固态变压器(solid state transformer，SST)系列之一：高频变压器应用于电力电子变压器中的复杂工况

电力电子变压器是智能电网、电动汽车、军事航空等多个领域应用的关键设备。随着电力电子变压器不 断向高压大功率发展，其相关理论和关键技术获得了不断关注。目前，针对电力电子变压器变换效率不够高、开 关管电流应力较大、模块间电压功率不平衡等问题，已经有了一些研究和解决方案。然而，对电力电子变压器的 DC-DC 变换器中核心部件-高频变压器而言，尤其是高压、高频和高温下高频变压器仍然存在很多关键问题需要 研究和解决。针对高压大容量电力电子变压器的研究背景，围绕其中高频变压器的关键问题展开论述。

本文搬运自网络，原文标题《高压大容量电力电子变压器中高频变压器 研究现状和发展趋势》，作者：威望，刘 莹，何杰峰，王 鑫，李盛涛 （西安交通大学电气工程学院，西安 710049）。

本文是第一部分，首先，论述了高频变压器应用于电力电子变压器中的复杂工况。

0引言

随着新能源电力系统和能源互联网的发展，可 再生能源和分布式能源的转换、传输和并网成为智能电网发展的迫切需求。近年来，作为“能量路由器” 的电力电子变压器发挥着电压变换、电气隔离、功 率传输与控制、能量双向流动等关键作用，成为研 究的热点。 电力电子变压器(power electronic transformer， PET)，又称固态变压器(solid state transformer，SST)， 是一种将电力电子技术与高频变压器(high fre-quency transformer，HFT)相结合的新型电力变压 器，具有体积小、质量轻、环境友好等优势。除此 之外，PET 还具备改善电能质量、维持电压稳定、 实时监测和联网通讯等功能[1]，弥补了传统变压器 的缺点。采用模块化串并联技术的级联型电力电子 变压器[2]是目前高压大容量下应用的主要方案，也 是本文所研究高频变压器的应用场景。 

针对电力电子变压器变换效率不够高、开关管 电压电流应力较大、模块间电压功率不平衡等问题 已受到广泛关注和研究[3-6]。然而，电力电子变压器 的核心部件-高频变压器仍存在很多问题需要研究 和解决。 在高频变压器设计方面的研究成果主要有为 海上风电领域 DC/DC 变换器研究设计的 166 kVA， 20 kHz 的实验样机[7]以及应用在高速列车领域的 350 kVA，10 kHz 非晶合金高频变压器等[8]。

关于 磁芯损耗的研究，瑞士洛桑工学院针对轨道交通牵 引中使用的高频变压器给出的非正弦励磁时磁芯损 耗的计算方法，并使用 61.6 kVA，2 kHz 的变压器 进行了验证[9]。文献[10]针对纳米合金、软磁铁氧体 和非晶合金材料 3 种高频磁性材料的改进磁芯损耗 公式。此外，文献[11]研究了不同绕组结构对高频 变压器参数的影响，并使用有限元分析法对不同绕 组结构下的大容量高频变压器损耗进行了分析。文 献[12]基于高频变压器等效模型，分析了分布电容 以及漏感等分布参数对变压器性能的影响，并且计 算和测量了这些分布参数以及等效绕组特性。 

随着工作频率、容量的提高以及变压器体积的减 小，对磁芯材料提出更高要求。传统磁芯材料中，硅 钢片高频损耗过大，无法满足高频变压器对传输效率 的要求。铁氧体的磁芯损耗较低，但在高压大功率条 件下存在饱和磁感应强度低、热稳定性差等问题。 高频变压器绕组的集肤和邻近效应比工频变 压器更加显著，为降低绕组损耗，一般采用利兹线 以螺线管的形式缠绕在磁芯上。但是螺线管式绕制 变压器漏感较大，增加了变压器损耗，并且很难对 漏感进行精确控制[13]。在高频工作条件下，磁芯切 割或加工的边角等磁场变化显著部位会产生很严重 的边缘效应，导致发热严重，局部温升过高，造成 绝缘失效。 

高频变压器工作在高压、高频和高温等复杂工 况下，通常会承受非正弦电压和电流波形以及大量 谐波的影响，从而导致额外的介电损耗和复杂的绝缘应力[14]。因此，高频下磁芯材料、结构和损耗， 绕组结构和损耗，绝缘材料和结构，温升和散热， 变压器多物理场耦合、等效电路/磁路建模及参数提 取方法、高频变压器与两侧电力电子拓扑间相互作 用等方面的基础理论与关键技术研究的缺乏，成为 制约高压大容量高频变压器发展的瓶颈。 本文围绕高压大容量电力电子变压器中高频 变压器关键问题展开综述研究，这里的“高压”指 高于 10 kV、“大容量”指 MVA 级，而“高频”一般 在 400 Hz~20 kHz，有些文献将其称为中频变压 器[15]。首先，介绍高频变压器的特性和工况。然后， 分别从磁芯、绕组、绝缘和散热方面，论述和分析 高频变压器的材料和结构设计，进而提出其理论和 技术存在的问题。最后，针对问题进行高频变压器 的总结和展望。

1 高频变压器的工况特性和影响

图 1 为典型模块化多电平电力电子变压器拓 扑[15]，其主要包括：输入整流级、中间双有源桥(dual active bridge，DAB)DC/DC 变换器和输出逆变级。 输入级将高压工频交流电整流成高压直流电，经过 隔离级，先将其逆变再调制为高频方波信号，同时 高频变压器将原边的高频信号耦合到副边，将其解 调并整流成低压直流电，最后经过逆变级转化为低 压工频交流电。

图 2 为隔离级(DAB 级)，其多用 LLC 谐振型变换器[16]。LLC 谐振型变换器具有良好 的软开关特性，能够显著提升系统的功率密度，采 用变频控制实现功率的双向流动。高频变压器是其 中的关键部件。 用于大容量电力电子变压器中的高频变压器 是通常工作在高频、高压和高温的复杂工况下。

表 1 为高压大容量 PET 中使用的高频变压器基本信 息[17-19]。可以看到，变压器的磁芯、绝缘和散热在 高压高频下必须重点考虑。 高频变压器特性受工况的影响很大，主要可以 分为内工况和外工况。内工况为高频变压器结构内 部的工况，外工况为电力电子变压器工作产生的工况。 高频变压器的内工况主要来自损耗、温升和结 构导致的应力集中。损耗主要源于工作频率和激励 电压波形下磁芯、绕组和绝缘损耗特性；温升主要 源于单位体积产热量增加和散热面积减小；结构导 致的应力集中主要源于高频高压下小体积的磁芯、 绕组排布及绝缘设计导致的电磁-热应力集中。

除了内工况外，高频变压器的外部工况是影响 其性能的关键因素，其主要取决于电力电子变压器 的运行要求。图 3 为高频变压器绕组电压和电流波 形[20]，其典型电压波形不是标准正弦波，而是具有 复杂高频谐波的类似方波，还会出现快速上升沿的 尖峰电压，电流波形为非标准正弦波，出现严重畸 变并有异常尖峰，造成这一现象的主要原因是高频 变压器的漏感、分布电容等影响，这也造成高频下 绝缘应力集中和损耗增加。除了电力电子变压器稳 态运行工况外，非正常工况对变压器影响也至关重 要，例如：新能源并网、输入电压跌落、不平衡、 谐波电压、输出负载突变、输出带非线性负载等。 高频变压器的复杂工况，如瞬态电压变换将增 强变压器绝缘系统的电应力，从而加速绝缘材料的老化和失效。特别地，高压应力出现在输出电压的 上升和下降边缘，这种高频效应的高压脉冲会在绝 缘失效时产生增量应力(5 kV)。此外，多电平级联 型 PET 的应用导致高频变压器绝缘遭受混合频率 应力的影响，如低频(如 100 Hz)和高频(如 20 kHz) 应力[14]，复杂的谐波应力会增加绝缘击穿风险[21]。 在高频电压下，与变压器结构、尺寸、介质参 数等相关的寄生参数，如寄生电容进一步导致其工 况复杂化，进而影响变压器工作特性。宽频电路模 型可以建立电阻、电感、电容参数与变压器物理结 构间的关联，一方面有助于对变压器电压、电流特 性分析，另一方面有助于考虑变压器寄生参数的设 计。通过建立高频变压器的宽频模型，获得不同负 载情况下的电压、电流传输函数，进而揭示在寄生 参数的作用下，高频变压器空载电压与短路电流传 输比不再恒等于绕组匝比，而是随频率发生变化。 此外，考虑到实际应用于电力电子变压器的高频变 压器所带负载情况比较复杂，导致高频变压器在传 输不同功率、带不同功率因数负载等工况下电压、 电流传输比的变化特性复杂[22]。

固态变压器(solid state transformer，SST)系列之一：高频变压器的工况特性和影响