【特地对接2744】揭榜挂帅项目：基于碳化硅宽禁带半导体器件的模块化固态变压器研发

一、需求名称

基于碳化硅宽禁带半导体器件的模块化固态变压器研发

二、技术需求概述

1.需求解决的技术问题

当前传统工频变压器存在体积庞大、能量转换效率偏低、无电能调控能力、无法适配新能源并网、储能系统、智能算力中心等新型用电场景等问题。现有固态变压器普遍存在高频绝缘可靠性差、功率密度不足、控制系统响应滞后、宽温环境运行稳定性弱、整机成本偏高五大技术瓶颈。 本次研发旨在基于碳化硅（SiC）宽禁带半导体器件，研发新一代模块化固态变压器，突破高频变换拓扑、中压高频绝缘、全域热管理、高速数字控制等技术难题；优化产品结构设计与生产工艺，降低整机生产成本，提升产品运行可靠性、能效与环境适应性，打造可批量量产、多场景适配的国产化固态变压器产品，实现对传统变压器的迭代替代。

2.技术需求提出背景及技术应用领域

（1）技术需求提出背景

在国家 “双碳” 目标、新型电力系统、智能电网、新能源储能、数据中心节能降碳等政策驱动下，传统工频变压器已难以满足光储充一体化电站、分布式光伏、轨道交通、大型智算中心、工业园区微电网等场景的智能化、小型化、高效化用电需求。固态变压器作为融合电力电子、高频电磁、数字控制的新一代智能电力装备，是新能源与节能领域重点发展方向。本企业作为高新技术企业、科技型中小企业，深耕新能源电力设备制造领域，依托现有市场与生产基础，布局固态变压器新品，抢占行业发展先机，补齐企业高端电力装备产品线，提升市场核心竞争力。

（2）技术应用领域

新能源储能电站、分布式光伏发电系统、光储充一体化充电站、大型人工智能算力中心、城市轨道交通供电系统、工业园区微电网、应急供电装备等新能源与电力节能领域。

3.技术难点

（1）高频拓扑架构设计难点：中压（10kV）等级下多级AC-DC-DC变换拓扑结构优化，需平衡开关损耗、谐波抑制与设备体积，规避多级变换带来的系统振荡问题；

（2）中压高频绝缘技术难点：高频工况下变压器局部放电控制、绝缘材料选型与结构设计，要求低局放、长寿命，耐受电压波动与温变冲击；

（3）宽禁带器件应用难点：SiC MOSFET等第三代半导体器件的驱动电路设计、串并联均流均压控制，抑制器件开关尖峰，保障器件长期稳定运行；

（4）全域热管理难点：高功率密度工况下整机散热方案设计，解决功率器件、高频磁性元件、控制模块集中发热问题，实现高低温环境（-20℃~+55℃）稳定运行；

（5）高速数字控制难点：基于FPGA /高性能DSP的毫秒级闭环控制算法开发，实现稳压、稳频、谐波治理、双向能量流动、故障自诊断与自愈功能；

（6）模块化集成难点：标准化功率模块的结构集成、电磁兼容（EMC）设计，解决模块间电磁干扰问题，满足电网电磁兼容国家标准；

（7）量产工艺难点：高频磁性元件绕制、功率模块装配、整体灌封工艺优化，兼顾产品性能与批量生产良率。

4.主要技术经济指标

（1）技术指标：

①额定输入电压：10kV工频交流，支持电压±10%波动适配；

②额定输出：800V直流，单机额定容量覆盖500kW~2MW，支持多机并联扩容；

③整机能量转换效率：额定工况下效率≥98%，轻载（30%负载）工况效率≥98.5%；

④功率密度：≥280W/L，整机体积较同容量传统变压器缩小55%以上；

⑤绝缘性能：高频运行下局部放电量≤5pC，绝缘设计使用寿命≥20年；

⑥控制性能：电压调节响应时间≤10ms，具备谐波治理、无功补偿、故障快速保护功能；

⑦环境适应性：工作环境温度-20℃ ~ +55℃，相对湿度10%~90%，可户外柜内安装；

⑧电磁兼容：符合GB/T 17626系列电力设备电磁兼容国家标准。

（2）经济指标：

①研发总预算：计划投入研发资金500万元；

②研发周期：整体项目周期16个月，其中样机研发8个月，可靠性测试与工艺优化4个月，小批量试产4个月。

三、现有基础

1.开展的工作

（1）企业已完成固态变压器市场调研、竞品分析、应用场景梳理，形成完整市场调研报告；

（2）组建专项研发小组，完成产品初步方案论证、基础电路仿真、通用结构草图设计；

（3）掌握传统高低压变压器、储能变流器（PCS）成熟制造技术，具备电力电子设备整机集成、调试经验；

（4）已完成部分核心元器件（SiC功率器件、高频磁芯、控制芯片）供应商筛选与样品对接；

（5）开展基础电磁仿真、热仿真试验，积累电力设备高低温、耐压测试经验。

2.所处阶段

目前处于前期方案论证与预研阶段，尚未开展工程样机制作，核心技术攻关、详细设计、样机试制为本次主要合作内容。

3.投入资金和人才

（1）资金：企业前期已投入预研资金35万元，用于市场调研、仿真软件采购、元器件样品采购；

（2）人才：现有专职研发人员6人，其中电力电子工程师2名、结构工程师1名、电气测试工程师2名、工艺工程师1名；团队具备5年以上新能源电力设备研发、生产经验，熟悉电力设备国标与检测标准。

4.仪器设备

现有完善的电力设备研发与测试设备：示波器、功率分析仪、耐压测试仪、局部放电检测仪、高低温试验箱、电能质量分析仪、直流负载柜、电磁干扰测试辅助设备、电路仿真工作站等，可满足基础测试、调试需求。

5.生产条件

企业拥有标准化电力设备组装生产线、无尘装配车间、成品老化测试区，具备高低压电力设备钣金加工、模块装配、整机接线、灌封、老化全流程生产能力；年电力设备综合产能可达300台，可承接固态变压器后续批量生产任务。

合作对象类型：希望与电气工程、电力电子、新能源科学与工程、电力系统及其自动化等优势学科的高校、电力电子研究院、新型电力系统科研院所开展深度产学研合作；优先对接拥有国家级重点实验室、电力电子工程研究中心的科研单位。

专家及团队要求：合作专家及团队需深耕中高压电力电子变换、高频变压器设计、宽禁带半导体应用、数字控制算法领域；具备 10kV 及以上电压等级固态变压器、大功率电力电子装备研发经验，拥有相关工程项目落地成果；团队成员结构完整，包含算法研发、电磁设计、绝缘技术、可靠性测试等方向专业人员，能够全程参与样机研发、测试与工艺优化。

合作载体：共建固态变压器联合研发实验室，长期开展技术迭代、新产品开发、技术成果转化工作；同步开展技术人才联合培养，为企业储备高端电力电子研发人才。

四、合作方式

联合开发

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