摘要：
作为电力电子变压器和隔离型DC-DC变换器的核心部件，大容量高频变压器关键技术直接影响整个电力电子装备的性能。文中首先梳理和归纳大容量高频变压器的应用场景、应用实例、基本要求和发展目标。进而从磁芯材料、结构设计、散热设计和绝缘设计等4方面调研并分析了相关的国内外研究情况，并从中归纳总结大容量高频变压器设计亟待解决的关键问题。最后，对大容量高频变压器技术的发展现状和未来趋势进行阐述。
引言
近年来，电力电子技术在电力系统中的应用愈来愈广泛而深入，电力系统呈现“高比例可再生能源，高比例电力电子设备”两大重要特征。在应用于电力系统的众多类型电力电子装备中，电力电子变压器(powerelectronictransformer，PET)技术得到了越来越广泛的研究与应用。电力电子变压器，也称为固态变压器(solid-statetransformer，SST)或智能变压器(smarttransformer，ST)等，是指通过电力电子变换技术及高频变压器实现的具有或超出传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备，具有电压等级变换、电气隔离、功率调节与控制、多个交直流端口接入、电能质量控制以及与其他智能设备通信等一系列功能优势。典型的电力电子变压器电能变换环节如图1所示。电力电子变压器与先进的信息互联网技术结合，应用于能源互联网，称为能源路由器(energyrouter)、能量路由器、电能路由器等。由于具备上述优势，电力电子变压器技术除了早期被应用于电力机车牵引之外，近年来也被广泛应用于交直流混合配电网/微电网、新能源直流并网、电动汽车充电站、数据中心电源等领域，可显著地提升系统的性能、效率和可靠性，并可以提供多种辅助功能。因此，电力电子变压器技术是加快新型基础设施建设的重要支撑技术。图2给出了电力电子变压器应用于多种系统的架构。近年来，我国开展建设的多个交直流混联配电网和柔性直流配电网示范工程中，均采用了电力电子变压器作为连接交直流母线、可再生能源和储能系统的接口设备，如表1所示。
根据应用场合的不同要求，电力电子变压器可以具备中高压交/直流端口和低压交/直流端口，其中实现电气隔离、电压等级变换等核心功能的环节是隔离型DC-DC变换器(图1中红色虚线框所示)，而高频变压器是隔离型DC-DC变换器中的最主要元件之一(图1中绿色方框所示)。随着电力电子变压器在中高压交直流电网中应用的不断深入，对高频变压器的研究与开发方兴未艾，其基本要求是“大容量(>50kW)”、“高耐压(>30kV)”，而发展目标是“高效率”、“高功率密度”、“高可靠性”，以全面提升系统的经济性和适用性。上述发展目标包含3个层面的含义：首先是提高大容量、高耐压高频变压器自身的效率、功率密度和可靠性；之后是改进隔离型DC-DC变换器的效率、功率密度和可靠性；最后是优化电力电子变压器整体效率、功率密度和可靠性(如图3所示)。近年来，国内外主要研究机构均将提升电力电子变压器(特别是其中隔离型DC-DC变换器)的效率和功率密度作为研发重点，并取得了一系列重要进展(如表2所示[14-18])。针对隔离型DC-DC变换器中大容量高耐压高频变压器的优化设计也愈来愈被重视，国内外研究机构在该方面取得的进展如表3[16,19-21]所示，由于高频变压器的效率测试在当前技术水平下尚有困难，表3中除ETH的变压器效率指标为实测效率外，其余列出的均为效率理论值。
1、大容量高频变压器的关键技术
为了实现上述“高效率”、“高功率密度”、“高可靠性”的目标，对高频变压器所涉及的以下4个关键技术进行系统深入的总结与研究。
高频变压器研发所涉及的4个关键技术：
1）磁芯材料：磁芯材料的损耗特性、饱和磁通密度、散热性能等特性，直接关系着高频变压器的效率、功率密度等性能。新型磁性材料的研发与应用，根据工况选取合适磁性材料的方法，以及材料的加工与处理方式等，都对高频变压器的性能有着决定性的影响。
2）结构设计：包括绕组排布形式的设计，以及绕组和磁芯尺寸参数的确定，直接关系着高频变压器的电磁性能，也是提高功率密度的重要手段。结构设计同时影响着高频变压器的漏感、励磁电感等寄生参数，进行结构设计时需要满足DC-DC变换器对这些参数的限制，即需要研发磁集成技术。
3）散热设计：散热问题是限制高频变压器功率密度提升的瓶颈之一，如何选取冷却方式，设计冷却系统，是解决散热问题的关键。此外，高频变压器中损耗分布的均匀程度以及散热结构设计等因素，也对高频变压器的散热效果有着重要影响。
4）绝缘设计：隔离型DC-DC变换器的隔离功能由高频变压器实现，因此其绝缘设计决定了DC-DC变换器整体的隔离耐压水平。明晰变压器结构影响绝缘水平的机理是绝缘设计的基础，可据此设计绝缘结构和间隙等。结合有限元仿真进行精确的绝缘设计，是进一步提升绝缘性能的重要趋势。
2、大容量高频变压器的磁芯材料
2.1磁芯材料的发展情况
近年来，磁性材料的发展趋向于种类多样化，为高频变压器磁芯的研制提供了多种可供选择的材料[22]。随着高频变压器工作频率和功率等级的不断提高，对磁性元件提出了更高的要求。特别是近年来碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体器件进入实际应用阶段，可以使DC-DC变换器的开关频率上升到数百kHz甚至MHz。功率半导体器件技术的进步超过了磁性材料技术的进步，使得磁芯材料成为了制约当前隔离型DC-DC变换器进一步小型化的主要因素之一[23]。目前，各种主要磁芯材料的发展现状如表4所示[24-28]。
在中频(<100kHz)、大功率(>10kW)应用场合，非晶和纳米晶合金材料、尤其是后者，表现出优异的综合磁性能。与铁氧体材料相比，纳米晶合金材料具有更高的饱和磁通密度，并且热稳定性好，制成大尺寸磁芯也能保持性能的稳定性[28]，因此具有广阔的应用前景。但纳米晶合金材料的高频损耗较高，并且其工艺仍不够成熟，切割后损耗显著增大、浇注后应力损耗增大等问题有待解决，并且纳米晶磁芯的形状不如铁氧体磁芯灵活，一般仅有圆形、矩形，价格也相对较高，因此在相应场合应用受限，需要进一步完善。
铁氧体材料作为一种非金属磁性材料，通常由铁、锰等氧化物混合烧结之后成型，突出的优点是高频损耗小(几乎无涡流损耗)和磁导率高，这使得它可以在较宽的频率范围内使用[27-28]。同时，铁氧体材料因其制造工艺特点，能够制成任意形状，因此铁氧体磁芯的应用非常灵活。在频率50kHz~1MHz的小功率场合，目前主要采用铁氧体作为磁芯材料，但是由于铁氧体材料的饱和磁通密度较低，导致其磁能存储能力较低，并且大尺寸的铁氧体磁芯具有易碎性，故其在磁能密度要求较高和大功率领域的应用受限。
2.2磁芯材料的应用现状
在电力电子变换器的运行过程中，需要在开关频率的时间尺度上利用无源元件进行能量存储。对于给定的平均传输功率，存储在无源元件中的能量与频率成反比。因此，提高变换器的开关频率，主要为了使用更小的无源元件，以提高效率和功率密度。隔离型DC-DC变换器的开关频率从早期的几十kHz提高到目前的几十MHz，甚至超高频率范围(10~300MHz)，这在电力电子技术的发展中发挥了至关重要的作用。同时，随着新型应用需求的不断涌现(交直流配电网、新能源并网、电动汽车充电站、数据中心等)，隔离型DC-DC变换器的功率等级也在不断提高，已达数百kW甚至MW级。因此，“超大功率”“超高频”是作为隔离型DC-DC变换器核心元件的高频变压器未来的重要发展方向，这对于磁芯材料的性能提出了非常高的要求，同时也是研究人员面临的重大挑战。
各种磁芯材料应用的功率和频率范围如图4所示。在频率低于1MHz的小功率场合，目前主要采用铁氧体作为磁芯材料，但是由于铁氧体材料的初始磁导率不高，磁饱和强度较低，导致其磁能存储能力较低，故其在磁能密度要求较高和大功率领域的应用受限；而在更高频率范围(>1MHz)，铁氧体表现出高矫顽力，从而导致非常大的磁滞损耗，影响了其应用。锰锌铁氧体经过优化后，工作频率最高可达约3MHz。而对于超高工作频率(>10MHz)，具有较高磁通密度和低矫顽力的薄膜磁性材料更适合。目前在大功率(50~200kW)应用场合，非晶和纳米晶磁芯材料得到了愈来愈多的应用，其中应用频率最高的钴基非晶软磁材料最佳适用频率可达100kHz，但其磁导率随频率增高而下降的很快，因而不适于更高频的场景。如图4中的箭头所示，未来随着SiC、GaN等宽禁带半导体器件的大规模应用，高频变压器的功率等级和频率范围将会提高到更高的水平，需要探索与宽禁带半导体器件相适应的新型磁芯材料，或将现有的磁芯材料进一步优化，显著提升其性能以满足需求，这是磁芯材料研究未来所面临的重要挑战。
3、大容量高频变压器的结构设计
高频变压器的结构设计是影响电力电子系统整体性能、效率和可靠性的关键支撑技术，主要包括磁芯结构设计、绕组排布方式设计和磁集成技术3个方面。
3.1磁芯结构
目前，可用于电力电子变换器的磁芯结构种类繁多。不同的磁芯结构，其耦合特性、绕组形式、杂散参数、散热性能以及周围电磁环境均有所不同，使得其各自具有不同的应用特点，如表5所示。但是对于高频变压器，结构设计主要考虑窗口面积、散热面积、绕组排布难度以及漏磁等因素，并非所有磁芯都适用于高频变压器，特别是大功率高耐压高频变压器对磁芯的几何结构有着更高的要求。
如表4所示，适合于大容量高频变压器使用的磁芯主要有EE型、UU型两种磁芯，此外圆环磁芯也有一定的应用，但由于电压等级限制，其应用范围没有前两种广泛。EE型结构的绕组被磁芯两面包围，需要的绝缘距离更大，因此需要更大的窗口面积，而UU型磁芯则不需要很大的绝缘距离和窗口面积，因此结构更紧凑，变压器整体的体积更小。但是由于UU型磁芯的绕组没有被磁芯两面包围，因此磁通外泄较大，相比于EE型磁芯电磁干扰(electromagneticinterference，EMI)问题更为突出。ER型、EI型、RM型等磁芯在小功率场合有着广泛的应用，但在高频大功率场合由于难以满足散热、绝缘、漏感值等诸多要求，因而应用较少。
3.2绕组类型
高频变压器中可用的绕组类型主要包括绕线绕组和箔式绕组。不同的绕组类型具有不同的性能和工艺特征，适用于不同的应用场景。
除绕线绕组之外，铜箔(图5(b)所示)等箔式绕组也有所应用。与绕线绕组相比，箔式绕组的优点包括：结构紧凑、体积小、消耗材料少；绕制工艺较简单，工时少、效率高；磁势沿绕组高度分布均匀，横向漏磁少；绕组温度分布均匀，冷却条件好等。而箔式绕组的缺点有：必须在专用的箔绕机上绕制完成；同等质量下价格比铜线高；宽幅铜箔生产厂少，供货周期长；铜箔宽度需适应磁芯窗口宽度，规格不固定等。与利兹线单线直径的设计类似，铜箔绕组的厚度需要根据穿透深度进行设计，一般厚度不超过两倍穿透深度Δ。
随着工艺发展，另一类箔式绕组，印制电路板(printedcircuitboards，PCB)绕组，及其结合薄型磁芯的应用形成的平面变压器(图5(c)所示)，因其易于集成在电路板中、实现更高的功率密度，开始得到广泛应用。尽管延展方向不同，PCB绕组铺铜厚度的设计与铜箔绕组厚度的设计方法仍然类似。
3.3绕组排布方式
在大功率应用场合，高频变压器典型的绕组排布方式主要有EE型磁芯绕组上下排布、UU型磁芯绕组分开绕制和UU型磁芯绕组内外一同绕制三种排布方式(如图6所示)。高频变压器的绕组排布方式对漏感和绝缘距离有着较大的影响。如采用EE型磁芯绕组上下排布方式，可以通过计算的方式比较精确地估计漏感值。如采用UU型磁芯绕组分开绕制(原副边绕组在不同磁柱上)的排布方式，漏感会比较大，且估算漏感值比较困难。如采用UU型磁芯绕组内外一同绕制的排布方式，则可以通过绕组交错式结构使整体漏感较小。此外，采用UU型磁芯，原副边绕组进行上下排布，可以进一步减小漏感，比EE型磁芯绕组上下排布的漏感更小，并可以减小绕组的涡流损耗。高频变压器的绝缘距离也受到绕组排布方式的制约。EE型结构的绕组被磁芯所包围，因此绕组与磁芯之间需要留出足够的绝缘距离，使得变压器的整体体积更大；而采用UU型磁芯绕组分开绕制的排布方式，绕组只在一边包围磁芯，因此可以减小绝缘距离和磁芯窗口大小。
除了绕组排布方式之外，绕组本身的结构也对大功率高频变压器的性能有所影响。在高频影响下，绕组的厚度和层数会影响绕组的损耗大小和分布。由于高频变压器绕组之间存在临近效应与集肤效应，导致每一层的损耗都会不同。优化绕组自身结构的主要方式是利用有限元仿真，对比不同绕组结构下的损耗大小，并使用数学模型推导绕组厚度对于整体损耗的影响。证明了变压器绕组并联层数越多，减小临近损耗的效果越明显。另外，提出采用分布式绕组并选择合理的绕线方式可以有效改善电压分布，从而提高高频变压器的绝缘性能。
3.4磁集成技术
磁集成技术主要是指通过技术手段尽可能地提高高频变压器中磁性元件的集成度，从而减小变压器体积，提高功率密度，主要包括平面变压器磁集成与谐振电感集成两个研究方向。
平面磁性元件集成一直是电力电子领域的重要研究方向。早期的研究主要集中在平面磁性元件的设计、建模和优化。近年来，随着PCB技术的快速发展，采用PCB绕组技术和薄型磁芯的平面变压器在中小功率场合有着比较广泛的应用。使用SiC器件，结合平面磁性元件，使双有源桥(dualactivebridge，DAB)变换器的效率提升到93.2%。使用GaN器件和平面变压器，实现了3kWLLC谐振变换器，频率达到1MHz，最大效率达到了97.7%。目前，平面变压器技术主要应用于小功率场合，尚未用于实现大功率高频变压器，主要原因在于平面变压器的磁芯和绕组工艺目前还不能满足高电压、大电流带来的绝缘、散热等高要求。
近年来，LLC、CLLC变换器等谐振软开关技术在电力电子装置中的应用显著提高了系统的效率。谐振电感、电容和高频变压器等构成的谐振腔是LLC、CLLC谐振变换器中的关键环节。其中，谐振电感与高频变压器绕组之间是串联关系，将谐振电感与高频变压器集成可以减小装置的体积，提高系统的功率密度。高频变压器的漏感可以直接用作串联谐振电感参与到谐振过程中，但漏感的大小需要进行专门的设计和调整，主要有两种方法：调整气隙和增加辅助磁芯。调整气隙的谐振电感集成方法是指通过调整磁芯柱上方的气隙距离，使其中一部分磁通经过气隙，而不与副边进行耦合。这种方式可以有效地控制漏感值，且加工难度适中。另外，还可以通过增大原副边绕组间距来增加漏感，但需要额外引入填充物，加工难度较大。增加辅助磁芯的谐振电感集成方法，并不引入气隙，而是在一边的绕组磁芯中加入辅助磁芯。辅助磁芯并不与另一边绕组相耦合，而是作为谐振电感工作。这种结构易于加工，且可以精确地控制漏感值，但辅助磁芯会带来额外的损耗。
3.5杂散参数控制
大功率高频变压器的杂散参数控制主要包括漏感和寄生电容的控制。漏感的控制主要是为了将谐振变换器中的谐振电感集成在漏感中，从而提高功率密度，其实现方式作为磁集成技术的一部分，已经在上一节中详细介绍。随着工作频率的提高，变压器中的寄生电容也开始对变压器的性能产生明显影响。建立了高压高频变压器的宽频模型，其中包括了对变压器中电容效应的研究，建立了十电容表征模型以精确描述寄生电容对变压器产生的影响。考虑到分析变压器在系统中的特性时，通常被看作是一个二端口网络，表征变压器电容效应的模型可以进一步简化为三电容表征模型，如图7所示。
图7中，原副边绕组间的互电容主要影响变压器产生的EMI以及变换器原副边之间的干扰，因此该电容值需要尽可能减小。与小功率变压器不同，在大功率高频变压器中，出于绝缘需求，原副边绕组的间隙通常较大，因此互电容值较小，对变压器工作状态的影响并不明显。绕组的自电容会对变压器的工作波形和谐振状态产生影响，为减小该影响，该电容值也需要尽可能减小。根据自电容的估算方法，增大绕组匝间和层间距离、调整绕组绕制顺序和极性、采用分段绕制，均有利于减小绕组自电容。
此外，选用介电常数小的绝缘材料、以及采用静电屏蔽层，对变压器互电容和自电容的减小均有效果，但前者通常需要牺牲绝缘材料的其他性能，而后者会增大设计的难度。
4、大容量高频变压器的散热设计
高频变压器的散热设计是影响其效率、绝缘寿命以及功率密度的关键技术。高频变压器的散热设计过程主要包括损耗估计和冷却设计两个方面。通过精确的损耗估计方法获得高频变压器运行过程中的各类损耗及温升数据，并根据电力电子装置的温升要求和结构特点选择适合的冷却方式，并设计有效的散热系统。
4.1、损耗设计
高频变压器的损耗主要包括绕组流过电流产生的铜损、磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗，可以归纳为磁芯损耗和绕组损耗。
磁芯损耗计算方法的研究一直随着磁芯材料的进步和工程要求的提高而不断深化。目前在工程应用最主要的方法是利用斯坦梅茨(Steinmetz)公式估算磁芯损耗。使用方波扩展的Steinmetz方程对磁芯损耗进行建模与计算，相比传统的Steinmetz公式，引入了与频率和材料相关的参数，使方波电压激励下的磁芯损耗更加精确。绕组损耗的经典计算方法是1966年Dowell提出的计算模型，对基本的箔型绕组和方型绕组均可以进行精确的模拟计算，但不适用于相对复杂的绕组结构。当填充系数η>0.7时，采用Dowell模型在低频段的计算误差在+5%左右，在高频段误差会达到+15%以上。1994年Ferreira提出的计算模型更接近实际，可以得到更精确的圆形截面导线高频损耗[63]。在高频变压器中，通常利用利兹(Litz)线并绕换位的方法来减小邻近效应，进而降低损耗。利兹线的结构相对于传统绕组更加复杂，对于其高频绕组损耗的精确计算难度非常大。文献[64]根据内磁场与外磁场的正交关系，对利兹线进行了比较准确的物理建模，计算误差较小。将Ferreira计算模型的思想推广至利兹线，提出了一种新的绕组损耗解析算法。通过有限元仿真，对解析算法的绕组损耗计算误差进行了分析。上述解析算法只针对标准正弦电流产生的绕组损耗，而研究人员通过傅里叶分解等方法进一步估计出含高频谐波电流的绕组损耗。
高频变压器的损耗估计难度远大于传统的工频变压器，主要原因在于两个方面：
1）高频变压器的原副边绕组与电力电子开关电路配合工作，其电压、电流波形不是标准正弦波，而是方波等非正弦波，其高频谐波分量使变压器的损耗产生机理更为复杂，需要在超宽频率范围内均有效的损耗计算模型；
2）高频变压器的磁芯结构和绕组结构复杂度均高于传统的工频变压器，使得对其损耗进行精确建模与估算的难度也大大提高。
4.2冷却设计
高频变压器中的冷却方式一般包括自然冷却、强迫风冷、水冷和油冷等及新近研究的蒸发冷却等技术。各种冷却方式的优缺点及应用特点如表6所示。
自然冷却和强迫风冷由于成本较低，设计简单，在大功率柜体式变压器中较多被采用。研发了一台三相10kV/400V500kVA电力电子变压器，规模庞大，其中的无源组件(高频变压器、电感器和电容器)采用强制风冷方式。而当高频变压器系统的尺寸有严格限制时，大容量冷却风机不再适用，循环水冷却可以发挥重要作用。文献[71]研究了一种主动冷却式高功率高频变压器，将变压器的冷却系统与电力电子变换器的冷却系统结合使用，利用去离子水来冷却干燥的绝缘变压器(铁芯和绕组)，有效地减小了装置体积。油冷方式对提高散热和绝缘性能都具有一定的作用，但同时存在漏油、易燃、维护不便等缺点。设计了一种电力电子牵引变压器，使用相同的冷却液(油)冷却变压器和变换器。此外，近年来发电机组的蒸发冷却技术也被应用于变压器冷却。研究了蒸发冷却变压器，利用液态介质相变时的汽化潜热带走热量，由于同质量流体的汽化潜热相对于传统冷却方式中的介质比热大得多，因此降温效果更为显著。
综上所述，强迫风冷方式体积大，噪音大，散热效率相对较低，油冷方式存在漏油、易燃、维护难等问题，而水冷方式散热效果好，并可通过冷却水路的优化设计提高冷却水的耐压水平和绝缘性能，因而在大容量高频变压器中将发挥重要作用。对于蒸发冷却等新的冷却技术有待进一步研究探索。
5、大容量高频变压器的绝缘设计
高频变压器的绝缘设计影响变压器整体的安全性、适用性和功率密度，特别是大容量高频变压器，其电压等级高，对绝缘设计提出了更高的要求[74-78]。目前对于高频变压器绝缘设计的研究主要在以下3个方面：主绝缘设计(绝缘形式、绝缘材料)、绝缘尺寸设计(绝缘间隙、爬电距离)以及绝缘薄弱环节的优化。
5.1主绝缘设计
大容量高频变压器按照绝缘形式划分可以分为干式和油浸式两种。干式变压器的绝缘材料一般采用气体或者固体灌封材料，油浸式变压器的绝缘材料采用绝缘油。主要绝缘材料的主要特点与性能比较如表7所示[21]。
空气是最容易采用的气体绝缘材料，在干式变压器中得到了广泛应用，其具有工艺、维护均十分简单、安全性高的优势，热量也易于导出。空气介质主要的不足之处在于绝缘强度较低，容易击穿，因此在耐压要求较高时不适用。对此，研究人员将六氟化硫(SF6)气体等高性能绝缘材料应用于高频变压器中，可以满足主绝缘要求，但会增加变压器的工艺难度及制造成本。
以环氧树脂、硅胶为代表的固体灌封材料，因其优异的绝缘性能及高安全性、易维护性，得到了广泛应用。但灌封材料对工艺要求高，若灌封过程中残留有气泡，则会显著降低击穿电压和增大局部放电量。此外，采用固体灌封材料增大了变压器散热设计的难度。在已有的绝缘材料中加入具有高热导率的纳米填充物，可以使材料绝缘强度不变甚至提高的同时，提升材料的导热性能，但在材料设计过程中需注意兼顾机械特性和粘度特性等其他关键性能。
绝缘油为油浸式变压器中采用的绝缘材料，其绝缘性能良好，且由于铁心和绕组浸泡在导热性能良好的绝缘油中，还可实现良好的散热效果。设计的电力电子牵引变压器全部浸泡在油罐中，由于使用了高介电强度的油介质，装置体积非常紧凑。但采用绝缘油作为介质的高频变压器维护较为困难，且可能产生液体泄漏、挥发、着火等问题。
5.2绝缘尺寸设计
绝缘尺寸(绝缘间隙、爬电距离)的传统设计方法是根据实验测得的经验曲线，结合所需耐压水平确定。目前，研究人员主要采用魏德曼(Weidmann)曲线来设计绝缘间隙和爬电距离，该曲线是在交流工频电压下局部放电起始时测试场强得到的。根据经验曲线进行绝缘尺寸设计时，需要测量数据尽可能丰富并可靠，因而测量成本较高。同时，绝缘尺寸的安全裕量选取也是一个重要问题。高频变压器的结构类型十分丰富，当设计结构与经验曲线的测量条件差别较大时，往往需要留出较大的安全裕量，大大削弱了绝缘设计的优化效果。因此，研究人员提出利用有限元仿真来解决绝缘尺寸安全裕量选取的问题。将判断耐压水平的依据由绝缘间隙改变为变压器中的最高电场强度，引入有限元仿真精确地计算出最高电场强度，根据绝缘介质耐压特性分析确定最高电场强度与绝缘距离的关系，从而在绝缘要求与装置尺寸之间进行合理的权衡。该方法可在很大程度上优化绝缘尺寸，但在某些情况下，仿真模型与实际结构的细微差异可能导致电场强度的较大差别，从而出现意外击穿。因此，需要结合有限元仿真结果，采用整体区域分析法，以平均电场强度即电压与距离之比代替最高电场强度作为判断耐压水平的依据，从而提高绝缘设计的可靠性。
5.3绝缘薄弱环节的优化
绝缘薄弱环节往往决定着高频变压器整体的绝缘性能，因此需要利用有限元仿真进行专门的优化处理。根据仿真模拟的电场分布，可以对高频变压器结构中的关键部位进行改进。目前研究人员采用的主要措施包括：在变压器中电场强度最高的位置设置屏蔽环，以降低同等间隙下的最高电场强度，从而缩小所需的绝缘间隙[92]；采用应力控制材料来使电场强度均匀分布；比较不同绕组排布方式下的最高电场强度，选取最优的绕组排布方式。
6、大容量高频变压器设计亟待解决的问题
现阶段高频变压器的设计体系仍不完善，尤其在大容量高频变压器方向，有些问题亟待解决，总结为以下4个方面：
1）缺乏系统完整的“电–磁–热”系统模型，特别是缺少精确的损耗分析模型，影响了大容量高频变压器优化设计。已有的损耗分析模型忽略了机械振动、电磁波扩散等损耗，而且考虑的变压器结构因素较少，磁芯结构和加工方式、气隙扩散效应等因素造成的额外损耗未被考虑在内。此外，功率测量仪器通常只能量测变压器端口的功率，难以准确地确定变压器的各部分损耗。因此，需要依据大容量高频变压器的结构特征和工作机理建立全面而精确的“电–磁–热”系统模型，配合测量设备进行各部分损耗的直接和间接测量，并对变压器设计方案可能产生的损耗进行准确的理论估计，进而指导大容量高频变压器整体的效率优化设计。
2）现有的磁集成设计方法无法兼顾谐振电感取值要求、绝缘要求以及结构优化的需求。大容量高频变压器通常应用于DAB变换器和LLC、CLLC谐振变换器等电路中，需要与串联谐振电感配合实现软开关，因此其磁集成设计的关键在于宽范围调整变压器漏感取值，从而提升整体的功率密度。大容量高频变压器中常用的漏感调整方法是调整气隙，但由于漏磁通主要分布于空气中，漏感值对结构参数不敏感，在宽范围漏感取值要求下，变压器体积显著增大。增加辅助磁芯等改变磁芯结构的方法虽有一定效果，但目前只在小功率高频变压器中实现了应用，其对大容量变压器绝缘、损耗的影响机理尚不清楚，有待进一步研究。因此，需要针对大容量高频变压器进一步提出更加全面系统的磁集成设计理论以及相应的结构优化方法。
3）高频变压器结构影响绝缘设计的机理尚不够清晰，需要建立更为可靠、精准的绝缘设计标准。现有的高频变压器绝缘尺寸设计方法的依据主要有两种：绝缘间隙的平均电场强度和绝缘结构中的最高电场强度。根据平均电场强度设计绝缘间隙和爬电距离，未充分考虑变压器结构中的绝缘薄弱环节，通常需要留出较大的安全裕量，不利于结构优化；而根据最高电场强度进行绝缘尺寸设计，通常与有限元仿真相结合，对结构模型的精度要求极高，且未将沿面放电等因素考虑在内，当结构模型精度不够时，容易造成意外击穿。因此，现有的高频变压器绝缘设计方法，经验性较强，未全面考虑影响绝缘性能的关键因素，需要建立更为精准的绝缘设计标准，兼顾可靠性与结构优化需要。
4）缺少对大容量高频变压器进行全局优化设计的综合模型以及相应的智能求解算法。现有的高频变压器设计过程中，对磁芯材料、结构设计、散热设计、绝缘设计的优化是分别进行的，各方面缺乏整体协调，难以实现全局最优方案。现有的研究中较少涉及全局的优化模型，主要原因在于大容量高频变压器的设计是典型的多目标优化过程[95]，需要考虑的影响因素和约束条件繁多，复杂度非常高，非线性及非凸性极强。传统的工程优化算法是基于经验性的设计，主要用于求解效率、功率密度与变压器结构参数之间的简化函数关系曲线，难以满足复杂的全局优化模型的求解需要。因此，利用新颖的智能优化算法理论，结合高频变压器综合模型的特点，提出先进的优化求解算法，是高频变压器未来研究的重点。
7、总结与展望
本文以面向电力电子变压器应用的大容量高频变压器技术为出发点，梳理了其关于磁芯材料、结构设计、散热设计和绝缘设计等关键技术的研究，提出了大容量高频变压器设计亟待解决的问题。总结和展望如下：
1）大容量高频变压器广泛地应用于交直流混合配电网、新能源直流并网、电动汽车充电站、数据中心电源等诸多领域，其设计难度相对于工频变压器，普通高频变压器进一步提升，设计要求与目标总结为大容量(>100kW)、高耐压(>30kV)，高效率、高功率密度、高可靠性。
2）磁芯材料的损耗特性、饱和磁通密度、散热性能等特性和高频变压器的效率、功率密度等性能是直接相关的。通过整理现有材料与研究发现，锰锌铁氧体，铁基非晶、纳米晶(超微晶)合金材料，表现出优异的综合磁性能，在大容量高频变压器领域具有广阔的应用前景。另外，需探索新型磁芯材料或进一步优化现有材料，以适应由宽禁带半导体器件带来的高频变压器功率等级的提升和频率范围的拓宽。
3）结构设计影响着电力电子系统的整体性能、效率和可靠性。比较适合于大容量高频变压器的磁芯结构主要有EE型和UU型，并且这两种磁芯结构的绕组排布方式不同，变压器的漏感和绝缘距离差异也会较明显，另外，通过调整气隙和增加辅助磁芯，改变结构，将谐振电感与高频变压器集成，可以提高系统的功率密度。
4）散热设计影响着大容量高频变压器的效率、绝缘寿命以及功率密度。学者们通过逐步改进损耗模型来进行更为准确的损耗估计，但这些模型在变压器频率和结构方面都有自身的局限性，统一的损耗模型还有待进一步探索。在冷却设计方面，通过比较现有研究得出，水冷方式散热效果好，又鲜有其他问题，比较适用，蒸发冷却优势明显，但目前在大容量高频变压器方面的研究和应用较少，未来需进一步深入研究。
5）绝缘设计影响着大容量高频变压器的安全性、适用性和功率密度。目前高频变压器绝缘设计的研究主要集中在：主绝缘设计、绝缘尺寸设计和绝缘薄弱环节的优化。绝缘设计通常需要兼顾结构、尺寸、散热等其他方面，现有研究还缺乏通用性。
综上所述，有关大容量高频变压器设计的关键技术在快速发展进程中，理论体系初步形成，但仍不完整，有一系列问题亟待解决：1）缺乏系统完整的“电–磁–热”系统模型。2）现有磁集成设计方法无法兼顾谐振电感取值、绝缘以及结构优化的需求。3）结构影响绝缘设计的机理尚不够清晰，需要建立可靠、精准的绝缘设计标准。4）缺少进行全局优化设计的综合模型和相应的智能求解算法。
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