6月11日，由中關村天合寬禁帶半導體技術創(chuàng)新聯(lián)盟、機械工業(yè)出版社、中國電工技術學會科技傳播與出版專委會聯(lián)合主辦的“寬禁帶半導體大講堂第七期——SiC如何定義下一代固態(tài)變壓器（SST）？”在機械工業(yè)出版社融媒體中心成功舉辦！活動得到了中關村聯(lián)盟聯(lián)合會的大力支持，同時也得到了蔻享學術、科研云等多家媒體的合作宣傳，線上線下觀看直播人數(shù)超2.3萬人次，精彩內容可通過【寬禁帶聯(lián)盟】視頻號觀看直播回放。
本次活動邀請到清華大學新型電力系統(tǒng)運行與控制全國重點實驗室、能源互聯(lián)網(wǎng)研究院副研究員李馳、西安交通大學副教授、博士生導師王威望、華北電力大學教授、博士生導師許建中、中金公司研究部半導體行業(yè)研究員、副總經(jīng)理成喬升4位專家，圍繞SiC賦能SST關鍵技術、SST中高頻固態(tài)變壓器的絕緣與可靠性、數(shù)據(jù)中心固態(tài)變壓器電磁暫態(tài)建模仿真以及高壓架構下功率半導體市場分析等內容展開深度交流。
清華大學新型電力系統(tǒng)運行與控制全國重點實驗室、能源互聯(lián)網(wǎng)研究院副研究員李馳作報告分享清華大學新型電力系統(tǒng)運行與控制全國重點實驗室、能源互聯(lián)網(wǎng)研究院副研究員李馳在《SiC賦能SST：關鍵技術與展望》的主題發(fā)言中討論了高頻變換在實現(xiàn)SST緊湊化優(yōu)勢中的關鍵作用，分享了SST的發(fā)展歷程、廣泛的應用領域（包括數(shù)據(jù)中心、配電網(wǎng)和交通）以及未來前景。他還提到了在高鐵牽引、光伏和深海供電項目中的實踐經(jīng)驗，強調了高效控制、系統(tǒng)保護和高壓碳化硅模塊在SST中的重要性。 他指出，SST具有多端互聯(lián)、高效緊湊的優(yōu)點，在多個領域有很好前景，SST是一個高度集成的系統(tǒng)，需從器件、封裝、控制、拓撲綜合優(yōu)化。西安交通大學副教授、博士生導師王威望在《SST中高頻固態(tài)變壓器的絕緣與可靠性分析》的主題發(fā)言中指出，盡管電力變壓器技術歷史悠久，但在應對企業(yè)發(fā)展的迫切需求和新能源發(fā)展的重大責任時，仍面臨多維度挑戰(zhàn)。為了提升頻率、減小體積、增強功率，設計中必須綜合考慮隔離性、材料特性和頻率選擇，同時在保證密度的同時優(yōu)化變壓器設計與實驗。此外，他討論了高頻條件下對散熱和絕緣的高要求，以及在高速運行中維持設備可靠性的重要性，強調了材料選擇、設計方法及高效散熱技術的關鍵作用。他強調，在高強度、高密度應用條件下，確保變壓器可靠性與優(yōu)化設計的挑戰(zhàn)及解決方案，對于推動技術進步和滿足未來需求至關重要。華北電力大學教授、博士生導師許建中在《數(shù)據(jù)中心固態(tài)變壓器電磁暫態(tài)建模仿真》的主題發(fā)言中討論了仿真技術在數(shù)據(jù)中心、固態(tài)變壓器以及電子站臺設計中的關鍵作用。他提出了一套基于等值建模與并行計算的高效電磁暫態(tài)仿真方法，成功解決了數(shù)據(jù)中心固態(tài)變壓器因結構復雜和高頻開關導致的仿真速度慢問題，實現(xiàn)了數(shù)百倍的加速效果，并為AI數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的仿真分析提供了有力支撐。他強調，隨著我國算力樞紐建設和AI基礎設施的快速發(fā)展，新一代AI中心供電系統(tǒng)架構中，固態(tài)變壓器作為電源變壓器的重要發(fā)展方向，體現(xiàn)了技術創(chuàng)新的重要性，并對新能源、充電站等未來應用領域表達了樂觀展望。中金公司研究部半導體行業(yè)研究員、副總經(jīng)理成喬升作報告分享中金公司研究部半導體行業(yè)研究員、副總經(jīng)理成喬升在《高壓架構下功率半導體市場展望》的主題發(fā)言中認為碳化硅在數(shù)據(jù)中心等領域的市場空間廣闊，建議持續(xù)關注相關領域。 他深入分析了碳化硅在數(shù)據(jù)中心應用的技術細節(jié)，包括800伏架構的采用、電力電子器件的應用需求變化，以及如何通過技術改造提高數(shù)據(jù)中心的功率密度和效率。他提出了未來數(shù)據(jù)中心架構的四個發(fā)展階段，描繪了從目前到2030年碳化硅器件在數(shù)據(jù)中心應用的市場規(guī)模預期。 通過探討SST（固態(tài)變壓器）的引入對碳化硅器件需求的影響，以及不同發(fā)展階段碳化硅器件用量的預測，成喬升指出了碳化硅行業(yè)在數(shù)據(jù)中心市場具有巨大潛力。在圓桌討論環(huán)節(jié)，來自現(xiàn)場和線上的觀眾紛紛踴躍發(fā)言提問，參會嘉賓針對大家提出的普遍關注的技術和市場問題進行了現(xiàn)場解答。Q1：10kV、20kV和35kV高頻變壓器的絕緣要求分別是怎樣的？A1：（王威望）關于10kV、20kV和35kV高頻變壓器的絕緣要求，目前行業(yè)內還沒有專門針對高頻工況的統(tǒng)一標準。現(xiàn)階段的做法，大多是參照中壓低頻系統(tǒng)的絕緣要求來進行設計。比如說：對于10kV系統(tǒng)，參考的工頻耐壓要求通常在35kV左右；對于35kV系統(tǒng)，參考的工頻耐壓要求在70kV左右。但這些標準是基于傳統(tǒng)工頻變壓器制定的，而SST的工作頻率遠高于工頻，其電壓波形、上升沿陡度、重復應力等都與工頻情況有很大差異。因此，直接沿用工頻標準是否合理，目前業(yè)內還在討論和研究當中。據(jù)我了解，已經(jīng)有相關機構在著手制定專門針對高頻變壓器的絕緣標準和試驗規(guī)范。我個人認為，未來的標準一定會結合固態(tài)變壓器的實際工況來進行調整和完善。Q2：中高壓碳化硅器件在固態(tài)變壓器的未來應用前景怎么樣?中高壓碳化硅器件能夠減少電平數(shù)，簡化拓撲，但也存在成本、諧波應力、電磁兼容、可靠性等問題，低壓碳化硅器件甚至IGBT器件級聯(lián)是否夠用?A2：（李馳）采用中高壓SiC器件，確實可以顯著減少SST的級聯(lián)模塊數(shù)量，簡化拓撲結構、縮小整機體積、提升功率密度。但也存在一個關鍵問題：目前常見的高壓器件，其導通損耗和開關損耗往往大于N個低壓器件串聯(lián)后的等效損耗之和。所以，雖然級聯(lián)數(shù)減少了，但單個器件的損耗可能反而更大，最終導致整體性能出現(xiàn)劣化。所以，未來一方面，是繼續(xù)攻關高壓器件本身——包括改進器件設計和封裝工藝，努力降低高壓器件的導通電阻和開關損耗，讓它在性能上真正優(yōu)于低壓級聯(lián)方案。另一方面，是堅持低壓級聯(lián)路線，并不完全放棄。事實上，國際上也有兩種典型探索：比如ETH Zurich，他們采用10kV SiC器件做出了非常緊湊的SST樣機，代表了高壓路線的可行性。美國公司Enphase，最早做光伏逆變器的公司，則用GaN器件，通過300多個模塊串聯(lián)的方式來做SST。他們的思路是用極大的模塊數(shù)量來換取系統(tǒng)的冗余度和可靠性。所以，我認為目前業(yè)內對這兩條路線還沒有形成定論。從我個人的觀察來看，如果單純從功率密度的角度衡量，高壓SiC可能更有優(yōu)勢。但從成本角度來看，目前1.2kV的SiCMOSFET和1.2kV的SiC IGBT價格已經(jīng)不相上下，而3.3kV及以上的中高壓器件，由于缺少大規(guī)模應用場景，價格仍然居高不下。因此，中高壓器件的規(guī)模化應用可能還有一段較長的路要走。Q3：就半導體器件的應用市場來說：AI數(shù)據(jù)中心與SST能達到什么體量?與汽車行業(yè)、新能源發(fā)電等行業(yè)對比來說。A3：（成喬升）現(xiàn)在考慮市場的體量應該從兩塊來看，第一塊是實際器件的容量，理論上，我們可以從數(shù)據(jù)中心每一級功率變換的拓撲結構、器件選型入手，自下而上地累加出碳化硅器件的總需求量。但這里有一個很大的不確定性——正如李馳老師剛才提到的，中高壓碳化硅器件目前產(chǎn)業(yè)化進度較慢，短期內價格可能仍然偏高。未來的市場空間，本質上等于用量乘以單價。而單價這個變量，又會隨著規(guī)模擴大和工藝進步而快速下降。比如，目前3.3kV的SiC器件，芯片面積大約在4×4mm的量級；未來如果溝槽型、超結等新結構成熟，單個晶圓上能切割出的芯片數(shù)量會大幅提升，成本也會隨之顯著降低。所以，未來的單價存在較大的下行空間。第二，是與汽車、新能源發(fā)電等行業(yè)的體量對比。從我們初步的研究結論來看，SiC在AI數(shù)據(jù)中心的應用可能性，有可能達到與汽車行業(yè)類似的體量級別，二者不會是數(shù)量級的差距。有些人認為數(shù)據(jù)中心的市場空間不大，但我認為這可能還沒有充分考慮到未來SST以及機房側應用起來之后的彈性空間。但這個數(shù)字確實現(xiàn)在我覺得也不好具體給，可能相比新能源發(fā)電會大一些，綜合來看，我認為這至少是一個幾十億美元級別的市場。“在家都是問號，出門才有答案”，寬禁帶半導體大講堂通過線下+線上同步直播的形式，讓觀眾與科學家、企業(yè)家、投資家等能夠面對面充分互動，點對點精準交流，打造科學界、產(chǎn)業(yè)界與資本圈之間的信息交流平臺。未來聯(lián)盟將繼續(xù)為寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)鏈的專家和企業(yè)提供更多交流和學習的機會，為寬禁帶半導體事業(yè)的高質量發(fā)展助力賦能，為構建產(chǎn)業(yè)生態(tài)化和生態(tài)產(chǎn)業(yè)化硬科技圈奉獻可持續(xù)源動力！
