构筑关键电源转换新基石

为未来电网奠定基石

如果说“人工智能 (AI)”是当今新闻头条的热词，那么固态变压器 (SST) 可能很快就会成为下一个焦点 — 这是有充分理由的。随着人工智能 (AI) 规模的扩大，上游电源越来越受到关注，期望其能跟上快速扩张的数据中心部署的步伐。可以说，研发出能够解决这一电力问题、具备中电压能力、多兆瓦级的商用固态变压器 (SST) 本身就是一项成就。鉴于传统变压器及适配人工智能 (AI) 负载的电气设备具备不俗的可靠性，固态变压器 (SST) 唯有达到极高可靠水准，方能实现商业化落地。

Amperesand 公司闪亮登场

Amperesand 公司已在新加坡从事中电压 (MV) 到直流 (DC) 固态变压器 (SST) 技术研发长达十年。过去两年中，公司显著加快了开发步伐，专为人工智能 (AI) 工厂打造的第三代固态变压器 (SST) 已推向市场，同时在其位于美国内华达州里诺、加利福尼亚州旧金山和新加坡的设计与制造基地不断扩展建设。Amperesand 公司精深的固态变压器 (SST) 技术基础得到了来自特斯拉 (Tesla)、谷歌 (Google)、亚马逊 (Amazon)、微软 (Microsoft)、伊顿 (Eaton)、ABB 等企业的多元化团队的加强，这些专业人才在能源产品的大规模开发和部署方面拥有丰富的实践经验。

Amperesand 公司专注于为人工智能 (AI) 工厂的关键负载提供电力解决方案，率先将首个中电压 (MV) 固态变压器 (SST) 到机柜的供电方案商业化。该方案可为新兴的 800V 直流人工智能 (AI) 计算生态系统提供 5 MW 至 10 MW 的模块化功率转换。其最新产品在可靠性、功率容量、功率密度、效率、成本和安全性方面设立了多项行业标杆。可靠性是关键电力系统的基本要求，Amperesand 公司正在通过设计和测试，证明其固态变压器 (SST) 产品具备超过 15 年的使用寿命，并采用能够满足这一严苛可靠性需求的元器件。

Amperesand 公司应对传统基础设施挑战的新方法

Amperesand 公司的固态变压器 (SST) 非常适合用于为人工智能 (AI) 工厂供电的融合基础设施。该设计省去了传统直流原生计算生态系统中所需的大体积、长交期的工频变压器以及高电气噪声的整流器，从而在中电压 (MV) 和直流 (DC) 电源品质方面达到了行业领先水平。这一方案同时使得 Amperesand 公司的客户能够采用成本更低、多供应商采购的电池储能系统替代不间断电源 (UPS)，该储能系统不仅能平滑人工智能 (AI) 负载的功率波动，还能根据场站级电源架构提供机柜级备用电源。相比之前的不间断电源 (UPS) 系统，固态变压器 (SST) 具备更高的智能化水平，能够实现电网故障穿越、爬坡速率控制和需求响应，从而确保人工智能 (AI) 工厂具备出色的电网互操作性能，而这一性能正是当今电网并网所需要的。此外，Amperesand 公司的固态变压器 (SST) 在硬件和软件方面均具备面向未来的能力，能够高效支持更高的人工智能 (AI) 算力、网络安全以及新兴的电网互联标准。

Amperesand 公司对于正常运行时间的极致追求，旨在与传统人工智能 (AI) 供电基础设施技术的竞争中取得决定性的优势。该公司对设计和验证的执着，以达成业界领先的可靠性，正是促成与 Wolfspeed 公司建立双向工程合作关系的设计理念。

本案例研究将探讨 Amperesand 公司碳化硅 (SiC) 基中电压固态变压器 (SST) 的三个基本性能承诺：

两家公司，同一个可靠性使命

碳化硅 (SiC) 是现代固态变压器 (SST) 的一项关键赋能技术。通过在中电压 (MV) 前端采用 3.3 kV全桥 Wolfspeed WolfPACK® 模块，Amperesand 得以大幅减少功率级数量，同时仍保持冗余、可维护性和应对中电压应力的裕量，从而优化了功率密度、效率和成本。相比典型中电压固态变压器 (SST) 的工作电压，Wolfspeed 的模块提供了额外的电压裕量，从而在电压过冲场景下实现了更高的冗余能力。此外，该模块采用了超耐用的芯片 — 集成的 Wolfspeed 第四代 (Gen 4) MOSFET技术实现了优异的宇宙射线耐受性能，在整个设备安装的任务剖面内，其出色的低 FIT 率(失效率)远超预期水平。

中电压固态变压器 (SST) 制造商 Amperesand 公司首席执行官 Brian Dow 表示：“Amperesand 专注于从中电压到人工智能 (AI) 机柜的关键电力传输，要求具备一流的可靠性、功率密度、效率与成本效益。碳化硅 (SiC) 技术的最新进展为高波动性的人工智能 (AI) 工厂负载提供了最大限度的可靠性，同时解锁了优化的封装方案，从而实现了此前无法达成的成本水平，以及业内领先的功率密度和效率。Wolfspeed 始终坚持推动创新、规模化与高品质，非常适合要求严苛的固态变压器 (SST) 关键电力解决方案。”

两家公司的早期合作关系逐渐深入和具体化，这开始于 Amperesand 公司对接 Wolfspeed 公司的可靠性与应用团队，帮助其解析碳化硅 (SiC) 在应对新兴人工智能 (AI) 功率循环模式下的使用寿命。Amperesand 公司提供了多种关键电力任务剖面场景，包括由英伟达 (NVIDIA)、OpenAI 和微软 (Microsoft) 联合发布的人工智能 (AI) 训练工作负载条件¹，随后 Wolfspeed 公司着手开展了多方位的任务剖面寿命分析工作。

图1：预期故障前功率循环次数近乎无限

Wolfspeed 的新型 3.3 kV 模块采用了环氧树脂封装，以增强机械稳定性。基于 Amperesand 公司向 Wolfspeed 公司提供的故障标准以及上图所示，Amperesand 固态变压器 (SST) 中的碳化硅 (SiC) 实现了近乎无限的使用寿命，这是因为其 低 ∆T (< 30°C)。这一优势得益于一套高度创新的液冷系统，该系统可实现 50°C 以上的环境温度下运行，从而在任何环境下都能为人工智能 (AI) 工厂的关键供电提供支持。Wolfspeed 的环氧树脂封装模块的功率循环性能相比标准的硅凝胶封装模块提升了 5 倍。

基于建模工作的早期寿命预测，随后转向 Wolfspeed 位于阿肯色州费耶特维尔 (Fayetteville) 工厂的实际操作，并开始了热特性表征，以便更准确地预测 Amperesand 先进冷却系统的性能。Wolfspeed 主动承接了热特性表征电路板 (PCB) 的全面设计与制造，并在内部进行表征测试以最大限度地加速进程，从而妥善应对了极具挑战性的测试计划。

Amperesand 公司测试与可靠性工程高级总监 Omkar Nagendra 表示：“Wolfspeed 在可靠性方面的专业技术和技术支持远远超出了我的预期。很少能遇到像 Wolfspeed 这样愿意撸起袖子实干的半导体供应商。 Wolfspeed 证明了他们已经做好充分准备，并且有能力围绕我们的使命，共同开发世界一流的固态变压器 (SST) 解决方案。Wolfspeed 的主动支持帮助我们验证了真实的系统可靠性，并最终加速了我们的开发进程。”

更简便的可维护性

Wolfspeed 3.3 kV WolfPACK 功率模块实现了远超基础的可靠性。Amperesand 公司凭借 WolfPACK 更高的电压性能，在其模块化架构中对功率级进行恰到好处的设计，实现了优异的可维护性 — 同时无需牺牲成本、连接数量或功率密度。与任何电力基础设施设备一样，服务与维护将是固态变压器 (SST) 长期可靠性的必然组成部分。关键在于使维护工作具有可预测性、无缝衔接且易于安排日期。

第四代 (Gen 4) 碳化硅 (SiC) 的采用使得 Amperesand 公司的功率级保持足够小型和轻量，只需两名人员使用常见的升降设备即可在几分钟内轻松完成更换，同时满足运行期间中电压运行的严苛要求。简单、用户友好的功率级更换过程，可确保客户的停机时间降至最低，从而助力固态变压器 (SST) 实现“五个九” (99.999%) 可用性目标。

通过与 Wolfspeed 的合作，Amperesand 公司还能够充分借助第四代 (Gen 4) 碳化硅 (SiC) 的宽工作范围，并结合其内部先进的中电压热系统设计，支持固态变压器 (SST) 内的专有冗余和故障转移架构。这种冗余和故障转移架构也为客户提供了空间，以满足未来代际人工智能 (AI) 计算能力不断增长的需求。这样一来，客户的人工智能 (AI) 工作负载就能体验到坚如磐石的不间断电力传输，同时还能获得可预测的时间窗口，以协调安排固态变压器 (SST) 的维护。从预测性维护到场站级资产可视化的完整软件套件，进一步完善了 Amperesand 公司为数字化原生数据中心电力基础设施可维护性所树立的新标准。

针对最坏情况进行设计

从很多方面来看，固态变压器 (SST) 的差异化优势并不仅仅在于硬件设计。800 VDC 人工智能 (AI)工厂的操作人员与服务技术人员的安全，也是 Amperesand 公司固态变压器 (SST) 技术开发的一个重点关注领域。公司先进的电力电子控制系统、固件和软件，旨在提供优化的负载故障协调以及可编程的超快速能量传输关断功能，从而与传统方案相比降低电弧闪光事件能量。这种多层安全功能集得益于碳化硅 (SiC) 技术 — 新一代模块所支持的高热过载能力与高开关速率使其成为可能。

从使用寿命到可维护性，再到安全性，Wolfspeed 与 Amperesand 正携手合作，将中电压固态变压器 (SST) 产品定位为未来电力基础设施可靠、安全且高性价比的基石。