SST的高效率:供电效率提升至98%+,极大改善线损
发展至今,HVDC供电方案持续演进,从最早的第一代HVDC和巴拿马电源(通常240V、336V)到海外的Sidecar方案(通常400V),再到未来方案中的800V(引入了SST),HVDC供电方案表现为供电效率的持续提升,其中早期HVDC、巴拿马、SST三类方案的系统效率分别达到95.1%、97.5%、98%。
对于年耗电量巨大的吉瓦级数据中心,1个百分点的效率提升意味着每年节省数千万元的电费。究其本质,这种电压或者说供电效率的提升与三种HVDC方案所选择的变压器紧密相连,即传统HVDC对应的工频变压器,巴拿马对应的移相变压器(PST)以及80OV后的固态变压器SST。
在SST出现之前,各种供电方案采用的变压器本质都是工频变压器,在高频下工作是SST方案的核心差异所在。
SST的第二大突出优势就体现在小型化、节约空间上。
得益于高频器件和模块化设计,SST的占地不足传统UPS供电链路的50%,极致节省土地与空间,更符合未来吉瓦(GW)级AIDC的部署要求。
1)高频化:根据电磁感应原理,更高的频率意味着传递相同功率所需的磁芯(变压器)体积可以大幅减小。这是SST能用小型高频变压器取代庞大工频变压器的物理基础。
2)模块化:更重要的是,SST内部通常采用功率模块并联的设计。单个模块就是一个完整的、小功率的SST单元。
一方面,SST通过输入级-隔离级-输出级的三级功率变换结构,将传统供电系统中分散的隔离、整流、逆变等功能高度集成在一个紧凑的系统中。
另一方面,SST具备动态无功补偿(依靠内部控制算法,无需额外设备)和智能功率分配单元(集成配电、保护和监控功能,通过数字信号处理器(DSP)进行统一管理,简化布线)。因而,在相同的建筑面积内,SST方案为计算设备和散热系统释放出了宝贵的空间。
SST的绿电适配性:未来无缝接入风光储,满足降碳要求
固态变压器(SST)输入电压范围广,具备多端口电压兼容性,符合绿电输出的特征。传统工频变压器(50/60Hz)无法兼容宽范围输入,而SST高频特性使其能适应不同输入频率,无需额外滤波或调压设备。通过串联组合,SST可覆盖10kVAC中压输入需求,同时支持直流端口(如风电800VDC)的并联接入。对比来看,UPS仅支持固定电压交流输入(如400VAC),需额外整流环节接入直流绿电;HVDC虽支持直流输出,但通常其整流侧(输入侧)的设备,是为处理高压交流电而优化的。无法直接兼容光伏直流。而SST更适配光伏、储能的绿电直连,无需额外转换设备,避免能耗衰减。有研究表明,采用SST方案的新型电网架构对可再生能源的接纳能力可以达到50%-70%,效果提升为传统电网架构的1.3-2倍。向未来展望,SST通过软件重新配置还可适应新的电压标准,而传统方案可能需要进行硬件层面的重大改造,SST的可编程性赋予了基础设施前所未有的前瞻适应性。
SST不仅长于绿电的输入,还可以反向“输出绿电”,即将过剩电能反向升压至10kVAC回馈电网或用于储能,远期实现“削峰填谷”,降低用电成本。SST的双有源桥(DAB)拓扑支持双向能量流动,其过程是DAB通过高频开关控制能量流向调节导通相位差,实现功率大小的双向调节,核心为移相控制。例如,移相角为0时能量正向传输(光伏→负载),移相角为180°时反向传输(储能→电网)。一方面缓解峰值负荷压力,降低变压器、线路等设备扩容需求;另一方面,通过低谷充电、高峰放电,数据中心可直接节省电费,降低用电成本。
8OOV HVDC是SST渗透的起点,但并非终点。
如同风冷到液冷的过渡是因为风冷方案难以满足终端需求,电源方案的革新也是传统方案不适配所造成。SST的产业渗透只是初露峥嵘,还远未到大规模放量的阶段,目前甚至只是作为800VHVDC方案中的一环,SST的优势远不止能满足高压输出或者能提高系统效率,作为一种主动控制而非被动控制的方案,SST的主动灵活性、绿电适配性将使得其在未来占有更大的市场份额。
届时,行业将真正进入SST方案的时代。
SIC、GaN、纳米晶是SST的核心材料
SST本质是电能-磁能-电能的转化过程,因此,在SST方案中,导电材料与导磁材料占据材料端主要价值。其中,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是决定SST导电性能,而导磁的纳米晶或铁氧体等磁芯则与SST能量转换的效率直接相连,共同决定了SST在效率、功率密度和成本上的竞争力。
SST所采用的SiC、GaN天生的材料特性相比传统硅(Si)实现了代际飞跃,从而能直接满足高频率、高效率、高功率密度和高温稳定性等苛刻要求。
SiC、GaN均为宽禁带半导体材料,禁带越宽,器件耐压能力越强,漏电流越小,能在更高温度下稳定工作。此外,宽禁带半导体材料临界击穿场强,意味着制造相同耐压的器件所需材料厚度越薄,器件体积可以做得更小,成为SST小型化的核心。再加之两种材料的电子迁移率高,开可以支持更高的工作频率,这是实现SST高频化的关键。在实际使用中,SiC、GaN分别主要作为输入端、输出端的核心材料。英伟达宣布与多家SiC/GaN厂商合作以推进供电系统革新。根据行家说三代半,此次英伟达推动AI数据中心供电架构向800VHVDC演进,对SiC/GaN的应用需求显著提升。其中,固态变压器将需要采用大量的碳化硅器件,规格包括6500V、3300V、2300V、1200V和650V,而DC-DC电源将采用650V和1200V的氮化镓器件。基于SiC/GaN在供电系统革新中的重要性,英伟达已经宣布与纳微半导体、英诺赛科、英飞凌等多家SiC/GaN厂商合作。
固态变压器由于需要在高频下使用,因此对磁性材料提出了更严苛的要求。
变压器存在着“电-磁-电”的共同工作原理。在初始的电流输入过程结束后,电流会在磁材构成的磁芯中产生一个高速变化的磁场,从而将“电能”转化为“磁能”,磁场快速变化后变压器的次级线圈会感应出同样频率的交流电压,至此磁能又转化回了电能,完成了能量的传递。借助磁场的“耦合”,输入和输出电路能实现电气隔离,保证设备和使用者的安全。高频的工作环境使得SST选择磁性材料时有更高标准。固态变压器需要在高频工作,意味着“电-磁-电”的转化过程需要快速完成,也即磁化、退磁的速度需要快,因此变压器需要的是快速导磁和能量转换的材料(即软磁),而非产生恒定磁场(如永磁)。在高频下,磁性材料通常会面临涡流损耗和磁滞损耗两大造成能量损耗的核心挑战,理想的SST材料需要具备低损耗、高饱和磁通密度、高磁导率、温度稳定性等特质。
根据具体设计要求(如工作频率、功率等级、效率目标、成本预算)等,SST未来或以非晶合金、纳米晶合金、铁氧体作为主要的磁性材料。传统的工频变压器多采用笨重的硅钢片,这种材料在高频下损耗巨大,无法胜任kHz以上的高频工作环境。铁氧体、纳米晶/非晶是取代硅钢片的良好选择:
1)铁氧体:铁氧体高频损耗小且成本低,但在饱和磁通密度上相对较低,更适用于高频小功率场合,如开关电源
2)纳米晶/非晶:作为目前SST领域最具潜力的材料。
它们在高频下的磁芯损耗比传统硅钢片低60%到80%,同时具备高磁导率,能显著提升变压器效率(如达98.5%以上)并减小体积,适合用于高频下中大功率场景。
产业链总结
1)Al技术日新月异、全球数据中心资本开支预期持续上调,都会持续维持AIDC电源投资机会;
2)2026年Rubin架构HVDC发布,台达、维谛、伊顿等公司800V HVDC和SST产品研发进展形成板块重要催化剂;
3)国内相关企业HVDC和SST产品研发进展、进入海外厂商供应链以及国内绿电直连、交直流混联市场开启,也将给为产业发展提供重要支撑;
4)中压高频SST产品对SiC、纳米晶合金、散热材料等关键部件需求将不断提升。
SST上游材料企业
1)横店东磁:公司是全球规模最大的铁氧体材料生产企业,布局多种软磁材料体系,如铁氧体软磁、金属磁粉心、非晶纳米晶、复合软磁等,可广泛应用于新能源汽车、光储充、数据中心、人形机器人、AI用各类服务器等领城。目前,公司铁氧体永磁、铁氧体软磁全球市占率居首。
2)铂科新材:公司主要产品包括金属软磁粉、金属软磁粉芯及芯片电感等磁元件。公司最新一代软磁材料铁硅5代软磁材料目前已经研发完成,并具备量产的能力,其应用频率可达10MHZ以上。
3)云路股份:公司一直专注于先进磁性金属材料的设计、研发、生产和销售,已形成非晶合金、纳米晶合金、磁性粉末三大材料及其制品系列,产品覆盖从50Hz到100MHZ的宽频段、七大赛道应用领城。当前,公司已成为行业内最大的非晶合金薄带供应商,年设计产能达到10.5万吨。
4)英诺赛科:英诺赛科产品涵盖氮化镓晶圆、分立器件及模组等产业链各环节。根据公司公告,公司是目前业内唯一的全栈氮化镓供应商及领先的氮化镓IDM企业,也是唯一实现1200V至15V氮化镓量产的公司,可提供从800V到1V的全链路解决方案。8月1日英伟达官网更新800V直流电源架构合作商名录,英诺赛科上榜,为英伟达Kyber机架系统提供氮化镓电源解决方案。
SST布局企业
SST行业正处在方兴未艾的产业早期阶段,涉足企业多基于此前业务延伸布局如基于电网侧、UPS/HVDC、逆变器、机柜内电源等业务横纵向延伸。建议关注已有示范项目或样机的进展领先企业,同时看好具备客户资源、渠道优势的企业快速抢占市场份额,相关标的如下:
1)四方股份:SST技术已实现成熟应用。公司SST产品已在东莞巷尾多站合一直流微电网示范工程、宁波慈溪氢电耦合直流微网示范工程、城市配电网柔性互联关键设备技术示范工程等多个国家级示范项目中应用。2023-2025年间,公司SST产品持续升级迭代,从DAB拓扑迈进LLC软升关拓扑、中频隔离单向拓扑,整机效率从97.7%提升至98.5%,DC/DC效率超过99%,能源转换效率显著提升。公司提供交流10kV~35kV、直流20kV~60kV接入,240V~800V直流输出的SST系列产品,具备高效率、高可靠性、多段直流接入、高集成易安装等优势,全面适配下一代数据中心直流供电架构的需求。
2)中国西电:公司作为国内输配电装备龙头,主业涵盖高压开关、变压器等电网核心设备,在特高压输配电设备制造领域具备深厚的历史积淀。目前,公司SST业务进展显著,已有示范项目落地,进展居于国内前列,公司所属子公司西安西电电力电子有限公司拥有固态变压器研发能力及相关产品,其向“东数西算”数据中心提供的2.4MW固态变压器,已于2023年9月顺利投运,实现中压直供直流电源,并大幅缩短建设周期。
3)金盘科技:是全球干式变压器领先企业,产品主要应用于新能源、高端装备、节能环保等领域的输配电及控制。公司SST布骤焦前沿技术研发,依托30余年干式变压器的制造经验,结合有限元仿真能力,公司SST配套的高频隔离变压器产品效率高、绝缘强度好。截至公司2025年半年报,公司10kV/2.4MW固态变压器(SST)样机已完成,该样机适用于HVDC800V的供电架构,具备高效电能转换、快速响应、高度集成等优势。公司目前正处于推进样机迭代的技术验证与产能筹备阶段。
4)新特电气:公司是国内最早研发、生产与高压变频器配套的变频用变压器制造商,自成立以来就专注于各种变频用变压器的研发和制造,多绕组干式变频变压器(移相变压器)可应用于数据中心;公司布局态变压器(SST)配套用变压器的研发与创新,目前处于技术开发阶段。
产业链核心企业
1)SST产品侧:阳光电源、金盘科技、新特电气、四方股份、中国西电、麦格米特、盛弘股份、科华数据、中恒电气;海外SST公司:Eaton、Vertiv、台达电、施耐德电气。
2)SST供应链:SiC功率半导体,斯达半导、东微半导、三安光电;纳米晶磁性元件,安泰科技、京泉华、云路股份、铭普光磁。
发布于 四川
