[中国芯声] 船舶中压直流综合电力系统固态变压器SST全碳化硅设计方案

倾佳电子副总裁 杨茜

船舶电力推进过去二十年用的是"定频中压交流母线"：柴油发电机锁死在 60Hz、6.6kV，经主配电板分配，再由一堆 6.6kV/690V 船用干式变压器降压给推进变频器和船用负载。这套架构的问题不在电气，在燃油。

柴油机的最优燃油消耗率出现在 60%~80% 负载、且转速可随负载下调的工况。锁死 60Hz 意味着转速锁死，一台 4MW 主机在 30% 负载下的比油耗要比最优点高 12%~18%。海洋工程船（PSV）、渡轮、工程驳船的实际负载曲线有一半以上时间落在 25%~45% 区间，这部分油全部是白烧的。

直流母线架构把发电机从电网频率里解放出来：发电机输出频率允许在 40~70Hz 之间自由漂移，整流级只负责把能量搬到直流母线上。国际船级社（IEEE 1709 中压直流推荐规程、DNV 与 LR 的直流配电附加标志）在 2020 年之后已经把这条路径写成可认证的常规方案，不再是示范项目。

真正卡住量产的是整流级。工频变压器加二极管整流的组合，重量和体积都在上部结构上，而船上每吨上部重量的综合造价是 6~9 万元。全碳化硅固态变压器把 8MW 的变压与整流合并到一个可以拆成 30 个模块的机柜里，是目前唯一能把这笔重量账做正的技术路线。

单元数按最坏工况倒推：6.6kV 线电压对应相电压峰值 5388V，调制比按 0.95 封顶，单元直流 700V 时需要 5388/0.95/700 = 8.1，取 9 个工作单元。8 个不够，这不是裕度问题，是电压根本调不出来。加 1 个冗余单元后每相 10 个，任一单元故障旁路后仍能满调制运行，这是船级社对推进电源冗余的硬要求，不是设计余量。

器件规格由本方案倒推定义，全部按设计需要提出，不迁就任何既有档位。

相电流 700A 有效值这一条是整篇方案的成本中枢。8MW 从 6.6kV 进，电流就是 700A，级联 H 桥的每个单元都要通过全额线路电流——这和电压等级高、电流小的 33kV 直挂机型完全相反。

1000A 档是按这个电流定义出来的，不是选出来的：峰值 990A 要求器件在 150℃ 结温下仍保持正温度系数并具备并联冗余能力，通态电阻定义为 ≤2.1mΩ@150℃。任意时刻两只器件串在电流路径上，单元导通损耗 2.06kW，占单元功率 0.77%。载波取 1kHz 阶梯波调制，开关损耗不足导通损耗的三成。

把电流档定在 1000A 而不是更低，是因为 700A 有效值下再往下切一档就必须并联：单元器件数从 2 只变 4 只，60 只变 120 只，驱动板、母排、夹具全部翻倍，整机成本上浮 18% 以上，并联均流还要额外的分档管理。1200V/1000A 62mm 压接半桥在本系列的多个低压大电流机型里是同一个物料，船舶这一篇是电流应力最高的定义场景，其余机型按它降额使用。

输入频率在 40~70Hz 漂移。级联 H 桥的锁相环不能按 60Hz 窄带设计，需要在 35~75Hz 范围内保持相位跟踪误差小于 0.5°。更麻烦的是单元电容：二倍频脉动功率与频率成反比，40Hz 时单元电容上的电压脉动比 60Hz 高 50%。单元电容按 40Hz、满载、脉动 ±8% 取值，为 4.7mF/700V，比按 60Hz 设计大一半。这笔电容成本必须在项目开始时算进去，后期改不动。

发电机短路特性与电网完全不同。电网是无穷大电源，发电机的次暂态电抗决定短路电流只有额定的 4~6 倍，且在 100ms 内衰减。级联 H 桥的输入过流保护阈值如果照搬陆上机型（按电网短路整定），在发电机侧会出现保护不动作、器件先过热的情况。整定值按 2.5 倍额定电流、20ms 判据设计，并与发电机励磁的强励逻辑做时序配合。

发电机不接地，且要求绝缘监测在线运行。IEC 60092 要求船舶电力系统采用不接地或高阻接地，单点接地故障不跳闸但要报警。直流母线侧的绝缘监测装置注入的低频信号会穿过隔离级的中频变压器杂散电容耦合到原边，实测中频变压器原副边杂散电容每台 180~320pF，30 台并联后达到 9.6nF，足以让绝缘监测误报。中频变压器必须加静电屏蔽层并单点接地，把原副边杂散电容压到每台 60pF 以下。这条是本方案唯一一个可能让整船验收卡住的细节。

传统路径：发电机→主配电板→6.6kV/690V 干变（99.0%）→二极管整流（98.5%），链路效率 97.5%。

固态变压器方案在定频满载这一个工作点上输 0.8 个百分点。把这一条写在方案里，是因为船东的技术评审一定会算，藏不住也不该藏。

真正的账在下面三笔：

• 变速发电。年运行 5000 小时的 PSV，平均负载率 38%，变速运行相比定频节油 9%~13%。按年耗柴油 1800 吨、取中值 11%，年省 198 吨，按 6500 元/吨计 129 万元。
• 重量。取消 2 台 6.6kV/690V 2.5MVA 船用干变（每台 4.2 吨）、1 面 6.6kV 主配电板（6.8 吨）、整流柜（3.5 吨），合计 18.7 吨；固态变压器本体 11.2 吨。净减 7.5 吨上部重量，按 7 万元/吨综合造价计 52 万元一次性收益，并释放约 14m² 甲板面积。
• 电池混合。直流母线天然可挂电池。1500V 直流母线上直接并 800kWh 电池包，接岸电和削峰，DP 定位工况下可停开一台主机，单船年省油再加 60~90 吨。这一项在交流母线架构下需要额外的双向变流器与变压器，直流架构下只是一组直流断路器。
  

三笔加起来第一年回收，这就是船东签字的理由。单机效率 0.8 个点在这个量级面前不构成争议。

液冷是强制项，不是选项。乙二醇水 35% 浓度，进水 45℃（热带海域海水 32℃ 加板换温升），流量 180L/min。膨胀水箱必须按 22.5° 静倾设计防晃隔板，倾斜状态下吸液口不得吸气——这是液冷在陆上机型不需要考虑、在船上直接导致停机的差异点。

盐雾与凝露：柜内按 IEC 60068-2-52 Kb 三级盐雾设计，功率模块与驱动板三防涂敷，柜内维持 5℃ 高于露点的微加热。停机状态下凝露击穿是船用电力电子最常见的返修原因，不是运行中烧的。

直流侧互连采用安费诺新能源高压互连产品线的储能/工业直流连接器：1500V 直流、单极 250A 与 600A 两个档，IP67、带高压互锁回路与二次锁止，接触电阻初值 ≤0.15mΩ、1000 次插拔后 ≤0.25mΩ。母线段间与电池包接入均使用该平台，避免在船上做裸母排螺接——螺接在持续振动下的力矩衰减是可预期的，而插接件带弹片补偿。

直流母线故障电流上升率是本方案最硬的约束。1500V 母线、30 路副边并联，单元副边电容合计 42mF，短路时 dI/dt 可达 180A/μs，机械式直流断路器的 20~40ms 动作时间在这里毫无意义。母线保护必须由固态断路器承担，分断时间 ≤10μs，并与各单元的副边限流协同：单元侧先限流到 1.5 倍额定并维持 200μs，给固态断路器留出选择性判断窗口。

这意味着本方案不能单独交付，必须和直流侧固态保护一体设计。把整流级卖给船厂、把断路器留给别人，最后调不出保护选择性，这种项目我们不接。

船舶项目的交付周期是按坞期倒排的，缺一只模块整船拖期，罚金按天计。我们对这类项目的作业方式是固定的：

在封装外形层锁定物料清单——62mm 与 E2B 压接外形一旦确定，后续换芯片代次不改结构、不改驱动板、不改母排，客户的机械设计和船级社图纸只审一次。

分档配组按整船发货——30 个单元的导通电阻分档控制在 ±5% 以内，同船同档，避免并联路径电流分配偏差在满载时放大成局部过温。

数据包随货——每批次附静态参数分布、动态测试波形、结温瞬态热阻实测曲线（要求测到 30 秒量级，因为船舶推进的冲击工况是秒级不是毫秒级），以及船级社认可证书副本。

现场问题走 FAE 闭环——船上没有第二次调试机会，出海前的联调我们派人跟到码头。

碳化硅的货源稳定性在 2025 年之后已经不是技术问题，是渠道结构问题。倾佳的做法是把国产头部器件的产能承诺写进年度框架，对船舶这类长周期、强认证的项目预留专线产能，而不是让客户在现货市场上和消费类需求抢晶圆。

倾佳副总杨茜-力推器件方案