技术深度解读 · 2026年9月
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作者｜广东杰果新材料技术团队
在新型电力系统建设浪潮下，固态变压器（SST，又称电力电子变压器PET）凭借电压灵活调节、交直流多端口互联、智能管控等优势，成为数据中心800V供电、交直流混合配电网、轨道交通装备的核心装备。
中国科学院电工研究所多代10kV等级SST样机、苏州同里3MVA四端口固态变压器示范项目验证了拓扑与控制方案的可行性，但高频隔离变压器的热管理、高压绝缘、冷热循环可靠性，仍是制约SST实现高功率密度、规模化工程落地的关键短板。
高频变压器作为SST功率变换的核心部件，损耗占整机损耗约35%，传统灌封材料难以适配高频高压复杂工况，大量样机出现温升超标、局部放电、胶体开裂脱粘等可靠性隐患。材料，正在成为SST从实验室样机走向大规模商用的隐形关卡。
01 SST固态变压器：从概念提出到工程示范的半个世纪
固态变压器的概念最早于1968年由美国人威廉·麦克默里提出，并获得了1978年的IEEE William E. Newell大奖。简单说，SST是采用高频变压器和变流器实现的一种具有隔离功能的电力电子设备，学术上一般称作电力电子变压器（PET）。
与传统工频变压器相比，SST集电气隔离、潮流精确调控、谐波治理、无功补偿、故障隔离、智能监控与通讯等多种功能于一身，在数据中心供电、交直流混合配电网、电气化轨道交通等方面应用前景广阔，也是构建新型电力系统的重要装备。
以数据中心为例，AI技术作为新一轮科技革命和产业革命的核心驱动力，GPU芯片功耗6年增长超4倍（A100约400W→Rubin超2kW），72个GPU构成1个机柜，功耗达到120~140kW。预计2030年，数据中心用电量将占全社会用电量约11%，与居民用电基本相当。
在这一背景下，SST无需工频变压器，在效率、体积、重量等方面优势明显。与现有供电方式相比：SST效率约91%，巴拿马电源约90%，HVDC约88%，UPS约85%。SST是数据中心，尤其是800V架构供电的理想方案。
国内方面，中国科学院电工研究所已完成三代SST样机研制：
第一代（2009~2010年）：10kV交流输入、380V交流输出、额定容量200kVA，高频变压器额定工作频率6kHz。
第二代（2014年）：适用于直流配网的10kV交流输入、750V直流输出、额定容量1MW，DAB高频变压器额定工作频率8.33kHz。
第三代：10kV/3MVA四端口SST，应用于苏州同里综合能源示范中心，完成光伏、储能和交直流负荷潮流协调与灵活管控，CCTV曾对此进行专题报道。
02 高频变压器：SST功率密度提升路上的"体积大户"
尽管SST已取得多项工程示范成果，但一个现实问题始终摆在行业面前：已取得实际应用的SST普遍存在体积大、功率密度低的缺点。
数据显示，现有MW级SST功率密度普遍低于0.2kW/L，远小于干式工频变压器约0.4kW/L的水平。同里1号SST/3MW尺寸为17m×3m×3.5m，同里2号SST/3MW为13m×3m×3m，上虞SST/250kW为20m×3m×3m。在对体积有严格限制的场合（高铁、雷达等），SST的应用受到严重限制。
造成现有SST功率密度不高的主要原因有两个：一是Si-IGBT开关频率受限（小于20kHz），导致变压器、储能元件（电容、电感）体积大；二是Si-IGBT开关损耗较大，散热组件（风扇、水机等）体积大。
从SST功率模块主要元件体积占比来看：直流支撑电容占35%，高频变压器占30%，交流谐振电容占15%，功率半导体器件占15%，其他占5%。高频变压器是仅次于电容的第二大"体积大户"，也是提升SST功率密度必须攻克的核心部件。
图1：高频变压器热管理原理示意图（资料图）
为提高SST功率密度，减少高频变压器数量，需要提高单台高频变压器容量。但数百kW、甚至MW级高频变压器在紧凑空间内的电、磁、热、绝缘一体化设计与制造存在困难。ABB曾于2014年生产8kHz、450kW、效率99.7%、隔离电压34.5kV的高频变压器，但大容量高频变压器的设计制造仍是行业共性难题。
以中科院电工所10kV/3MVA四端口SST为例，其功率模块的热源主要有3个部分：高压侧IGBT、高频变压器、低压侧IGBT。为提高高频变压器散热效率、减小体积，采用了空芯绕组并在绕组内通入去离子水的散热方式。高压侧散热板流量8L/min，损耗3.2kW，最高温度58°C，热阻4°C/kW；低压侧散热板流量3L/min，损耗1.0kW，最高温度57°C，热阻1.2°C/kW。
这一案例充分说明：高频变压器的散热设计已经成为SST功率模块设计中不可或缺的核心环节，而灌封材料的导热性能直接决定了散热效率的上限。
03 三大行业痛点：散热、局放、热应力，每一个都卡着产业化脖子
从三级、四级到五级型主流SST拓扑，高频隔离DAB变换器是能量隔离传输的核心单元，工作频率普遍达到6~20kHz，SiC器件方案进一步拉高开关频率，同时承受10kV级中压脉冲、高dv/dt电压冲击、持续大损耗发热，对灌封材料提出完全区别于传统工频变压器的严苛要求。
当前行业普遍遭遇三大工程难题：
痛点一：散热瓶颈制约功率密度提升，热-损耗恶性循环
高频工况下磁芯铜损、铁损持续释放热量，传统普通环氧灌封胶导热系数不足0.5W/m·K，热阻大，绕组与磁芯产生的热量无法高效导出，形成内部热点。高温又会推高灌封材料介质损耗，出现温度升高→介质损耗变大→进一步发热升温的恶性循环，加速绝缘老化，严重时引发磁芯退磁、器件过热失效，限制SST向小型化、高功率密度迭代升级。
痛点二：高频高压工况下局部放电风险突出
SST高频变压器绕组排布紧凑、缝隙细微，利兹线、箔绕绕组内部存在大量微米级间隙。普通灌封胶粘度偏高，真空灌封时浸润性不足，缝隙内残留微小气泡空洞。在10kV交变高频电场作用下，空洞成为局部放电的起始点，长期持续电蚀，逐步破坏绝缘体系。
叠加SiC器件带来极高dv/dt电压跳变冲击（SiC MOSFET开关速度可达10kV/30ns，远快于Si IGBT的4.5kV/2μs），匝间、层间绝缘承受严苛考验，样机短期测试性能优异，但长期带载运行极易出现绝缘劣化击穿故障。
痛点三：冷热循环应力导致胶体开裂、界面脱粘失效
高频变压器铜绕组、磁芯金属件与环氧胶体热膨胀系数差异巨大。SST运行工况波动大，负载变化带来宽幅温度交变。若灌封胶固化收缩率大、玻璃化温度Tg偏低，在反复热循环过程中内部产生巨大内应力，出现胶体开裂、胶体与绕组和磁芯界面脱粘剥离，绝缘屏障被直接破坏，设备丧失防护能力。这也是很多SST样机在高低温可靠性试验中失效的重要诱因。
04 广东杰果新材料解决方案：高导热环氧灌封胶，系统性破解三大难题
针对固态变压器高频隔离变压器上述痛点，广东杰果新材料依托多年电子环氧配方改性积累，面向中压SST高频DAB变压器开发高导热高压环氧灌封胶体系，兼顾高导热散热、低介质损耗、高压绝缘、低应力抗冷热冲击、良好浸润灌封工艺性，匹配10kV等级SST五级拓扑、间接矩阵谐振型拓扑等多种技术路线。
图2：环氧灌封胶真空灌注工艺场景（资料图）
高导热通路设计，破解SST散热难题
杰果SST环氧灌封胶采用改性复合高导热填料共混技术，构建连续导热网络，实现优异导热性能，打破传统环氧热阻壁垒。可快速将高频变压器绕组、磁芯的损耗热量向外导出，降低内部热点温度，抑制"发热-损耗"正反馈。
在间接矩阵谐振型SST中，高频变压器是体积占比最高的元器件之一。中科院电工所研制的间接矩阵谐振型SST原理样机（30kVA，20kHz）体积约30L，体积功率密度约1.0kW/L，比同规格工频变压器提升约25%；中压原理样机（40kVA，20kHz）体积约80L，体积功率密度约0.5kW/L。高效导热灌封方案，可助力整机向着更高功率密度目标靠近，为SiC器件高频化应用提供热管理保障。
低粘度优异浸润性，消除微小气泡，抑制局部放电
材料经过配方优化，混合粘度低，升温后粘度进一步下降，具备极强渗透浸润能力。配合真空灌封工艺，胶体可以充分浸润利兹线、箔绕绕组内部细微缝隙，把绕组匝间、层间空间充分填满，最大限度排出微观气泡与空洞，从源头消除局部放电诱因。
同时配方严格控制高频介质损耗tanδ，在kHz工作频段保持较低介质损耗，减少交变电场下胶体自身发热；高介电强度，满足10kV级SST高频变压器绝缘耐压要求，抵御SiC器件高dv/dt脉冲电压冲击，保障长期运行绝缘稳定性。
低收缩、高Tg改性体系，解决热循环开裂脱粘顽疾
广东杰果新材料对环氧树脂基体、固化剂体系进行改性优化，降低固化体积收缩率，匹配磁芯、铜绕组热膨胀特性，有效缓和金属-胶体界面热应力；材料拥有较高玻璃化转变温度Tg，拓宽安全工作温度区间，在SST设备负载波动带来的宽温循环条件下，胶体不易发生模量突变，大幅降低开裂、界面脱粘风险。
胶体固化后机械强度高，粘接性能优异，对铜、硅钢磁芯、壳体基材附着力强，同时具备优秀防潮、防尘、抗振动防护能力，既满足实验室原理样机可靠性验证，也适配户外、综合能源站等复杂工程现场工况。
05 适配多拓扑路线：从五级型CHB到间接矩阵谐振型
SST电路拓扑按电能变换环节可分为三级型、四级I型、四级II型和五级型四类。目前已研制成功并取得应用的大多为五级型拓扑，通常包括级联H桥（CHB）型和MMC型两种，具备模块化、扩展性强、高效、高可靠等优点。
面向未来高功率密度方向，间接矩阵谐振型SST成为研究热点。该拓扑采用输入串联、输出并联结构，DAB高、低压侧直流电容参与谐振，无需谐振电容，支撑电容仅需μF级；工频整流桥和逆变桥开关频率为50Hz，损耗极低。中科院电工所研制的间接矩阵谐振型SST最高效率约99%，在极宽功率范围内其效率均能达到98.5%以上，并具备输出短路自动限流、故障穿越能力。
杰果SST环氧灌封胶可适配国内主流SST技术路线：
五级型CHB/MMC拓扑SST，包括中科院电工所10kV/200kVA、1MW、3MVA系列样机高频隔离DAB变压器灌封；
间接矩阵谐振型SST原理样机、中压样机高频变压器封装，助力实现软开关、短路故障穿越特性稳定发挥；
面向未来高功率密度SiC-MOSFET新一代SST，兼容更高开关频率工况，为大容量高频变压器电磁-热-绝缘一体化设计提供材料配套。
产品通过SGS、RoHS环保检测，ISO9001质量管理体系认证，支持配方定制开发，可根据样机参数、电压等级、散热方案进行性能微调，提供从试样打样到批量工程应用完整材料方案支持。
回顾国内SST发展历程，国内已经完成多代样机研制，固态变压器在综合能源系统的应用价值。但功率密度、长期运行可靠性依然是产业规模化最大阻碍。
高频隔离变压器灌封不再只是简单的"填充固定"，而是热管理、高压绝缘、应力控制三位一体的核心环节。广东杰果新材料SST专用环氧灌封胶，针对行业现存散热不足、局放隐患、热应力失效三大痛点，以高导热、低介质损耗、低应力、强浸润的材料能力，解决高频变压器底层封装难题，助力固态变压器装备提升效率、提高功率密度、延长服役寿命。
展望未来，随着15kV SiC-MOSFET逐步工程化应用，SST开关频率进一步提升，大容量高频变压器电-磁-热-绝缘耦合问题将更为复杂。杰果新材料将持续迭代环氧灌封胶配方，协同科研院所与装备企业，持续攻克国产固态变压器产业化道路上的材料关卡。
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