苏黎世联邦理工学院Johann W. Kolar教授团队于2025年10月发布专题报告，系统阐述了面向下一代数据中心的高效超紧凑固态变压器技术，涵盖从全模块化架构的“模块化惩罚”分析到准单级/单级拓扑创新，并提出mVR型和矩阵型SST作为最具工业前景的解决方案，为实现1 MW/m3功率密度与99+%效率的目标指明了技术路径。

一、为什么要用固态变压器替代传统方案？

随着人工智能、云计算等技术的发展，数据中心的IT机架功耗快速增长。预计到2030年，单个机架的功率将达到1MW级别，供电电压需要从目前的54V直流提升到±400V、800V或±750V直流，以减少母线电流和铜损。

目前数据中心的主流供电方式是：中压交流先经过工频变压器（LFT，即铁芯变压器）降压到400V/480V交流，再经过多级AC/DC整流柜输出48V或54V给IT机架。这种方案存在两个问题：一是工频变压器体积庞大；二是整个链路效率约为98.8%~99%，仍有提升空间。

固态变压器（SST）的概念是用电力电子变换器直接实现中压交流到低压直流的单级或两级变换，取消工频变压器，从而大幅缩小体积、提高效率。ETH团队的目标是：SST功率密度达到 1 MW/m3，比现有水平提高5~10倍，效率达到 99.8% 以上，相比现有技术损耗降低约30%。

二、现有固态变压器技术现状

2018-2021年美国DOE项目曾研制出一个400kW/13.2kV的SST工业原型。它采用两级式结构：先通过3电平NPC整流得到1.6kV直流母线，再通过DC/DC隔离变换输出800V直流。为了实现中压耐压，它用了 27个AC/DC-DC/DC单元（每相9个）串联，总共使用了438个开关（1.2kV SiC器件）。这个原型虽然采用了先进的SiC器件和100kHz以上高频变压器，但其功率密度仍然只有约0.1 MW/m3，效率98%~98.5%，与工频变压器方案相比没有明显优势。这说明，传统全模块化两级式SST在体积和效率上并未突破工频变压器的水平。

三、全规模SST与LFT方案的对比评估

这一瓶颈的根本原因被归结为“模块化惩罚”。从半导体封装到功率单元，再到堆叠和整机系统，功率密度逐级大幅衰减。

造成这种惩罚的核心原因有两个：一是隔离距离的累加——为了达到中压绝缘要求，每个单元内部必须保持足够的电气间隙和爬电距离，当多个单元串联时，这些隔离空间不断累加；二是变压器体积的累加——每个小功率单元都需要独立的高频变压器，其体积无法通过单元串联而缩小。

用“等功率密度球体”的比喻可以形象地理解这一现象——将一个大单元拆分成多个小单元时，隔离层厚度不变但半径缩小，有效体积占比大幅下降。因此，减少串联单元数量、向部分模块化或单体结构演进，是突破功率密度瓶颈的关键。

四、下一代超紧凑/高效三相AC/DC SST概念

为了实现功率密度和效率的跨越，ETH团队提出了三个转型方向：

从两级式向准单级/单级转换：传统两级式（AC/DC + DC/DC）需要中间直流母线电容，损耗较大。单级式直接将中压交流变换为低压直流，减少一次能量变换，可降低约30%的损耗。
从全模块化向部分模块化或单体结构演进：利用10kV以上的高压SiC器件，降低所需串联单元的数量，甚至采用单个隔离变压器（单体结构），避免“模块化惩罚”。
从IGBT向SiC MOSFET升级：SiC器件可以工作在更高频率（>100kHz）和更高电压，减小无源元件体积。

根据这些方向，拓扑可分为三大类：

两级式：最传统，但仍有改进空间。
准单级：例如“Unfolder”类拓扑，AC侧只做极性选择，不储能。
单级：例如矩阵变换器型，一次完成AC/DC隔离变换。

ETH团队重点介绍了以下几种有潜力的准单级/单级拓扑：

1. 三相相模块化单级AC/DC SST

这种拓扑采用AC开关构成的双有源桥（DAB）或谐振型子模块。每个子模块直接连接一相交流输入和低压直流母线。关键技巧是：将三相的功率进行120°交错，使三相的瞬时功率之和为恒定值，从而无需在直流侧放置大容量储能电容。优点是单级隔离变换，动态响应快；缺点是每个子模块需要承受全交流电压，器件数量较多。

2. 二极管桥 + 有源滤波器前端

基本型：三相二极管整流桥将交流变成脉动的“直流”电压（六脉波形状），然后由一串DC/DC隔离变换器将其转换为稳定的低压直流。为了保证网侧电流正弦（满足谐波标准），在交流侧并联一个有源滤波器（AF）。这种方案的优点是：负载供电不依赖有源滤波器的正常工作，可靠性高；但AF需要处理全部无功和谐波电流，其功率等级与主电路相当。

集成型：把有源滤波器的全桥单元移到二极管桥的直流输出端，用半桥单元和相选择开关来向未导通的二极管支路注入电流。这样做的好处是：滤波器串的最大电压应力仅为线电压幅值的√3/2倍（约为0.866倍线电压峰值），比交流侧AF方案更低，从而降低滤波器器件的耐压等级和成本。

3. Unfolder前端型

Unfolder（极性解折器）前端由两组DC/DC变换器串组成，分别连接直流母线的正负端。通过控制上下两串电流的差值，注入到当前未导通的交流相中，从而实现网侧电流正弦化。这种结构不需要单独的有源滤波器，但缺点是：每串DC/DC变换器的输入电压会在0到√3/2倍线电压峰值之间剧烈波动，导致变换器利用率很低——在输入电压低时，必须流过很大的电流才能传输同样的功率，增加了导通损耗。

4. Vienna整流器型（mVR）

这是ETH团队重点推荐的一种准单级拓扑。它将Unfolder前端的电压选择开关替换为全桥单元，从而可以主动均衡上下半母线的电压。与Unfolder相比，mVR拓扑中DC/DC变换器串的电压仅由1/2倍线电压幅值决定（而不是√3/2倍），因此电压应力更低。此外，该拓扑无需交流侧开关，所有开关均为低压侧参考，驱动电路简化。

更有趣的是，可以工作在2/3模式：只让两相的有源滤波器工作，第三相通过中点连接自然导通。这样可以节省1/3的开关损耗，同时仍能保持网侧电流正弦。波形图显示，在2/3模式下，平均注入电流为零，上下串电流解耦。

五、部分模块化MML单级三相AC/DC SST概念

这是另一类极具前景的单级拓扑，分为直接MMLC和间接MML两种。

1. 直接MMLC
用多个全桥单元串联替代传统矩阵变换器中的双向交流开关，所有全桥单元共同连接到同一个中频隔离变压器（或矩阵变压器）的原边，副边输出低压直流。这种结构的核心优势是不存在“变压器模块化惩罚”——变压器只有一个，体积不会因为单元数量增加而膨胀。模块化和冗余仅限于功率半导体本身，单个全桥单元故障可被旁路，系统仍可降额运行，可靠性高。

2. 间接MML
将前端矩阵变换器与后端的多个DCX（直流变压器，固定变比的隔离级）级联。前端产生一个±10~20kV的直流母线，后端由多个DCX并联输出±800V直流。这种方案控制灵活性更高，变压器利用率更高，适用于大功率场景（如5~10MW）。

目前，直接MML和间接MML在半导体应力、保护策略、可靠性等方面的对比仍在研究中。