在AI算力爆發的背景下，數據中心供電系統面臨巨大挑戰。固態變壓器(SST）以其模塊化、可控性與高功率密度，成為突破傳統供電瓶頸的關鍵技術。為確保其復雜系統在量產前的高可靠性與穩定性，EasyGo半實物仿真方案通過構建實物+仿真的閉環測試環境，顯著降低研發風險并縮短調試周期，為超高壓、大電流AI服務器集群的供電仿真驗證提供了全鏈路解決方案。

一、AI算力爆發下的供電挑戰

隨著 AI 算力密度飆升，單機柜功耗已突破100kW，傳統交流供電架構因轉換效率低、動態響應慢，難以滿足高效能需求。高壓直流（HVDC）技術憑借直流直達芯片的簡潔路徑，成為AI數據中心的新標準。

根據美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)報告指出：傳統交流(480V AC）系統典型的整體效率(從市電到芯片）約為85-88%，而HVDC（380V/800V DC）系統可將效率提升至94-97%，能效提升幅度在6~12%之間，若考慮減少制冷能耗，總體節能效果可達15%或更高。

固態變壓器(SST）從本質上解決了傳統供電系統在應對AI算力高功率、高密度、高可靠性與高效節能需求時的結構性矛盾，被視為下一代AI算力中心供電方案的核心技術路徑。

固態變壓器（SST）作為一個完全可控的電力電子變換器，其核心優勢在于主動控制。它能夠實時監測并精確調節輸出電壓的幅值和波形，有效抑制電網側傳來的諧波干擾，并在毫秒級內補償電壓暫降，為AI硬件提供一個近乎純凈穩定的電源環境 。此外，其固態化設計減少了機械磨損部件，壽命和可靠性遠高于傳統方案。

相比于傳統的變壓器，固態變壓器（SST）具有以下優點：

▌模塊化與可擴展性：增減子模塊即可調節功率，像搭積木一樣簡單，輕松適配標準化設計與功率升級需求。

▌高可靠性：模塊化架構自帶冗余能力，單模塊故障時系統可降額運行，滿足AI服務器數據中心嚴苛的供電可靠性要求。

▌優異的性能：采用多中低壓器件并聯方案，開關頻率更高、損耗更低，大幅提升整機效率與功率密度。

二、固態變壓器（SST）

1、工作原理

固態變壓器（SST）往往是通過AC/DC、DC/DC、DC/AC三級電力電子變換實現能量轉換，在AI數據中心供電領域等部分場景下會只保留AC/DC、DC/DC兩級變換。

▌AC/DC(輸入整流級)：將工頻交流電整流為直流電，同時進行功率因數校正。

▌DC/DC(隔離級)：在高頻(10kHz-100kHz)下完成直流電壓匹配和電氣隔離，采用高頻變壓器替代傳統鐵芯。

▌DC/AC(輸出級)：將直流電逆變為所需參數的交流電。

其中DC/DC（隔離級）采用高頻技術完成電壓匹配，是固態變壓器（SST）實現電氣隔離和電壓調節的核心環節，承擔著能量雙向流動控制、功率解耦和故障隔離等關鍵功能。該級電路通過高頻開關技術替代傳統工頻變壓器，實現功率密度提升5-10倍的突破性進展。

2、硬件架構

在不同的應用場景下，固態變壓器（SST）的端口電壓形式以及電氣隔離的方式也不相同，以下為固態變壓器（SST）的3種經典架構。

基于ISOP架構的SST

?ISOP架構的核心在于化整為零，協同工作，通過將多個SST子模塊的輸入端串聯以分擔高輸入電壓，并將輸出端并聯以共同承擔大電流。

?該結構模塊化程度高、具備天然冗余可靠性，顯著降低了對單個功率器件的耐壓要求，特別適合中壓輸入、低壓大電流輸出的應用場景，但需精確控制輸入均壓與輸出均流。
基于MMC架構的SST

?MMC架構是一種面向中高壓、大功率交流應用的解決方案，其核心是通過大量結構相同的子模塊級聯來合成高質量的多電平交流波形。

?這種架構能直接應對超高電壓，輸出波形諧波含量極低，電能質量卓越，并具備強大的故障穿越能力。它非常適用于柔性交流輸電、高壓直流輸電等場景，但系統復雜度和控制難度較高。
基于MMC DC/DC架構的SST

?MMC DC/DC架構本質上是將MMC的模塊化思想應用于高壓直流到低壓直流的變換，可視為ISOP架構的直流升級版。它使用隔離型DC/DC變換器作為基本子模塊，在輸入側串聯分壓，輸出側并聯匯流，每個子模塊自帶高頻電氣隔離。

?這種架構是構建未來直流電網的核心裝備，在直流變換效率方面具備絕對優勢，主要服務于高壓直流輸電、新能源直流匯集等前沿領域。

三、半實物仿真方案

半實物仿真平臺通過構建“SST控制器實物+實時仿真模型”的閉環測試環境，采用硬件在環技術，能夠實現對控制算法有效性、系統穩定性及故障工況的精準驗證，顯著降低研發風險并縮短調試周期，為固態變壓器（SST）在量產前完成全工況測試賦能，確保從設計到應用的可靠性跨越。

這里使用我司的EGBox Pro半實物仿真設備對基于ISOP架構的固態變壓器（SST）進行實時仿真驗證，驗證其在穩定工況下輸出電壓的效果。

1、離線仿真

基于 ISOP 架構的固態變壓器（SST）由N個相同的功率變換單元在交流側輸入串聯、直流側輸出并聯的方式構成。其每個功率變換單元由前級AC/DC電路和后級雙向LLC電路構成，前級電路主要實現功率雙向控制值和輸出電壓控制，后級作為高頻變壓器起到電氣隔離的作用。

給定該拓撲的電壓為10kV AC輸入，800V DC輸出，輸出功率為1MW，串聯模塊數為10個，對其進行基于Matlab Simulink離線模型搭建如圖。

前級控制采用移相載波控制策略，將每一個模塊的載波移相90°，后級采用電壓外環，電流環內環的雙閉環移相控制策略。

設置負載輸出1MW，波形圖如下所示：

2、EasyGo半實物仿真

這里使用4個SST子模塊級聯為例（以0.4MW的ISOP架構SST拓撲搭建仿真模型），搭建實時模型如圖。

載入 EasyGo DeskSim 仿真軟件，軟件自動解析模型信息，如圖可以看到該模型消耗了123個關鍵元件數，最小仿真步長為1.0125μs。

設定實時仿真電壓輸出為 800V，啟動脈沖控制后，輸出電流為500A，輸出功率為0.4MW。隨后將負載輸出電壓設定為850V，可以看到實際輸出也隨之正確變化。

使用示波器連接仿真設備的 IO 接口，觀察800V輸出工況下，負載電壓的實際輸出值，如下所示（由于仿真器將該值縮小了100倍，因此示波器測量的理論值為8.0V）。

四、實際案例分享

通過EasyGo半實物仿真平臺的高效開發和驗證，我司研制出了基于ISOP架構的大功率電源產品，并已成功應用于深海場景。

300kW 電源主電路框圖如下。10個30kW模塊輸入串聯輸出并聯，協同工作對最大300kW電能進行變換。輸入總電壓直流額定4kV，輸出總電流最大2kA（交流幅值，直流平均值）。

?單模塊采用2級電能變換。第1級采用移相全橋電路將DC400V變換成DC150V，并保持穩定輸出；第2級采用DC/AC逆變電路輸出指定的電流波形。

?單模塊的移相全橋電路獨立運行。始終輸出DC200V的電壓，為各自模塊的后級逆變電路提供穩定的電壓輸入。移相全橋輸入電容兩端接硬件均壓電路，自動根據輸入電容電壓高低均衡輸入電壓。

?10個模塊的逆變電路由主控板控制協同運行。主控板對10個模塊的輸入電壓均壓并產生各模塊輸出電流的指令，各模塊逆變器控制輸出電流跟蹤指令，最終通過控制模塊輸出電流實現模塊輸入電壓的均衡控制。

EasyGo 半實物仿真全鏈路解決方案通過構建閉環測試環境，為SST等復雜電力電子系統提供了從實驗室走向量產的關鍵驗證橋梁。該方案能大幅壓縮開發周期、降低實機調試風險，確保產品在量產前達到極高的可靠性標準。未來，隨著技術的進一步發展，半實物仿真有望在更多復雜場景中發揮關鍵作用，為AI數據中心的高效、可靠供電提供堅實保障。