10kV 中国 AIDC 2.4MW 800V 直流固态变压器全碳化硅设计方案

持续死磕固变-01｜10kV 中国 AIDC 2.4MW 800V 直流固态变压器全碳化硅硬件设计方案

倾佳电子副总 杨茜

归类：倾佳副总杨茜-持续死磕固变

本篇定义的机型是：10kV/50Hz 输入、2.4MW 连续输出、800V（±400V，中点高阻接地）直流输出的中国智算中心固态变压器，一台对标一台 2500kVA 干式变压器加一套 800V 集中整流。拓扑取三相星接级联 H 桥加双有源桥，每相 13 个单元（12 个工作、1 个冗余），全机 39 个单元，全部用 1200V 碳化硅，单元母线 800V，中频变压器 1:1、25kHz。按本篇损耗模型，额定点效率 98.73%，50% 负载峰值 98.86%，智算负载加权效率 98.79%，比“干变加 800V 整流”链路的加权效率 97.68% 高 1.11 个百分点；占地 5.88 平方米，传统方案约 15.0 平方米。经济性是这个机型最大的软肋：按 2026 年量产口径，整机 BOM 约 0.90 元/W、售价约 1.25 元/W，在 0.65 元/kWh 电价、72% 平均负载率下回收期 9.2 年，在西部枢纽 0.35 元/kWh 电价下 19 年。结论是：中国市场上，光靠电费回不了本，售价要压到 1.03 元/W 才进入 5 年回收区间；真正值钱的是占地、PUE 与 800V 直出这三件事，而不是效率本身。

一、这个机型为什么现在需要

（一）800V 直流改写了配电的末端一跳

2025 年起，800V（±400V）直流进入 AI 数据中心的参考供电架构，兆瓦级机柜的量产节点落在 2027 年。机柜功率从 30~50kW 走向 1MW，末端配电的电流账先算不过来。1MW 机柜若仍用 400V 三相交流供电，线电流为 1MW÷(√3×400V×0.99) ≈ 1458A；改为 800V 直流，电流为 1MW÷800V = 1250A，而且只剩两根极线加一根中性线，不再有无功电流与三相不平衡的附加损耗。电流下降本身不算惊人，真正的变化在于：一旦机柜侧收的是 800V 直流，上游那一整串“10kV 干变—400V 低压柜—整流柜”就有了被一台设备整体替代的理由。

中国的节奏比预期快。2026 年 2 月，某台系电源厂商在华北某超大规模园区投运固态变压器，单柜 1MW、占地约 1 平方米、可同时输出 240V、400V、800V 多级直流。这说明两件事：一是国内园区业主已经愿意在主供电路径上试用固态变压器；二是多级直流输出的需求真实存在，240V 与 400V 直流还要照顾存量服务器电源。行业的普遍判断是，2026 年年中大部分集成商产品仍处于试点或早期商用，2027~2028 年进入批量。本篇的 2.4MW 机型就是为 2027 年批量窗口准备的定型方案。

（二）为什么定 2.4MW、为什么是 10kV

国内 10kV/0.4kV 配电里，2500kVA 干式变压器是最常用的单台上限容量，再往上短路电流与低压母线规格都会跳档。2.4MW 直流输出对应的交流侧视在功率约 2.44MVA，恰好一台替一台，业主的配电图纸几乎不用改拓扑。从负载侧看，2.4MW 可以带 2 个 1MW 级机柜，再留 0.4MW 给机柜冷却分配单元、网络与存储；做 2N 供电时，两台固变各带一半负载，单台常年只有 36% 左右的负载率，这对经济性很不利，第十章单独计算。

电网制式上，中国城市配网 10kV、50Hz，中性点多为不接地、经消弧线圈接地或经小电阻接地。前两种属于非有效接地系统，单相接地后允许带故障运行 2 小时，这时健全相对地电压升到线电压。对级联 H 桥来说，这是一个比北美严苛得多的约束：每个悬浮单元对地的最高电位不再是相电压峰值 8.98kV（按 1.1 倍电压计），而是线电压峰值 10kV×1.1×√2 ≈ 15.56kV，并且要持续 2 小时。后面中频变压器的绝缘设计就是从这个数字倒推的。

（三）传统方案的具体痛点

与本机型同口径的传统方案是：10kV 进线柜—2500kVA 一级能效干式变压器—400V 低压柜—2.4MW 集中式 800V 整流柜。按本篇的参数（干变空载损耗 2.3kW、负载损耗 18.5kW，整流效率 98.5%，低压母线损耗 0.15%），这条链在 30%、50%、75%、100% 负载下的效率分别为 97.83%、97.81%、97.69%、97.54%，加权效率 97.68%。痛点有三处，都能用数字说清楚。

第一是占地。2500kVA 干变含外壳约 3.6 平方米，4000A 低压柜一排约 4.8 平方米，整流柜约 3.6 平方米，再加变压器与低压柜之间的母线槽和检修通道约 3.0 平方米，合计约 15.0 平方米。固变方案三个相柜加一个直流输出柜和一个控制柜合计 5.88 平方米，省出约 9.1 平方米。在一线城市周边的智算园区，电气用房每平方米的土建与机电综合造价按 3.5 万元计，这 9.1 平方米约值 32 万元。

第二是低压大电流。400V 侧电流约 3552A，变压器到整流柜之间要走 4000A 母线槽，这段母线的损耗、温升和连接点故障率都是运维的常客。固变直接出 800V 直流 3000A，交流低压这一段整体消失。

第三是 PUE。智算园区在国家枢纽节点普遍被要求 PUE 不高于 1.25，部分地区更严。配电链路效率从 97.68% 提到 98.79%，折算到 PUE 约下降 1/0.97683−1/0.98791 ≈ 0.0115，再计入这部分发热对应的制冷能耗（按 1.25 倍计）约 0.0144。对一个卡在 PUE 红线附近的园区，0.014 的差距可能就是能否获批的差距。

需要明说的一点：中国市场做固变，理由里没有“变压器买不到”。北美配电变压器交期长达 1~3 年，是那边固变的重要切入理由；而国内干变交期通常是几个月，供应链不构成痛点。这决定了本机型的经济性必须靠效率、占地与 PUE 自己算平，下文第十章会看到它算得并不轻松。

二、系统规格书

三、拓扑选择与级联数定标

（一）三条路线的比较

10kV 固变有三类可行路线。第一类是级联 H 桥加双有源桥的两级结构：级联 H 桥在中压侧整流并稳住各单元母线，双有源桥通过中频变压器隔离并把功率送到公共 800V 母线，所有单元的次级在低压侧并联，这是输入串联、输出并联的结构。第二类是模块化多电平换流器先把 10kV 整流成中压直流、再用中压直流变换器降压，适合更高电压和更大容量，在 2.4MW 这个档位上桥臂电感和子模块电容都偏重，不划算。第三类是单级隔离型矩阵或交流链路结构，理论上省掉一级变换，效率天花板更高，但每个开关要承受双向电压，需要双向开关，碳化硅器件数量翻倍，控制与换流安全性在兆瓦级还缺少长期运行数据。

本篇选第一类，理由是它在 2.4MW、10kV 这个组合上最成熟：单元结构统一，可以抽屉化；每相 N+1 冗余天然成立；三相单元次级并到同一条 800V 母线后，各相二倍工频的功率脉动在低压母线上相互抵消，这一点后面会用来减小单元电容。

（二）单元电压档的比较：为什么选 1200V

路线定了以后，真正要做的决定是单元电压档。设计条件是：输入按 1.1 倍电压计，相电压峰值 10kV÷√3×√2×1.1 = 8981.5V；调制比上限取 0.95；每相级联数 n 满足 n×Vdc×0.95 ≥ 8981.5V，再加 1 个冗余单元。四个电压档的结果如下（单元相关成本只计与单元数成比例的部分：碳化硅、中频变压器、驱动、电容、旁路、辅助电源、结构件，按 2026 年国内批量价格假设）：

这张表最重要的结论是：在 10kV 这个电压等级上，四个电压档的单元相关成本相差不到 4%（119.4 万~124.1 万元）。器件电压升高省下的是单元数，多花的是碳化硅，两者几乎打平。成本不是决定因素，决定因素在别处。

选 1200V 的理由有四条。其一是供应链：1200V 碳化硅模块是电动汽车主驱的量产平台，国内有多家量产来源，62mm 半桥、Easy 尺寸等封装标准统一，二供切换不需要改结构；1700V 模块是小众品，2300V 刚为 1500V 光伏起量，3300V 在国内的量产来源屈指可数，单一来源的风险比 4% 的成本差大得多。其二是对称性：单元母线 800V 恰好等于输出电压，双有源桥做成 1:1，初级与次级可以用同一个模块定义，一个物料覆盖两个功率位置，分档、备货、失效分析都只做一套。其三是可靠性数据：1200V 碳化硅在 800V 母线下的宇宙射线失效率、栅氧寿命、体二极管双极退化都有车规级的大样本数据，其他电压档的数据量少一个数量级。其四是绝缘：10kV 等级下每个中频变压器要过 75kV 雷电冲击，这个绝缘开销尚不至于让“少几个变压器”变得决定性；到 13.8kV、110kV 冲击水平时，账就不一样了，这正是本系列 02 篇改走 3300V 的原因。

器件电压利用率为 800V÷1200V = 0.667。这个比值比光伏逆变器常见的 0.75 以上保守，原因是 39 个单元、468 个开关位置同时暴露在宇宙射线下，系统级失效率要求把单管的工作电压压低；后面第五章会把这个要求落成每个开关位置在 880V 下不超过 5 FIT 的规格。

（三）级联数与调制比校核

每相 13 个单元全部投入时，额定电压下调制比 8165.0V÷(13×800V) = 0.785，1.1 倍电压下 0.864；旁路一个单元后剩 12 个，1.1 倍电压下调制比 0.936，仍低于 0.95 的上限。网侧电感压降按 0.9 倍电压、额定电流下的峰值电流 217.7A 计，3mH 电感上的压降峰值约 205V，与电网电压正交，合成后 12 个单元在 1.1 倍电压下的调制比仍为 0.936，余量足够。

单元功率：全机 39 个单元时每单元 2.4MW÷39 = 61.5kW；某相旁路一个单元后，该相 12 个单元各承担 800kW÷12 = 66.7kW。单元的连续额定按 66.7kW 设计，正常运行时处于约 92% 的负载率。

网侧相电流：额定电压下 2.4MW÷(√3×10kV) = 138.6A，0.9 倍电压下 154.0A，峰值 217.7A。级联 H 桥用单极性载波移相调制，单元开关频率 2kHz，相电压的等效开关频率为 2×13×2kHz = 52kHz，网侧只需一台 3mH 电感（以 2.4MW、10kV 为基值约 2.26% 标幺），电流纹波峰峰值约 800V÷(4×3mH×52kHz) ≈ 1.28A，不到电流峰值的 0.7%，不需要 LCL 滤波器。单元开关频率之所以压到 2kHz，是因为级联 H 桥的开关损耗对总效率的边际贡献已经很小，再往上提只会增加电磁干扰与绝缘应力。

（四）二倍工频功率脉动怎么分配

单相 H 桥单元的瞬时功率含有 100Hz 的脉动，幅值等于平均功率。这部分脉动要么由单元电容吸收，要么经双有源桥传到低压侧，在三相合成的 800V 母线上相互抵消。三种分配方式的代价如下（单元电容按母线电压峰峰值波动 80V、即 ±5% 计）：

电容公式为 C = k×P/(ω×Vdc×ΔVpp)，代入 k = 0.5、P = 61.5kW、ω = 314.16rad/s、Vdc = 800V、ΔVpp = 80V 得 1.53mF。本篇取折中方案：电容承担一半，双有源桥传一半。这样单元电容从 3.06mF 降到 1.5mF，储能从约 979J 降到 480J，一个单元省下约 1.5mF 的 900V 级薄膜电容（体积约 5 升）；代价是双有源桥导通损耗增加 12.5%、瞬时峰值功率升到 92.3kW（旁路工况 100kW）。电容上的 100Hz 纹波电流有效值为 0.5×61.5kW÷800V÷√2 ≈ 27.2A，薄膜电容按 30A 纹波选型即可。旁路工况下单元功率 66.7kW，1.5mF 电容上的波动峰峰值升到约 88V，仍在 ±5.5% 以内。

（五）与“单柜 1MW、约 1 平方米”的差距

本篇 2.4MW 占地 5.88 平方米，折 2.45 平方米/MW，功率密度只有行业已投运的“单柜 1MW、约 1 平方米”的约 41%，差距要说清楚。一是口径：本篇的 5.88 平方米包含了中压进线、网侧电感与预充电，也包含了 3000A 直流输出柜和均衡器，公开的单柜数据是否计入这些部分并不明确。二是单元填充率：每个单元含中频变压器约 22 升、模块与冷板约 10 升、电容约 8 升、电感约 2 升、旁路约 5 升、控制约 3 升，合计约 50 升；13 个单元约 0.65 立方米，而一个 1.2m×1.2m×2.2m 的相柜容积约 3.17 立方米，填充率只有约 20%。其余 80% 是悬浮单元之间、单元与柜体之间的空气绝缘距离和检修空间。要把密度再翻一倍，路径是单元整体固体绝缘封装、取消单元之间的空气间隙，代价是单元不可修、只能整体更换。本篇在第一代产品上选择可修性，密度让位。

（六）输出侧 ±400V 的实现

39 个双有源桥的次级全部并在 800V 正负极之间，中点由两组串联电容分压，再挂一个四相交错的均衡器处理正负极负载差。均衡器按正负极电流差 5% 设计，即 3000A×5% = 150A，处理功率约 400V×150A = 60kW。选均衡器而不是把单元分成“正半组”和“负半组”，是因为每相 13 个单元、全机 39 个是奇数，分组会造成三相不对称；均衡器只处理差值，平时几乎空载，损耗计入输出侧的待机损耗里。中点经高阻接地，用于绝缘监测和单极接地故障的定位，单极接地时系统可以告警运行，不立即跳闸。

四、中频变压器设计

（一）频率：25kHz 是损耗账算出来的

中频变压器频率越高，铁芯截面越小，但本机型的变压器体积并不由铁芯决定，而由主绝缘决定。反过来看频率对损耗的影响：按第八章的损耗分解，双有源桥在 25kHz 下的开关损耗全机 8.82kW，已经是最大的单项损耗；频率翻倍到 50kHz，开关损耗大致同比例翻倍，多出约 8.8kW，额定效率掉约 0.37 个百分点，而变压器体积因为 12mm 主绝缘不变，只能缩小三成左右。所以本篇把频率定在 25kHz，不再往上追。

（二）磁芯与匝数

磁芯选纳米晶带材卷绕铁芯，成对使用，有效截面 20 平方厘米，平均磁路长约 40 厘米。铁氧体在 100℃ 时饱和磁密只有约 0.4T，工作磁密只能取 0.2T 左右，截面要大 1.7 倍，而且大尺寸铁氧体拼装易碎，兆瓦级单元不划算。

匝数按方波电压计算：N×Ac = V÷(4×f×Bm)。取 Bm = 0.35T、V = 800V、f = 25kHz，得 N×Ac = 0.0229 平方米·匝；Ac = 20 平方厘米时 N = 11.4，取 12 匝，初次级都是 12 匝。回代得工作磁密 800÷(4×25000×12×0.002) = 0.333T，距纳米晶约 1.2T 的饱和磁密有 3.6 倍余量。这个余量不是浪费：双有源桥在负载阶跃与故障封锁的瞬间会出现伏秒不平衡，磁通偏移在 0.2~0.3T 量级，必须留住。

铁芯质量 20 平方厘米×40 厘米×7.3 克/立方厘米 ≈ 5.84kg。损耗密度按 25kHz、0.333T 下 10W/kg 的保守值取，铁损 58.4W，这部分损耗与负载无关，是轻载效率的主要拖累之一。

（三）绕组与漏感

两侧绕组都用利兹线，截面 60 平方毫米，平均匝长按绝缘层加厚后的 0.5m 计。直流电阻 1.72×10⁻⁸Ω·m×1.25（温度修正）×12×0.5m÷60 平方毫米 ≈ 2.15mΩ，乘 1.3 的交流系数后每个绕组约 2.79mΩ。考虑 100Hz 脉动在一个工频周期内的平均效果，双有源桥的电流有效值为 90.1A，电流密度 1.50A/平方毫米，两侧铜损合计 2×90.1²×2.79mΩ ≈ 45.4W。变压器总损耗约 104W，单台效率约 99.83%。

漏感直接作为双有源桥的功率传输电感使用。按同心绕组漏感公式 L = μ0×N²×MLT×(d + (h1+h2)/3)÷hw，代入 N = 12、平均匝长 0.5m、主绝缘 12mm、两侧绕组厚度各 8mm、绕组高度 0.12m，得约 13.1μH。设计需要 20μH（下一节推导），差额 7μH 用一只外串空心电感补足。不把漏感全做在变压器里，是因为漏感受绝缘厚度和浇注公差影响，批次偏差可能到 ±10%，外串一只可调电感便于在出厂测试时把每个单元调到同一值，保证 39 个单元均流。

（四）双有源桥参数

1:1 双有源桥在单移相调制下的传输功率为 P = V²×φ×(π−φ)÷(2π²×f×L)。最大传输功率在 φ = π/2 时取得，Pmax = V²÷(8×f×L)。设计要求 Pmax 至少是旁路工况瞬时峰值 100kW 的 1.4 倍，即 L ≤ 800²÷(8×25000×140000) ≈ 22.9μH，取 20μH，Pmax = 160kW。

在这个电感下：61.5kW 平均功率对应移相角 19.4°，变压器电流有效值 83.1A，关断电流 86.1A；100Hz 脉动峰值 92.3kW 时移相角 31.5°，关断电流 139.7A；旁路工况峰值 100kW 时移相角 34.9°，关断电流 155.0A。

零电压开通的边界由输出电容电荷决定。死区 250ns 内，关断电流要把同一桥臂上下两个开关的输出电荷搬完，条件是 I ≥ 2×Qoss÷td。若模块在 800V 下的输出电荷 Qoss 为 1.2μC，门槛电流为 9.6A，对应单元功率约 7.7kW，即 12.5% 负载以下失去软开关。若换成导通电阻更低、芯片面积更大的 2.5mΩ 模块，Qoss 按面积放大到约 1.92μC，门槛电流 15.4A，软开关边界上移到 19.8% 负载。智算中心 2N 供电时每台常年运行在 30%~50% 负载，边界在 12.5% 还是 19.8% 差别不大，但在只剩少数负载的夜间或调试期，后者会让轻载效率明显下滑。这就是第五章双有源桥模块没有追求更低导通电阻的原因之一。轻载时再切换到扩展移相调制，并配合母线电压微调，可以把软开关区间再往下延伸。

（五）绝缘等级与局部放电

中频变压器是固变里唯一横跨中压与低压的元件，它的绝缘决定整机能否通过型式试验。本机型的绝缘应力有三个来源。

一是雷电冲击。型式试验时 10kV 端子对地施加 75kV 冲击，低压侧接地，每一台中频变压器的初次级之间都承受全部 75kV。主绝缘厚度 12mm 时平均冲击场强 6.25kV/mm，真空浇注环氧的冲击击穿场强在 20kV/mm 以上，裕度约 3 倍。

二是持续工作电压。正常时单元对地的最高直流电位约为相电压峰值 8.98kV；单相接地带故障运行时，健全相单元对地电位升到线电压峰值 15.56kV，持续 2 小时。12mm 绝缘上的直流场强约 1.3kV/mm，本身不高，难点在局部放电：绕组端部、引出线根部与屏蔽层边缘的电场集中，是局放起始点。本篇把局放考核电压定为 1.1 倍设备最高电压即 13.2kV，要求不大于 10pC，比按相电压考核的 1.3×12kV÷√3 ≈ 9.0kV 严一档，就是为了覆盖单相接地 2 小时的工况。

三是高频共模电压。单元桥臂开关时，初级绕组对地的电位以 dv/dt 跳变。本篇把碳化硅的开关速度限制在 15kV/μs（800V 在约 53ns 内完成翻转），初次级之间的分布电容约 60pF，共模电流尖峰约 60pF×15kV/μs = 0.9A。这个电流要被绕组间的接地静电屏蔽层就地引走，否则会窜入 800V 母线与控制地。

结构上，初级绕组连同内屏蔽整体真空浇注，外表面喷涂半导电层并接到单元电位；次级绕组在内侧、接地屏蔽在两者之间。每台变压器质量约 25kg、体积约 22 升，其中环氧和屏蔽约占一半质量。39 台合计约 0.98 吨，只相当于一台 2500kVA 干变质量的一小部分。

五、碳化硅功率器件规格定义

本章是本篇的核心。39 个单元里有三个功率位置用到碳化硅：位置 A 是级联 H 桥，位置 B 是双有源桥初级、次级以及输出均衡器，位置 C 是单元自取电辅助电源的主开关。每个规格都从前面的设计约束倒推，不从货架上找现成品。

（一）位置 A：级联 H 桥半桥模块

导通电阻的倒推过程如下。级联 H 桥单元的导通损耗为 2×I²×R，I 取额定相电流 138.6A，结温修正系数取 1.1。十年期每瓦额定损耗的电费价值：按 72% 平均负载率折合的电流平方加权系数 0.62、电价 0.65 元/kWh、制冷附加系数 1.25 计，为 8760×10×0.62÷1000×0.65×1.25 ≈ 44.1 元/W。硅成本按“模块价格与导通电阻成反比”建模，以 2.5mΩ 模块 2500 元为锚点。每单元两只模块的总成本（硅加十年电费）为：

最优点 R = √(2×k÷(44.1×2×I²×1.1))，k = 2500 元×2.5mΩ，解得 2.59mΩ。取 2.5mΩ 这一档。这个结果说明，在中国的电价下，级联 H 桥这个位置不应该省硅，把导通电阻做到 4mΩ 以上看似省了模块钱，十年要多付的电费更多。

宇宙射线失效率的倒推：全机位置 A 与位置 B 共 39×6×2 = 468 个开关位置，每个 5 FIT，合计 2340 FIT，对应单粒子烧毁的平均间隔 10⁹÷2340 小时 ≈ 48.8 年。由于每相有冗余单元，一次烧毁只触发旁路，不造成停电，所以 5 FIT 的要求是“备件与运维可接受”的尺度，而不是“供电连续性”的尺度。这也是母线只用到 800V、利用率 0.667 的原因：同一颗 1200V 芯片在 880V 下的失效率比在 1000V 下低一个数量级以上。

（二）位置 B：双有源桥与均衡器半桥模块

这里有两个值得展开的倒推。

第一是为什么不追最低导通电阻。按同样的经济模型，双有源桥每开关有效值 63.7A、每单元 8 个开关，最优导通电阻约 3.35mΩ；取 4.0mΩ 时每单元总成本 10677 元，取 2.5mΩ 时反而升到 10963 元，曲线在 3~4mΩ 之间很平。在平坦区里，第四章的软开关边界成了决定项：芯片面积越小 Qoss 越小，软开关范围越宽，所以取 4.0mΩ。

第二是为什么同一单元的四只模块要双指标分档。1:1 双有源桥靠初次级两个全桥的伏秒对称维持变压器无直流偏磁。四只模块若导通电阻偏差 10%，在 90A 电流下两侧桥臂压降差约 36mV，折合到约 20mΩ 的直流回路电阻上会产生约 1.8A 的直流偏置，对应的磁通偏移会吃掉前面预留的饱和余量；阈值电压偏差则会让开关时刻错开几个纳秒，同样累积成伏秒误差。所以本篇要求同一单元内阈值电压偏差不大于 0.2V、导通电阻偏差不大于 ±5%，并在变压器初级串一只隔直电容作为第二道防线。

（三）位置 C：单元辅助电源主开关

每个单元的控制器、驱动和光纤收发都从本单元的 800V 母线取电，这样单元不需要一路从地电位送上来的隔离电源，省掉了一个要耐 15.56kV 的绝缘环节。辅助电源为反激拓扑，主开关承受母线电压 880V、反射电压约 300V 与漏感尖峰约 200V，合计约 1380V，选 1700V 碳化硅单管，利用率 81%。

六、驱动、辅助电源与保护

（一）驱动的绝缘边界在哪里

级联 H 桥单元整体悬浮在中压电位上，所以驱动的绝缘边界必须想清楚。本篇的做法是：单元内的一切（驱动、控制器、辅助电源）都以本单元的母线负端为参考地，对地绝缘由单元的机械支撑绝缘子和中频变压器承担，控制信号用光纤进出。这样驱动隔离只需要应对本单元内上下桥臂之间的 800V，而不是对地的 15.56kV。

位置 A 用倾佳杨茜代理的即插即用驱动板，双通道，直接插在 62mm 模块上。要求：工作绝缘不小于 1200V 直流，局放起始电压不小于 1.5kV；共模瞬态抗扰度不小于 100kV/μs，是实际 dv/dt 15kV/μs 的 6.6 倍；驱动电压 +18V/−4V；退饱和检测响应时间不大于 1.5μs，其中消隐时间约 0.8μs；检测到短路后执行约 1μs 的软关断，把关断过冲压在 1100V 以内；有源米勒钳位；原副边欠压锁定；故障状态通过光纤回传。

位置 B 的 160 只模块用倾佳杨茜代理的隔离驱动芯片直接布在单元控制板上，每个通道配一只倾佳杨茜代理的隔离辅助电源模块，全机 320 个通道。双有源桥频率 25kHz、每通道驱动功率约 0.33W，辅助电源按每通道 2W 选型，留足门极电阻与芯片自耗的余量。死区 250ns，与第四章的软开关计算一致。开关速度用分离的开通与关断门极电阻调到 15kV/μs 以内。

光纤链路每单元两对，一对下发调制与同步，一对上传状态与故障，全机 78 对。载波移相调制要求 13 个单元的同步抖动不大于 50ns，否则等效开关频率下的纹波抵消会变差。

（二）预充电

中压合闸前，每相串入一只 1.6kΩ 的预充电阻。合闸后，各单元 H 桥的体二极管对线电压整流，两相 26 个单元串联分担 10kV×√2 = 14.14kV 线电压峰值，每单元被动充到约 544V，冲击电流峰值约 14.14kV÷(2×1.6kΩ) ≈ 4.4A。全机被动充电储能约 39×0.5×1.5mF×544² ≈ 8.66kJ，预充电阻按此选择脉冲能量等级。每相电容串联等效约 1.5mF÷13 ≈ 115μF，时间常数约 0.19s，1 秒内完成被动充电。辅助电源在母线 200V 时起振，单元控制器上电自检；被动充电完成后旁路预充电阻，级联 H 桥主动升压到 800V，再由双有源桥软启动建立 800V 输出。

（三）单元旁路

每个单元的交流端并联一对反并联晶闸管和一只常开真空接触器。单元故障时，控制器先尝试导通本单元下桥臂两个开关形成微秒级短路旁路；若下桥臂也已损坏，则触发晶闸管，50ms 内真空接触器合闸接管电流。晶闸管的触发电源取自一只与单元主辅助电源相互独立的储能电容，保证单元自身辅助电源失效时仍能旁路。旁路后该相 12 个单元各承担 66.7kW，调制比在 1.1 倍电压下为 0.936，系统满功率运行。

（四）中压侧故障穿越

电压暂降时，级联 H 桥把电流提高到额定的 1.2 倍，70% 残压下仍可输出 0.7×1.2 = 84% 功率，不足部分由机柜内备用电池补齐。单相接地时，级联 H 桥的中性点本来悬浮，不需要零序通路，系统照常运行 2 小时，绝缘按第四章的 15.56kV 设计。10kV 进线处装设 17kV 级避雷器，5kA 下残压约 45kV，与 75kV 冲击耐受之间的保护裕度为 75÷45−1 ≈ 66.7%。

（五）800V 侧短路与选择性

双有源桥输出短路时，次级电压被拉到零，漏感电流以 800V÷20μH = 40A/μs 上升。硬件过流比较器阈值定为 200A，从检测到封锁不大于 2μs，封锁前电流最多再上升约 80A，这就是位置 B 脉冲电流要求不小于 450A 的来源。每个单元次级出口串一只 800V 直流熔断器，单元内部短路时熔断器隔离故障单元，其余单元继续运行。

与传统变压器不同，固变不能提供几十千安的短路电流去熔断下游的熔断器，这是 800V 直流配电选择性保护的根本难题。本篇的处理方式是：下游机柜侧采用固态断路器，按电流上升率与电流阈值动作，不依赖大短路电流；固变侧提供 125%/10s 的过载能力，并由 39 个单元次级电容和 800V 母线电容（合计约 7.8mF）提供初始放电电流。800V 母线电容在电压跌落 5% 时可释放约 243J，足以支撑下游固态断路器在几十微秒内完成判断。

七、热设计与寿命

（一）单元损耗分解与结温

额定点（2.4MW、10kV、单元 61.5kW）单个单元的损耗分解如下，结温按板面温度 45℃（进液 40℃ 加板内温升）计算：

位置 A 的热路为：每开关结壳热阻 0.07K/W、壳到冷板 0.03K/W，每模块冷板热阻 0.02K/W。每只模块损耗 66W，结温约 45 + 66×0.02 + 33×(0.07+0.03) ≈ 50℃。位置 B 同理，每只模块 94W，结温约 56℃。

这两个结温低得反常，原因在第五章：导通电阻是按十年电费最优定的，不是按结温上限定的，于是芯片面积相对于电流明显富余。富余的热裕量有两个用处。一是给旁路工况留空间：某相旁路一个单元后单元功率升到 66.7kW，位置 B 结温只升到约 57℃。二是给更高的进液温度留空间：若园区为了余热回收把供液温度提到 50℃，结温同步上升约 5K，仍远低于 125℃ 的设计上限。

（二）液冷与风冷的分工

全机损耗 31.0kW，其中位置 A 与位置 B 的 19.77kW 进液冷板，按 5K 温升、比热 3.9kJ/(kg·K) 计，冷却液流量约 1.0kg/s，即约 59 升/分钟，可直接接入园区机柜冷却分配单元的二次侧。中频变压器、电感、母排、辅助电源与网侧电感的 11.24kW 散入柜内空气，由每个相柜背部的气液换热器带走，机房不额外承担显热负荷。

（三）功率循环寿命

智算训练负载有一个配电设备过去很少遇到的特征：成千上万颗加速器同步进入计算与通信阶段，机柜功率以秒级周期在 30% 与 100% 之间摆动。按本篇热模型，负载从 30% 升到 100% 时，位置 A 结温从 45.6℃ 升到 49.6℃，波动 4.0K；位置 B 从 47.4℃ 升到 55.8℃，波动 8.4K。

功率循环寿命按 Nf = 10⁶×(60÷ΔTj)⁵ 估算，这正是第五章对模块提出的“60K 波动下不少于 100 万次”的要求。位置 B 在 8.4K 波动下 Nf ≈ 1.86×10¹⁰ 次。按每 5 秒一次摆动、连续运行 15 年计，累计约 9.46×10⁷ 次，寿命消耗约 0.51%；位置 A 的消耗约 0.01%。需要说明的是，这个模型在 10K 以下属于外推，不能据此宣称芯片连接层零风险；但数量级足以说明，在低结温设计下，功率循环不是寿命瓶颈。真正的寿命瓶颈转移到了导热界面材料在反复热胀冷缩下的泵出、薄膜电容和风扇，这三样按 12 年更换一次计入运维成本。

八、效率与损耗账

（一）全负载效率

加权系数按智算中心负载分布取：30% 负载占 10%，50% 占 20%，75% 占 40%，100% 占 30%。这个分布比通用数据中心偏重载，因为训练集群的利用率高。

10% 负载时固变比传统链路低 0.11 个百分点，这不是模型误差，而是结构决定的：39 台中频变压器的铁损合计约 2.3kW，加上约 1.9kW 的辅助电源、风扇与控制损耗，是与负载无关的固定损耗。传统链路的固定损耗主要是干变的 2.3kW 空载损耗。按模型逐点计算，两条曲线在约 11% 负载处交叉，固变只在 11% 负载以上才占优，长期低负载运行的场景（例如园区建成后分期上架的前两年）不适合用固变。

（二）额定点损耗分解

双有源桥的开关损耗 8.82kW 是最大单项，占 28%。它来自软开关关断：虽然开通是零电压的，但关断时 86A 左右的电流要在约 30ns 内转移到输出电容上，每次关断约 1.13mJ（含输出电容滞回损耗），乘以 25kHz、每单元 8 个开关、39 个单元就是 8.8kW。

北美多家初创公司的目标效率是 99% 以上。对照本篇：额定点做到 99% 需要把损耗从 31.01kW 压到 24.2kW，削减 6.8kW，即 22%。唯一够分量的来源是双有源桥开关损耗，而降低它的手段（加快关断、提高 dv/dt）与第四章为中频变压器绝缘设的 15kV/μs 上限直接冲突；降频到 18kHz 左右可以省下约 2.5kW，但铁芯截面要放大约 40%。本篇的判断是：1200V 多单元级联结构的合理目标是额定 98.7%、峰值 98.9%，把 99% 写进额定点规格，要么靠牺牲绝缘裕量，要么靠大幅增加硅面积，两者在中国的价格体系下都不划算。

九、连接器、母排与互连

本机型对互连的要求来自两件事：39 个单元要能抽屉式整体更换，以及 800V、3000A 直流要可靠送到机柜排。

单元的交流进出（级联串）用安费诺大电流盲插连接器，每单元 2 个触点，额定电流按 200A 级选。这两个触点之间的电压只是本单元的 800V 量级，但它们整体悬浮在最高 15.56kV 的对地电位上，所以连接器本身不承担对地绝缘，对地绝缘由抽屉导轨的绝缘支撑件承担。单个触点接触电阻按 0.1mΩ 计，138.6A 下每触点发热约 1.9W，全机 78 个交流触点约 150W，已计入“单元内其他”损耗。选盲插的意义在于把单元更换时间压到 30 分钟以内：拔出故障单元、推入备用单元、恢复光纤，不需要在中压隔室内拧螺栓。

单元次级 800V 输出用安费诺大电流直流连接器，每单元正负各 1 个，单元平均输出电流 77A，旁路工况 83A，按 100A 级、1000V 直流等级选。这一侧已经是接地参考的低压，连接器承受的是正常的 800V 极间电压。

800V 汇流与出线用安费诺母排与线束组件：3000A 的正负极与中性母排在直流输出柜内汇流，再经母线槽送往机柜排。到了 1MW 机柜的入口，单柜电流 1250A，用多路并联的安费诺高压连接器产品族完成机柜侧的即插接口，具体额定和并联路数由机柜厂商的接口定义确定。

控制光纤用安费诺光纤连接器，全机 78 对。光纤除了隔离信号，更关键的作用是充当单元与地电位之间唯一的非功率连接，任何金属信号线都会破坏悬浮单元的绝缘设计。

10kV 电缆终端不属于上述产品族，按常规中压电缆附件配置。

十、BOM 与经济性

（一）BOM 分解（2026 年国内量产口径）

BOM 合计 215.5 万元，折 0.898 元/W。其中碳化硅（位置 A、B、C）合计约 37.2 万元，只占 17.3%。这个比例很关键：即使碳化硅价格再降 30%，整机 BOM 也只降约 5%。真正决定成本的是中频变压器、柜体与中央控制、直流输出柜和出厂试验这四项，合计 45.2%，它们的降本靠结构标准化和试验自动化，而不是靠器件。

按 28% 毛利率，售价约 299.3 万元，折 1.247 元/W。

（二）与传统方案的对比

传统方案：2500kVA 一级能效干变 33 万元，4000A 低压柜 30 万元，2.4MW 的 800V 集中整流柜按 0.33 元/W 计 79.2 万元，低压母线槽 9 万元，合计 151.2 万元。10kV 进线柜两种方案都需要，不计入。固变的初始投资溢价为 299.3 − 151.2 ≈ 148.1 万元。

收益有三项。一是电费：平均负载 2.4MW×72% = 1.728MW，输入功率差 1.728÷0.97683 − 1.728÷0.98791 ≈ 19.8kW，年节电约 174MWh；按 0.65 元/kWh 电价和 1.25 的制冷附加系数，年收益约 14.1 万元，扣除每年约 1.5 万元的额外运维（电容、风扇、导热界面的摊销与单元巡检），净收益约 12.6 万元/年。二是占地：省出 9.1 平方米，按 3.5 万元/平方米一次性折算约 31.9 万元。三是 PUE 降低约 0.014，这一项在获批与否的边界上价值很大，但不好折成现金，本篇不计入回收期。

回收期 =（148.1 − 31.9）÷ 12.6 ≈ 9.2 年。

（三）成立与不成立的边界

按 8% 折现率、15 年寿命计，基准情景的净现值约 −64 万元。结论很清楚：在 2026 年的价格下，这个机型在中国靠电费回不了本。

要进入 5 年回收区间，售价必须降到约 246.2 万元，即 1.026 元/W，相当于在现价基础上再降 18%。在西部 0.35 元/kWh 电价的算力枢纽，即使接受 8 年回收，售价也要降到 0.966 元/W 以下。

上表还默认了一台固变单独带 72% 负载。智算园区普遍采用 2N 供电，两台固变各带一半，每台常年运行在约 36% 负载。此时固变效率 98.77%、传统链路 97.84%，差值缩小到 0.94 个百分点；总负载 1.728MW 下年节电约 147MWh，扣除两台的运维后净收益约 8.9 万元/年，而投资溢价和占地收益都要按两台计，回收期拉长到约 26 年。换句话说，2N 架构下用固变替换两路干变，在中国的价格体系下基本不成立；更合理的做法是一路固变、一路传统链路互为备用，或者在固变侧做每相冗余、系统级按 N+1 配置，把单台负载率拉回 70% 以上。

所以本机型成立的条件是三者同时满足：东部或中部电价在 0.6 元/kWh 以上；负载率在 70% 以上的训练集群；售价在 1.03 元/W 以下，或者业主愿意为 PUE 和占地单独付费。在西部低电价枢纽、在分期上架导致长期低负载的园区、在对 PUE 没有硬约束的项目上，本机型不成立，干变加 800V 整流仍是更好的选择。

十一、风险与未解问题

最不成熟的环节是中频变压器在直流加中频复合电场下的长期绝缘。工频变压器的绝缘寿命有几十年的运行数据和成熟的加速老化方法；而固变的中频变压器同时承受 15.56kV 量级的直流偏置（单相接地时）、25kHz 的方波电压和 15kV/μs 的开关沿，环氧在直流场下的空间电荷积聚、在高频沿下的局部放电起始，都还没有公认的加速寿命试验方法。本篇用 1.1 倍设备最高电压下 10pC 的局放考核做门槛，但这只是出厂筛选，不是寿命证明。第一批产品必须在每台变压器上预留局放在线监测接口，用现场数据反推寿命模型。

第二个风险是 800V 直流配电的标准空白。国内高压直流在通信领域有 240V、336V 的成熟标准，但 800V 等级的接地方式、电弧防护、保护选择性、人身安全距离都还没有国家标准，目前靠企业标准和团体标准。标准一旦落地，若要求与本篇的中点高阻接地方案不同，输出侧要改。

第三个风险是训练负载功率摆动向电网的传递。固变的单元电容在 5% 电压跌落下能释放约 1825J，只够覆盖 70% 功率阶跃约 1.09ms；800V 母线电容的 243J 更少。秒级的功率摆动会原样出现在 10kV 侧，电网公司对大容量智算负载的功率变化率可能提出限制。解决办法是在 800V 母线上并接超级电容或电池储能，这部分不在本篇 BOM 内，但会改变整个配电系统的经济账。

第四个风险是运维体系。39 个单元、78 只位置 A 模块、160 只位置 B 模块、39 台中频变压器，比一台干变多出一个数量级的元件数。冗余设计保证了单点故障不停电，但运维团队要具备单元级更换、局放数据判读和碳化硅失效分析的能力，这在多数园区的运维体系里还不存在。

第五个风险是中频变压器主绝缘击穿这一种失效的后果。其他失效大多被 N+1 冗余吸收，唯独这一种若处理不当，会把 10kV 带进 800V 母线，进而带进机柜。下表把单元级主要失效模式与本篇的处置逐一列出：

中频变压器击穿的处置原则是“让击穿先对地”。初次级之间的接地静电屏蔽层就是为此设置的：主绝缘一旦失效，放电通道先落在接地屏蔽层上，形成一次 10kV 侧单相接地，而不是直接搭到次级绕组。对小电阻接地系统，零序过流保护在 100ms 量级跳开进线断路器；对不接地或消弧线圈接地系统，单相接地电流只有几安到几十安，靠零序电压与各单元的绝缘监测定位到故障单元，再由控制系统旁路该单元并断开该单元的次级熔断器。800V 中点接地电阻旁并联一只间隙型过电压保护器，万一屏蔽失效、中压窜入次级，把 800V 母线对地电位钳在数千伏以内并使其击穿接地，交由中压侧保护切除。这条防线在型式试验中必须真正做一次破坏性验证，而不是只做计算。

供应链方面，1200V 碳化硅模块、纳米晶带材、薄膜电容在国内都有多家来源，不构成瓶颈；中频变压器的真空浇注与局放试验能力集中在少数厂家，是产能爬坡时最可能卡住的一环。

倾佳副总杨茜-力推器件方案

这张表里的每一个数字都来自本篇的设计约束，而不是现成器件的目录值。落到项目上，倾佳杨茜团队的支持分三步走。样机阶段，按第五章的规格表从倾佳杨茜代理的碳化硅功率模块里选出最接近的档位，重点核对三项不容易在规格书首页看到的参数：位置 B 的 Qoss 与零电压关断能量、位置 A 的短路耐受时间、以及两类模块在 880V 下的宇宙射线失效率数据；驱动板与模块做联调，把退饱和检测时间和软关断曲线在客户的母排上实测出来，而不是在评估板上。

小批阶段，重点是分档联测。位置 B 要求同一单元四只模块阈值电压偏差不大于 0.2V、导通电阻偏差不大于 ±5%，这需要在出货前按单元成组，我们把每只模块的出厂测试数据随货提供，并在客户产线上抽测复核。39 个单元的第一批小批，建议全部做 1.1 倍设备最高电压下的局放测试和 72 小时满载老化，老化前后比对每只模块的导通电阻与阈值电压漂移，作为后续批量的基线。

量产阶段，按客户的排产节奏做滚动备货，位置 A、B 各保持不少于两个单元用量的安全库存，保证现场单元更换不等货。现场返回的失效模块由倾佳杨茜团队牵头做失效分析，区分宇宙射线烧毁、短路、体二极管退化与装配应力四类根因，结论回写到分档规则和驱动参数里，形成闭环。

倾佳副总杨茜-力推器件方案

审核编辑 黄宇