固态变压器(solid state transformer，SST)系列之三：高频变压器材料和结构设计

随着电力电子变压器的小型化、高频化、高功 率密度化、模块化发展，高频变压器的杂散参数对 电路的影响也越来越大。如漏感、分布电容。目前， 制约其发展的主要原因有：大容量高频电磁拓扑中， 绝缘设计难度较大；高频变压器的激励波形，具有 上升时间短、幅值大、频率高等特点[49]，易于产生 更多持续的局部放电脉冲和空间电场畸变，导致绝 缘在高频电压下迅速失效[50]；铁磁材料磁滞回线面 积在高频下变大，导线中的集肤效应和邻近效应更 加严重，损耗大大提高，其正常工况下局部温升高 达 150~200 ℃[41]，极大地影响了绝缘寿命。

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）。

本文是第二部分，在本文中，对高频 变压器的研究现状进行了总结，针对存在的问题展望了其未来发展趋势。

3.1 磁芯特性和损耗计算

高频下具有低损耗密度、高饱和磁密和高机械 强度的金属软磁材料(如纳米晶合金)可能取代传统 磁芯材料应用于高压高频变压器。然而，这些金属 软磁材料的高频磁化特性、损耗特性以及温升、噪 声、振动等特性尚不清楚，是高压高频变压器的设 计难点。 由于磁芯损耗分布不均匀，总损耗比按照磁密 均匀的部分单位体积的损耗与总体积的乘积要小， 也造成仿真得到的总磁芯损耗比理论计算结果小。 并且，实际变压器中磁芯的接缝处磁通分布非常复 杂，造成损耗严重，简单地计算模型无法体现这一 现象。目前为止，也没有统一标准的非正弦激励下 的磁损耗模型计算公式，能准确获得磁芯损耗密度 的不均匀分布特性。所以，给高频变压器的设计造 成一定的难度。

3.2 绕组分布参数及效应

集肤效应和邻近效应对导体电流分布的影响， 与绕组的结构、导体的电导率、电流频率等因素有 关。绕组的交流损耗越大，电流分布越不均匀。不 同绕组结构的交直流电阻比计算方法有所不同。所 以，对于复杂波形和谐波下的集肤效应、邻近效应， 理论计算是一个研究难点。 绕组上的寄生参数分布不容忽视。漏感上储存 的能量在功率器件发生转换时释放，会造成很大的 尖峰电压和浪涌电流，使损耗增加，还会造成器件 损坏及电磁干扰。分布电容储存的能量会使脉冲方 波的上升沿以及下降沿产生振荡，由此造成的过电 压和过电流会增加开关应力，分布电容还会导致变 压器电场的不均匀分布，电势高的端部易发生电压击穿现象。因此，如何优化出更良好的绕组结构来 减小变压器的漏感和分布电容是绕组设计中一个重 要问题。

3.3 绝缘破坏与结构优化

高频变压器在复杂工况下，绝缘受混合应力的 影响，且耦合程度高，当局部电场集中时，容易引 起绝缘击穿，造成绝缘系统被破坏，绝缘材料承受 的电–热应力更加严重，例如：击穿、老化，绝缘系 统的稳定性和可靠性也成为高频变压器发展的重要 影响因素。

绝缘击穿和放电是高频变压器匝间、层间和主 绝缘设计的关键问题。现有的绝缘击穿研究大多针 对工频和直流，针对非正弦和多谐波下的绝缘击穿 特性和机理研究较少，且存在很多难点。首先，如 何准确表征非正弦、多谐波下绝缘介质的击穿特性， 获得其击穿规律？然后，频率、温度、谐波含量等 对击穿的影响机理不清楚。另外，高频高温下绝缘 介质微观电荷输运模型不清楚；缺乏电荷输运与宏 观电导、电场畸变、空间电荷等的关联，制约了高 频变压器的初始绝缘设计。

高压大容量高频变压器一般采用绝缘性能优 异的树脂材料，如环氧树脂进行浇注。在长期高压、 非正弦、谐波和高温作用下，绝缘材料可能出现复 杂的劣化和老化特性[51]，研究影响高频变压器的长 期稳定和安全运行。因此，如何获得高压、非正弦、 谐波和高温作用下介质材料的老化特性，研究老化 特征参量变化，提出评估绝缘材料老化和寿命预测 的方法是高频变压器可靠性研究的关键问题。

在绝缘结构设计方面，不同的绕组结构会形成 不同的层间电位差，产生不同的电压分布，从而对 绕组绝缘产生影响。此外，随着小型化和紧凑型的 要求，如何设计小尺寸、高性能和高稳定性的绝缘 结构是高频变压器发展的重要挑战。这里主要涉及 两个问题。一是如何设计和开发耐高压、耐局部放 电、耐高温、高导热、高机械强度的新型绝缘材料 和工艺？二是如何进行绝缘结构优化设计？高频变 压器匝间多采用聚酰亚胺(PI)薄膜进行绝缘，主绝 缘常用环氧树脂浇注。如何进行改良浇筑类型、匝 间绝缘、层间绝缘和端部绝缘的设计，优化绝缘尺 寸和端部绝缘距离是研究的主要问题。此外，如何 考虑非均匀绝缘、梯度绝缘和非线性绝缘设计，进 而改善电场和温度分布，提高变压器的绝缘强度， 是研究的难点。

3.4 电热耦合的温升效应及散热

高频变压器的散热问题主要从两部分考虑，一 要考虑内部的材料和界面处理，由于高频变压器体 积减小、散热面积减小、单位绝缘材料承受的温升 更大。在长期热应力作用下，绝缘材料将逐渐劣化、 电气强度降低，加剧绝缘材料老化，因此要选择耐 高温、绝缘性能优良的绝缘材料。二要考虑外部的 冷却方式和结构设计，要针对所研究的变压器用途 和类型，选择高效的冷却方式。另外，磁芯和绕组 的电气参数，如磁芯的 B-H 曲线、磁导率，绕组的 电导率等，都和温度有关。绕组中的温度分布不均 会使不同位置的绕组电阻率不同，可能导致分段绕 组之间的压降不均，给压降较大的部分带来高压和 绝缘挑战。绕组的排布和绝缘的结构设计也会对温 升有影响，合理设计变压器内部结构对改善温升有 一定的效果。由于高频变压器的大部分损耗都转化 为热量，精确预估非正弦波激励下高频变压器绕组 与磁芯损耗以及温升特性，对于高频变压器的散热 设计至关重要。

4 结论

1）研究高频变压器分布参数，特别是分布电 容对其性能的影响；以及负载突变造成的电压波动。 探索改善分布参数影响和负载波动的方法。

2）高频变压器材料研究和开发，主要包括高 性能磁芯材料和绝缘材料。如何开发具有高频高压 稳定性、低损耗的磁芯和高绝缘、高导热性能的绝 缘材料是高频变压器发展的关键。针对电磁特性、 成本与散热以及用量来进行合理尺寸、形状的薄膜 磁芯、片式磁芯、平面磁芯的设计。

3）针对复杂工况下的磁芯、绕组、绝缘发热 进行热管理和散热优化设计。关注高频变压器散热 片优化设计，损耗计算与分布特性，材料特性和热 界面材料设计研究。

4）高频变压器的结构优化。在设计上需要综 合绕组导线、窗口填充、散热和结构紧凑等要求。 特别是绝缘结构方面，采用非线性，非均匀和梯度 绝缘设计的思想，实现应用场景下的整体设计。

固态变压器(solid state transformer，SST)系列之三：高频变压器材料和结构设计