

冗余运行策略	正常工作状态	故障切换暂态	稳态损耗与系统效率	直流侧电容电压波动
标准冗余 (SR)	冗余模块处于旁路、放电状态（冷备用） 。	暂态显著；备份模块需从零电压迅速充电至额定电压 。	稳态损耗低，系统效率高 。	过渡期内运行模块电容电压面临较大暂态失衡 。
附加单元冗余 (RAS - 热备用)	所有模块均在线运行，分摊额定电压（工作电压低于器件上限） 。	切换极快，暂态冲击极小；故障模块直接旁路即可 。	稳态损耗增加，开关损耗分摊至更多模块，降低了变换器效率 。	无显著暂态电压剧烈波动，各单元维持在预定电压值 。
优化附加单元冗余 (RASO - 降压备用)	所有模块在线且在降低的电压应力下运行，兼顾热备用速度 。	暂态中等；故障发生后，其余正常模块需动态抬升电压至额定值 。	降低了器件开关损耗，兼顾了整机稳态运行效率 。	存在中等的电压过渡暂态，各电容经历电压重分配过程 。
备用单元冗余 (RSS - 半热备用)	备用模块处于旁路状态，但控制在较低的工作电压范围内 。	暂态过程短；备用模块可迅速补充充电并切入系统 。	兼顾了快速响应与低开关损耗，有利于维持系统高效率 。	避免了冷备用电容零电压切入时的大幅瞬态失衡 。

当子模块发生故障被诊断定位后，必须在微秒级时间内将其旁路切除 。碳化硅器件在电容放电等瞬态过程中的放电电流变化率（di/dt）是硅基IGBT的 10倍 左右 。这种极高的故障电流上升率要求旁路开关具有超高的动作速度和极强的电流耐受能力 。

传统的机械式旁路开关由于其机械惯性，动作时间通常在毫秒级，无法阻止SiC器件的雪崩式失效 。因此，级联系统必须配备高速固态旁路开关 。基于晶闸管（Thyristor/SCR）的旁路方案因其高浪涌电流耐受性而应用广泛 。在先进拓扑中，提出了一种由级联SM串联并联高速晶闸管支路组成的“功率单元组”（Power-Groups, PG）结构，在整流或正常运行时提供低损耗的旁路通道，分析表明该方案可将换流损耗降低 20%∼25% 。

此外，为了解决晶闸管无法通过门极主动关断且无法应对直流侧短路故障的问题，新型控制穿通IGCT（CP-IGCT）被引入级联变换器的防护设计中 。该器件基于穿通击穿原理（而非雪崩击穿原理），具有极高的均匀性、热稳定性及防爆防开裂封装特性 。在极端的桥臂直通故障中，CP-IGCT能将最大故障电流限制在 600 kA 左右（而传统采用IGBT的MMC在同等故障下其最大故障电流会超过 1100 kA），且故障后器件呈稳定的短路失效模式（SCFM），从而实现无需额外晶闸管的主动旁路保护 。

高速固态旁路开关的切入和切出过程常伴随剧烈的瞬态冲击。例如，在气体绝缘开关设备（GIS）操作或系统短路故障时，特快速瞬态过电压（VFTO）会在级联子模块（SM）内部传播 。由于组件间连接母线的杂散电感以及晶闸管与MOSFET的寄生电容存在，VFTO会在器件两端产生严重的过冲应力，甚至引起晶闸管的误触发 。等效分析表明，晶闸管两端的瞬态峰值电压 Ut_p​ 往往高于MOSFET两端的峰值电压 Uigbt_p​，且相位上滞后约 90∘ 。

为了抑制极高 di/dt 下的过电压尖峰，通常在子模块内部集成一种“Gap-RC”（带放电间隙的RC阻尼电路）新型缓冲电路 。与传统的RC吸收电路相比，Gap-RC通过气隙将阻尼电容与电网隔离，避免了稳态运行下的高漏电流，同时在VFTO瞬态发生时自动导通，起到优异的钳位与抑制效果 。此外，旁路开关切换的门极触发时序也至关重要。为避免故障单元电容与电网或负载之间产生破坏性的环流，控制策略在触发旁路开关导通前，必须先将子模块的H桥或半桥开关电路与输出端电学断开（即先开路输出控制开关，后闭合旁路开关），从而安全、无缝地隔离受损PEBB 。

3. 容错控制算法与载波相移（CPS-PWM）动态重构

在子模块硬件切除后，为确保系统“带病连续运行”且输出电压不发生波形畸变，控制系统必须在软件算法层面对调制逻辑进行动态重构 。在级联H桥或MMC中，载波相移（CPS-PWM）是最主流的调制方式 。正常运行时，每相包含 N 个运行子模块，相邻模块的三角载波相位角相差 θ=π/N 。当某相有 f 个模块发生故障被旁路切除后，如果不调整载波相位，将会打破载波的对称性，从而在输出电压中引入大量的低频开关谐波，并导致各运行子模块间的活性功率不平衡 。

因此，容错控制算法必须实时调整剩余 N−f 个健康模块的载波相位角，使其重构为全新的对称相移分布 ：

θnew​=N−fπ​

在传统的集中式重构算法中，每当有模块失效，中央控制器就需要对所有健康模块的三角载波进行全局重新计算与配置 。然而，这种方法存在以下弊端：

电学瞬态中的相位角突变会产生严重的“失配脉冲”（Mismatch Pulses），即由于载波突变产生的超窄或畸变门极脉冲，极易导致高频SiC MOSFET发生过流保护甚至门极驱动故障 ；

随着级联数目的增加，三角载波相位实时计算和多通道同步控制将消耗巨大的中央处理器资源，且对通信带宽提出了极高要求 。

为了实现无缝切换并降低对主控制器的算力依赖，提出了基于旋转滑动选择框（Rotating Sliding Choice Box）的CPS-PWM热备用容错控制策略 。在包含 m 个额定工作单元和 r 个冗余备用单元（共 m+r 个单元）的级联系统中，控制器在调制时仅生成 m 个具有标准 π/m 相移角的三角载波 。滑动选择框包含 m+r 个扇区，用于将这 m 个活动载波映射到实际的物理模块上 。选择框以系统基波频率进行循环旋转，从而使所有子模块（包括热备用单元）轮流处于“工作状态”和“待机状态” 。这种方法的优势在于：

在稳态运行时，通过周期性旋转，使每个子模块的导通时间和热应力完全一致，实现了自然的直流侧电容电压均衡和均等磨损 ；

在发生故障时，局部控制器（Local Controller）仅需在滑动选择框中更新状态，将损坏单元所处的扇区永久标记为“旁路状态”，并将活动载波无缝分配给其余 m+r−1 个健康模块 。整个过程无需重新计算载波相位角，从而在极短的物理过渡期内实现了平滑过渡，消除了失配脉冲的危害，且计算复杂度与故障模块数量完全无关 。

此外，分布式共识算法在多物理通道控制中逐渐展现出应用潜力。子模块局部控制器通过分析本地电压电流，利用邻域通信自主迭代，从而在极短的时间内自动建立起稳定的相移，显著增强了系统的自适应重构能力 。

4. 系统级功率重均衡与非对称故障穿越

单相功率单元切除虽然实现了该相内的载波对称，但由于该相健康单元数量减少，该相的最大输出电压能力将下降，从而造成系统级的三相电压不对称 。为了维持并网或带载端的三相线电压对称，必须采用系统级的容错调节机制 。

中性点偏移法（Neutral Point Shift, NPS）是解决这一问题的核心控制算法 。其基本原理是在各相调制波中注入一个同频同相的基波零序电压 vzs1​(t)，通过将变换器的虚拟中性点相对于电网中性点进行物理位移，来改变三相输出端相对于大地（或中性点）的实际电位 。调制波的重构关系可表示为：

vA′​(t)=vA​(t)+vzs1​(t)

vB′​(t)=vB​(t)+vzs1​(t)

vC′​(t)=vC​(t)+vzs1​(t)

式中，vj​(t) 为正常运行时的三相对称调制波，vj′​(t) 为重构后的非对称调制波 。通过精确计算 vzs1​(t) 的幅值与相位，可以实现在单相切除单元后，变换器的输出线电压（vAB′​,vBC′​,vCA′​）依然保持完全对称且不发生幅值跌落，极大地增强了系统的非对称故障穿越能力 。

然而，三相输出电压与电流的非对称运行会导致各相级联臂之间的活性功率不平衡 。为了消除这种由于负载非对称或单元切除引起的相间功率偏差，通常需要采用基于零序电压/电流注入（Zero-Sequence Injection, ZSVI）的相间能量均衡策略 。通过向控制系统注入一个特定幅值和相位的零序电流（在星形接法 CHB 中）或零序电压，可以在不改变外特性（线电流、线电压）的前提下，在变换器内部调节各相的功率分布 。注入算法可消除桥臂电流的负序分量和过大温升，从而避免运行功率单元因电流过载或热应力超标而导致二次失效，拓宽了 SST 的故障运行边界 。

在三级固态变压器（Three-Stage SST）中，高压 AC/DC 级联整流器（CHB）的悬浮直流电容接入并联运行的隔离型双主动全桥（DAB）DC/DC 变换器，各路 DAB 的副边并联接入低压直流（LVDC）母线，从而实现输入串联输出并联（ISOP）架构 。由于 DAB 电路中变压器漏感、电容及开关器件参数的物理公差，各路并联 DAB 的实际传输功率无法完全一致，从而导致高压级联侧悬浮直流电压产生严重失衡 。在级联 H 桥发生故障旁路后，这种功率和电压失衡被进一步放大 。

针对直流侧电压与功率不平衡，下表对比了目前主流的三种主动功率重分配与均衡容错控制策略：

平衡算法名称	控制机制与实现方式	硬件与传感器需求	控制复杂度与通信带宽需求	适用场景及优势
独立移相角补偿法	在常规 DAB 输出电压控制器的输出上，为每个悬浮直流侧引入一个附加的 PI 电压平衡控制器。其反馈信号为各直流侧电压与其平均值的偏差，生成独立的补偿移相角 ϕcomp,i​，并与公共移相角作差：ϕDAB,i​=ϕcommon​−ϕcomp,i​ 。	仅需原有的电容电压采样传感器，无需高成本的电流传感器 。	较低；控制器易于集成在常规 DSP 中，模块间只需通过低速 CAN 总线交换平均电压数据 。	适用于中低级数级联 SST；能够在不增加硬件成本的前提下快速实现直流侧电压和功率的精确平衡 。
自适应下垂控制法	采用完全去中心化的控制架构，在 DAB 级引入虚拟自适应下垂电阻。每个 DAB 模块仅依靠本地测量的直流侧电压 Vci​ 和输出电流，自主修改其虚拟下垂系数。当本地电容偏高时，自主增大下垂增益以增加该模块功率输出，拉低电压 。	仅依靠模块本地的电压与电流采样，无需模块间的全局信息交互 。	极低；无需高速通信网络，彻底解决了多物理通道同步延迟的问题 。	适用于大容量、多级 PEBB 级联的超高压 SST；极大地提升了系统模块的可插拔性、可靠性与可扩展性 。
副边共点绕组变压器平衡法	属于硬件结构级平衡技术。设计一种特殊的 DAB 结构，在其副边（低压侧）采用共点连接的高频变压器绕组。利用磁通耦合和共点钳位效应，当某路高压侧电容电压上升时，磁心能量自动向低压侧倾斜，实现无源的自然电容电压与功率均衡 。	无需额外的电压/电流传感器，完全依靠变压器副边磁路耦合 。	零；完全不需要任何主动平衡控制器和复杂的控制算法 。	适用于微小容量或对高动态响应、极简控制有严苛要求的 SST 单元；彻底消除了控制耦合和算法不稳定性 。

5. 级联系统自愈式运行的技术挑战与未来展望

实现固态变压器的“自愈式”（Self-Healing）运行是智能电网和柔性配电网的核心发展目标 。未来的自愈式变压器将深度融合微秒级的高精度健康状态监测（Prognostics and Health Management, PHM）与主动安全控制策略 。

自愈式运行的完整逻辑链条包括以下三个核心环节：

智能监测与特征提取： 在物理层，智能栅极驱动器内嵌高带宽罗氏线圈（RSCS）和电热传感器，在纳秒级开关瞬态下提取电流变化率（di/dt）和开通延迟的变化特征，从而在线预测或在微秒级时间内诊断定位功率器件的早期键合线脱落、晶圆过热或短路等故障 ；

高速物理隔离： 诊断系统将故障信号传送至局部控制器，配合 Gap-RC 吸收回路以及高速固态开关（如 CP-IGCT），在微秒级时间内切断受损支路的故障电流，实现 PEBB 的高速、安全物理旁路 ；

多维度协调控制： 中央控制器同步启用重构的载波相移（CPS-PWM）分配方案，并通过注入基波零序电压（NPS）纠正三相外特性失衡；同时，DC-DC 隔离级通过自适应下垂或移相补偿自主完成功率的跨相/跨单元动态重分配，使整个 SST 的输入与输出端对外表现为完全对称的平衡三相系统 。

未来的研究将更加聚焦于全变换器电网中的主动防御、大动态扰动下的阻抗自适应匹配，以及多级自愈机制的耦合稳定性分析，从而为高比例新能源电力系统提供更加坚实、智能、不间断的能量转运枢纽。

审核编辑 黄宇