摘 要：大功率高频变压器是固态变压器的核心部件，在未来新能源并网、海上风电、中压配网、轨道交通和数据中心供电中需求广泛。该文综述了大功率高频变压器研究的关键问题与发展趋势，论述了大功率高频铁芯的材料、损耗、结构设计与制造现状，分析了绕组材料与结构设计，指出了大功率高频铁芯与绕组的关键问题。同时讨论了高频高压绝缘与散热问题，分析了绝缘失效、可靠性与散热设计中的矛盾问题。最后阐述了大功率高频变压器在设计、测试与应用等方面研究现状，讨论了其高效高功率密度设计方法，深入分析了大功率高频变压器在效率、绝缘以及温升等性能测试方面存在的关键问题。
引言
高频变压器是固态变压器的核心部件，在提升 其效率与功率密度的同时，迫切需要降低高频损耗 和提高高频绝缘系统可靠性。以非晶纳米晶软磁材 料为代表的高频铁芯材料，其磁性能提升、带材宽 度增加和厚度降低是降低高频损耗的基础。而结构 优化是提升高频变压器绝缘性能的关键，但已有的 工频、脉冲等变压器结构设计方法与制造技术不再 完全适用于 10kHz及以上大容量高频变压器，其中 电 -磁-热-力(振动、噪声)场高效协同计算、高频绝 缘设计、高频绝缘失效机理尤其缺乏足够的研究与 充分的理解。
在大尺寸铁芯设计制造方面，苏黎世联邦理工 大学采用热路法设计铁芯结构，但尚未实现铁芯设 计与带材制备、工艺参数的精准匹配 。此外，铁 芯制造存在带材易破损与成型、层间绝缘与叠片系数之间的矛盾。因此，亟需解决带材制备、热处理、铁芯设计和制造工艺不匹配等问题。
在大容量低损耗高频变压器设计方法与制造技术方面，瑞士洛桑理工学院采用局部寻优法设计并研制了目前世界上最大容量的高频变压器，频率为5kHz，容量达1MW，但该变压器传输效率较低，理论效率99.18%，实际样机效率由于大功率试验平台搭建未完成，暂未开展额定功率测试。在10kHz以上频段，受高频损耗和制备工艺影响，高频变压器的容量普遍被限制在几百kW。为此， 国内外兆伏安级高频(10kHz及以上)变压器尚待突破设计及制备技术，研制高效率样机。
在高频脉冲与高温下绝缘失效特性与机理方面，国内外研究者开展了电压波形、频率、极性和谐波电压对绝缘击穿特性的影响。然而，高频叠加谐波电压下绝缘击穿特性和规律的研究未见报道，缺乏高电压变化率du/dt电场下绝缘击穿、局部放 电与老化机理等方面研究。变频电压下绝缘空间电 荷分布受电压波形、频率、极性和电压变化率的影 响，然而，高du/dt对绝缘空间电荷影响的研究较少，目前难以表征界面微区空间电荷特性。学者针对du/dt对绝缘空间电荷的影响进行相关研究，并开发了相应测试平台。意大利博洛尼亚大学、 上海交通大学、西安交通大学等研究了直流下绝缘电荷输运模拟仿真，对空间电荷积聚/消散对绝缘破坏的影响机理进行了理论研究。
本文综述了大容量固态变压器中高频变压器的研究现状与发展趋势。重点分析了高频电磁特性、绝缘、散热、以及变压器设计、测试及应用方面的研究进展与关键问题，提出了未来在中压配网、海上风电、轨道交通与数据中心等方面大容量高频变压器的发展趋势以及需要关注的技术问题。
1、大功率高频变压器电磁特性
近年来电力设备正朝着小型化和高能量密度方向发展，运行的基波频率达到几十千赫兹。特别是随着脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)变换器(如SiC或GaN功率半导体)的广泛应用，导致谐波频谱扩展至数百千赫兹。磁芯运行工况的高频化导致磁滞损耗激增，实践中往往通过开发更先进的软磁材料和减小片材厚度来降低磁芯损耗。例如：非晶纳米晶制成的磁粉芯的研发掀起 热潮 ，且国产超薄硅钢的厚度进一步降低到0.14 mm，接近世界先进水平。
先进软磁材料和超薄软磁片通过增大电阻率和减小厚度增大对涡流场的阻碍，虽然能够削弱趋肤效应，但仅限于几千赫兹的频率范围。此外，在高磁感应强度下，受趋肤效应影响的涡流场又会与材料的非线性磁滞特性相互作用，导致材料达到磁化饱和。如何对非线性趋肤效应进行有效建模，是十分重要的研究方向。现阶段软磁材料在电气工程领域的应用频率f与磁通密度B范围如图1所示， 可以归结为以下两类：
1、低磁通密度。如图1中点A，对应频率为几百千赫兹，磁通密度值低于0.1 T。典型的应用场景为高频PWM电源和变换器，其中谐波在主要磁滞回线上产生偏置小环路。
2、高磁通密度。如图1中的点B，对应频率为几千赫兹，磁通密度接近饱和。典型的应用场景为中高频变压器铁芯，其中工作频率提高有利于变压器的小型化。
1.1、线性趋肤效应建模
针对计及趋肤效应的涡流损耗计算，一般通过求解麦克斯韦方程组，而实际材料的本构关系是滞后的非线性曲线，难以获得扩散方程的解析解。对于低磁通密度的应用场景，可近似材料满足线性磁化规律，由此可求得经典涡流损耗表达式为：
式中：Wclass为经典涡流损耗；f为频率；Bm为磁通密度的幅值；μ为磁导率；参数γ=(πσμd²f)⁰﹒⁵，其中σ为电导率；d为片材厚度。
线性磁化理论的一种推广是对其中的参数进行改进。文献[25-26]在磁滞损耗和剩余损耗不受趋肤效应影响的前提下，提取经典涡流场的参数，该方法简单，是线性磁化理论最直接的应用。文献[27-28]提出了与动态场相关联的磁导率辨识方法，将磁导率与频率相关联，拓展了线性理论的应用。文献[29-30]提出用复数磁导率代替实数磁导率，推导出式(1)的复数形式，丰富了线性理论的内容。
线性理论应用的另一种推广是图2所示Cauer等效电路。
实际上Cauer电路最早用于描述热传递过程，在用于涡流损耗建模的早期，被认为具有不明确的物理意义。文献[31-32]分别证实标准Cauer等效电路与线性磁化理论中涡流场等价，且可解释感应电场和磁场相互激发作用的结果。文献[33-35]提出利用微分磁导率构建非线性电感，能够精确地描述非线性趋肤效应。文献[36]在Cauer电路基础上提出了梯形磁阻网络，使其更适用有限元的计算。
1.2、非线性趋肤效应建模
线性磁化理论求解的扩散方程会导致靠近薄板表面的横截面区域出现不切实际的峰值感应值。 因此，必须考虑材料的非线性饱和B(H)特性，然而这势必增加非线性扩散方程的计算难度。文献[37-38]对B(H)曲线应用了均质化方法，并假设其为单值曲线，提出了使用微分磁阻张量的伪线性方法。文献[39]同样认为B(H)为单值曲线，而后将其分段线性化，推导出非线性涡流场的解析表达式。文献[40-42]使用静态或动态磁滞模型(例如动态Preisach模型)来描述B(H)本构关系，并求解了非线性滞后的扩散方程，这将导致计算量剧增，可能还需要额外的收敛程序(例如定点法)来确保计算程序的正确运行，仅适用于非取向硅钢等细畴材料。
薄板模型和参数化磁动力模型将材料1维离散为多个薄片，认为每个薄片的磁通量分布均匀，按照上述单值或者滞回特性的B(H)本构关系求解扩散方程，可获得铁芯中涡流场的1维分布情况。 若使用Mayergoyz矢量磁滞模型作为局部B(H)本构关系，可进一步扩展到2维情况。Zirka等则强调了可用畴壁弯曲来解释磁饱和区域的磁特性。
针对非线性趋肤效应建模还有其他方法，例如引入分数阶导数和饱和波模型等。文献[46-47]将分数阶导数引入损耗分离公式，基于磁滞损耗和剩余损耗不受趋肤效应影响的前提，辨识经典涡流损耗 参数，在较宽的频率范围实现损耗的准确模拟。与线性磁化理论情况相同，阶梯型本构定律是磁化饱和情况的特例。饱和波模型如式(2)所示，早期仅适用于磁饱和情况，后续Zirka、M. Petrun等多位学者对其进行改进，其应用范围得到了拓展。
式中：Hdy(t)为动态损耗对应磁场强度；Hstat(t)为静态损耗对应磁场强度；B(0)为反转点处磁通密度；B(t)为平均磁通密度；Bs为磁饱和磁通密度。
1.3、复杂激励下磁特性建模
为实现最优工作性能，高频设备往往采用多样化的控制方式和调制方式，导致磁芯运行在复杂的非正弦激励下，可能在磁滞回线内部产生偏置小环， 从而增大磁芯的损耗。
针对复杂激励下非线性材料的磁滞特性，一般有基于频域和时域的计算思路。基于频域的计算损耗一般包含将复杂激励进行傅里叶分解，然后基于动态磁滞模型或斯坦梅兹公式分析各次谐波的损耗特性，而后采取特殊的手段进行叠加，以获得复杂激励下的损耗特性，这种手段能够一定程度上体现材料的非线性，却难以准确描述磁化轨迹。基于时域的观点则着眼于每个时刻通量密度或磁场强度的大小和变化速率，希望找到一种适用于任何激励形式且能够描述每个时刻磁场强度和磁通密度关系的规律。文献[54-55]在谐波激励下偏置小环建模中，考虑了通量变化速率和偏置分量的影响，提高了多谐波工况的计算精度。另一个偏置小回环大量存在的情况是PWM激励，在磁通密度极低时材料遵循椭圆磁化定律，文献[29-30, 56]引入复数磁导率，提升了PWM激励下提升了PWM激励下磁芯损耗的计算精度。
综上所述，高频率和大功率的应用场景存在趋肤效应和软磁材料非线性特性强耦合，而现代多样化的控制和调制策略导致运行环境更加复杂。因此，大功率高频变压器电磁特性研究面临的关键问题是如何在复杂的运行环境下计及趋肤效应和材料非线 性的磁特性的准确模拟和预测。
2、高频绝缘与散热
2.1、研究现状
在高频变压器的绝缘结构中，环氧树脂、硅胶等固体灌封材料被广泛应用，但其导热性能普遍较差。Nomex绝缘纸、改性聚酯纤维无纺布(DMD)绝缘纸、 聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)及聚酰亚胺薄膜等用于高频变压器的匝间绝缘。 研究发现在高频高压下，PET薄膜与聚酰亚胺薄膜具备良好的耐电晕性能，且PET薄膜的电老化速率较低。针对高频变压器的绝缘结构设计，通过合理设计绕组布局、增加绝缘层或采用隔离材料等方式，可 降低匝绕组，减少线圈间的互感耦合，防止绝缘失效和间短路等问题。西安交通大学提出了绕组的多层绝缘结构。根据环氧树脂在高频方波电压下介电强度 的厚度依赖性，确定了多层绝缘的绝缘距离和裕度。浙江大学提出了含内外双层屏蔽的主绝缘结构，提升了中压高频变压器的主绝缘耐受性能。埃因霍温大学相关学者提出了采用利兹线-铜箔混合绕组结构并整体浸渍在酯类液体中，在减小绕组损耗的同时增强了绕组绝缘性能。
高频变压器绝缘承受高频脉冲与高温的复杂多物理场作用，电场、磁场、热场等多场耦合对绝缘的影响显著。一方面，电压频率的升高会导致绝缘击穿强度下降，绝缘击穿场强随频率和谐波的增加而下降。另一方面，高频高du/dt与温升导致绝缘局部放电增加，局部放电、介质损耗等电热累积损伤导致绝缘寿命显著缩短，严重影响高频变压器可靠性。高频绝缘老化与失效分析表明， 高频绝缘介质损耗增加、内部冲击能量损伤与空间电荷效应相互作用导致绝缘寿命明显降低。短时击穿机理并非取决于热击穿，需要考虑电-热耦合作用的电击穿过程。在绝缘高频局部放电机理方面，目前研究认为高频热效应、暂态电场变化、空间电荷等对高频局部放电的引发与发展至关重要。 近年来，高速成像技术、数值模拟和仿真、绝缘材料研究以及局放测试技术的应用，有助于分析高频局部放电机理。高频局部放电涉及电场、电流、热场等多个物理场的相互作用，需要进一步考虑材料缺陷、空间电荷、热效应和老化等。
高频变压器中固体绝缘存在绝缘与散热性能的矛盾。为保证足够的绝缘强度，需要使用绝缘性能良好的材料，如一些特殊的绝缘胶带、绝缘漆等。这些绝缘材料通常导热性能较差。散热不良导致温度升高会使绝缘材料的性能下降。高温导致绝缘材料老化、变脆，降低其绝缘电阻，从而影响变压器的绝缘可靠性。聚合物基绝缘材料绝缘性能好，但由于内部声子散射效应，导致其热导率低。高频变压器中固体绝缘，如环氧树脂常温下的导热系数一般小于0.2 W/(m·K)，远低于无机材料的热导率。 因此，高频变压器磁芯、绕组、绝缘损耗造成的高热量难以通过固体绝缘材料进行有效散热，极大地限制了高频变压器向高功率密度发展。同时，绝缘设计在确保变压器电气安全的同时，限制了散热途径和散热空间。例如：在紧凑的变压器结构中，为满足绝缘要求，绝缘部件可能会占据原本可用于散热的空间，导致散热效果降低。尤其是大功率与小尺寸应用时，高频变压器固体绝缘散热与绝缘性能的协同提升是设计与可靠性的重点问题。
高频变压器运行时，磁芯与绕组损耗较大。随着频率的增加，磁芯和绕组损耗变化趋势不同。大容量高频变压器的绕组损耗可能高于磁芯损耗。此外，绝缘介质损耗也随频率和外部温度的增加而升高，给高频变压器的散热带来了挑战。绝缘介质承受的高次谐波电压主要由激励上升下降沿处的高频振荡造成。文献[59]提出了采用叠加谐波电压的等效阶跃函数，定量计算了环氧树脂绝缘的高频、 高du/dt下的介质损耗。叠加谐波电压后导致绝缘介质损耗增大，通过仿真计算结果指出高频谐波电场显著增加了介质损耗。同时指出当环氧树脂绝缘温度高于玻璃化转变温度Tg时，介质损耗迅速增加，热失效的风险增加。
在散热结构设计方面，目前大容量高频变压器需通过散热结构(如风冷与水冷等)进行散热优化以提高散热效率。液冷散热可提高大容量高频变压器的散热效率。空水冷等高效制冷且不依赖当地环境的冷却系统，可快速有效降低温升。考虑材料特性(如传热系数、导热系数、比热容等)、电流和电压、变压器结构(包括尺寸、形状、材料等)以及环境温度等相互影响，通过有限元法(finite element method，FEA)和计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)等数值模拟方法，可进行高频变压器的散热设计。
2.2、关键问题
在高频、谐波、高温等复杂工况下，绝缘的失 效特性与机理，以及寿命模型，是高频变压器设计与可靠性的关键问题之一。另外，电场、磁场、热场及机械应力等多物理场之间的相互耦合关系复杂。深入理解这些耦合作用对绝缘性能的影响机制，进行有效的绝缘设计和优化，是未来面临的挑战。 如何实现散热与绝缘的协同优化，是保证大功率高频变压器性能和可靠性的关键。同时，这也是以新能源为主的新型电力系统设备绝缘系统可靠性亟需解决的问题。
3、高频变压器设计、测试与应用
3.1、高频变压器应用现状及关键问题
目前，国内外研制的高频变压器被广泛应用在轨道交通、舰船、灵活交直流输配电工程和新能源接入等多个领域。在轨道交通与舰船领域，典型的应用包括：法国ALSTOM研制出5kHz/1.5MW的多绕组输入高频变压器，应用于机车辅助变电系统。ABB公司研制了1.75kHz/150kW的高频变压器，应用于机 车牵引领域，固态变压器整机电压达15 kV，容量为1.2 MW。采用1.75 kHz的高频变压器技术提升了电力传输效率，且显著减小了机车牵引变压器的体积和重量。海军工程大学联合东南大学研制4 kHz/250 kW高频变压器，应用到舰船综合电力系统中，直流变压器整机电压和功率为10kV/2MW。
在交直流输配电领域，典型的应用包括：德国亚琛工业大学大学Doncker教授团队先后研制出单相2.2MW/1kHz和三相5MW/1kHz共2款中频变压器，应用于亚琛工业大学校园内的多终端5kV中压直流电网。该直流电网同时连接了亚琛工业大学E. ON Energy研究中心的发电和存储系统（power generation and storage systems，PGS）的转换器试验台和风力驱动中心的风力涡轮机试验台。进一步，中科院电工所团队研制了基于纳米晶铁芯的5kHz/200 kVA高频变压器，并成功应用于苏州苏州同里交直流混合配电示范工程(10 kV/3 MVA)。清华大学团队研制出0.6kHz、1.25MVA的高频变压器，应用于东莞松山湖示范工程(±10kV/10MVA， 世界最大容量的直流变压器)。
在新能源电网接入领域，典型的应用包括：查尔莫斯大学团队研制了5kHz/50 kW油浸式高频变压器，耐压超过百千伏，以探索其在海上风电站中的应用。
大功率高频变压器可通过提高频率和增大容量，显著提升系统的功率密度、传输效率和运行可靠性。高频变压器的应用正逐步向10kHz及以上频率、1 MVA及以上容量领域发展。在这些高频高压场景下，高频变压器面临的电磁兼容性、绝缘耐压设计及散热管理等问题变得更加复杂。
3.2、高频变压器设计现状及关键问题
随着海上风电、光伏汇集和铁路牵引等领域对高频变压器的需求日益增加，高频变压器设计逐渐趋向高效率、高功率密度和高可靠性方向。大容量高频变压器的整体设计是一个复杂的多目标优化设计过程，需要根据具体应用场景的特性，综合考虑磁芯材料与结构、绕组类型与设计、以及散热与绝缘等多个方面。各设计要素的选择与优化直接决定了变压器的性能、效率及可靠性。
针对大容量高频变压器的多目标协同设计，2016年查尔莫斯大学的Bahmani提出了一种基于系统参数和耐压需求的变压器设计方法，对变压器结构尺寸进行参数化扫描，构建模型库，同时计算变压器尺寸、损耗、漏感及温升。通过温升和绝缘距离限制，对变压器模型库筛选出可行解集，采用帕累托最优法对比性能，最终获得满足设计需求的优异变压器模型。该方法实现了多目标优化，显著提高了变压器的设计效率和性能，并成功完成5kHz、1MW高频变压器的纯理论设计(未制备样机)，理论效率达99.74%。然而，该方法仍存在理论模型与实际应用之间偏差较大的问题。基于Bahmani的方法，瑞士洛桑联邦理工团队进一步研究，构建了简便、快速且精准的变压器物理模型(涵盖损耗、温升、电场等)，并提出了基于数学理论和材料库输入的两步走优化方法。该方法有效缩小了理论设计与标准高频变压器设计之间的差距，成功研制出1款100kW/10kHz高频变压器，测试效率超过99.3%。此外，洛桑理工团队还采用局部寻优法设计并研制了5kHz、1MVA高频变压器。 清华大学团队同样提出了基于帕累托多目标优化的高频变压器设计方法，研制出1款功率密度46 kW/L，效率达99.3%的140kVA，5.5 kHz高频变压器。
通过综合分析电磁场、热场和力场的耦合作 用，可以进一步优化变压器的整体性能。浙江大学 团队提出了融合解析模型和有限元模型的分步优化设计方法，完成大容量高频变压器的电-磁-热联合 设计，但计算收敛性、精度和效率难以兼顾 。同时，人工智能技术的引入使得设计过程中各参数间的关联可以通过数据驱动的方法进行更精细的优化。瑞士洛桑团队据此方法提出了一种基于有限元的统计数据驱动建模方法，用于大容量中频变压器的设计优化。该方法利用有限元模型高精度与数据驱动的高效性相结合，在优化过程中综合考虑电磁、热及机械性能，显著提升变压器设计的效率， 目前，通用的物理场仿真软件通过复杂网格划分，通过复杂网格划分技术优化系数矩阵开展电磁热力设计，存在计算收敛难度大，精度和效率难以兼顾的问题，且未考虑绕组匝数和分布、铁芯形状和截面积等多因素协同作用。因此，亟需研究大功率高频变压器电-磁-热-力多场耦合建模与高效计算和设计方法。同时高频变压器理论设计模型普遍与实际样机间的误差大，高频、非对称结构等因素带来的额外损耗和变压器参数偏差考虑不足。如高频下利兹线股间的不对称电流分布带来的交流损耗增大； 并联铁芯结构下，磁密分布不均匀带来的损耗增幅问题等。进一步，需研究适配多场景电力电子变换的高频变压器多参数协同设计，实现固态变压器 整体性能优化。
3.3、高频变压器测试现状及关键问题
由于高频变压器工作在非正弦、高频高du/dt条件下，其损耗特性、绝缘特性及噪声与电力变压器存在较大差异。因此，亟需对大功率高频变压器开展电气、磁场、温升以及噪声的多维度性能测试， 评估大容量高频变压器性能。
现阶段，高频变压器尚无专用的试验平台，其性能测试主要依托配套的固态变压器实现。典型固态变压器样机如ABB和庞巴迪公司搭建的1.75 kHz/1.8 kV/150 kW、8 kHz/2kV/350 kW固态变压器，可以对高频变压器开展基本的电气性能测试。瑞士联邦理工学院基于背靠背概念，搭建20 kHz/1kV/166 kW固态变压器，能够对工作频率10kHz以上高频变压器开展测试。同时国内中科院电工所则采用功率单元对拖方式，搭建了5 kHz/ 1.9 kV/200kW的高频固态变压器，能够进行高频变压器的电气性能、温升及噪声特性测试，但仍无 法满足更高频率(如10kHz及以上)及更大容量(兆伏安级)高频变压器的试验需求。清华大学团队基于IGCT器件搭建1kHz/10kV/3MW的中频固态变压器平台，容量突破兆伏安，但测试频率限制在数千赫兹。国内也逐步开展了高频变压器专用试验平台研发。北京交通大学联合国家电网提出能量回馈型高频变压器试验平台拓扑，能够对变压器施加频率、幅值占空比可调的方波电压，但尚未制备出实体设备。
大部分固态变压器仅能对特定的高频变压器开展测试，缺乏通用性，试验电压和频率范围较为有限，难以满足多样化的测试需求。因此，亟需突破宽频率、宽温度范围的大容量高频变压器试验技术，研制宽电压和容量范围的通用性高频变压器试验平台。此类平台具备灵活性和可扩展性，能够适应不同变压器规格和应用场景，涵盖电气性能、热性能、 噪声特性、振动特性等多项测试项目。然而现有测试方法主要基于工频变压器的测试标准，尚未考虑非正弦波形和高频工况对变压器性能的影响。尤其在10kHz及以上兆伏安级大功率高频变压器领域。 例如：绕组的集肤效应、邻近效应等会带来较大的交流损耗，严重影响变压器效率；高频高du/dt下 变压器绝缘劣化，参考工频标准测试，难以发现变压器的绝缘薄弱点。因此，亟需提出针对高频变压器的专门测试标准与方法，开展电-磁-热-力多物理场联合测试。此外，针对高频变压器在不同温度和频率下性能差异显著的特点，需开发覆盖宽频率、 宽温度范围的测试方法，以完成多种工况下的变压器性能可靠测试。与此同时，需制定统一的国际标 准，确保在不同应用场景中对高频变压器进行一致性评估，并推动高频变压器的广泛应用。
4、高频变压器发展趋势
4.1、高频低损耗铁芯设计与制造
针对大容量高频低损耗铁芯的研究主要集中在材料研发、结构设计和工艺方面。在材料方面，致力于研发新型软磁磁性材料，如高性能非晶纳米晶材料等，以提升磁导率并降低磁滞与涡流损耗。 在结构方面，通过创新设计，如立体结构和分层结构等，改善磁场分布，减小漏磁和涡流损耗。 制造工艺不断改进，采用先进技术，如精密铸造、 粉末冶金和激光加工等，可提高制造精度和质量， 减少缺陷与损耗。同时，探索降低高频损耗的方法和机制，综合考虑多物理场耦合作用进行仿真分 析和优化设计，以提高性能和可靠性 。此外，追求集成化与小型化，实现与其他部件的集成设计。
4.2、低损耗绕组设计
针对低损耗绕组设计的研究主要集中在导线材料和绕组结构方面。在导线材料方面，趋向于采用高导电率的材料，如铜银合金、超导材料等，以降低导线电阻，减少焦耳热损耗。绕组结构不断改进，新型结构如平面绕组、立体绕组、交错绕组等得以发展，以减小漏感和寄生电容，降低涡流损耗。多股绞线的应用可减小集肤效应和邻近效应的影响，从而提高效率。合理增加绕组层数、优 化绕组布局能提高磁场均匀性，减少涡流损耗。同时，新型绝缘材料的应用可提高绝缘性能，减少漏电损耗。结合电磁仿真技术进行设计和优化，能提高设计效率和准确性。
4.3、高性能高可靠绝缘设计
大容量高频变压器对高性能固体绝缘材料提出更高要求。高性能纳米复合材料、改性环氧树脂、 硅树脂等绝缘材料有望得到应用。另外，功能性材料如自修复与自适应绝缘材料也是未来的发展方向。然而，这些绝缘材料在高频脉冲、谐波及高温下的绝缘与老化特性需深入研究。重点突破绝缘与散热性能的矛盾，提出高绝缘高导热的新型绝缘材料与性能提升方法，如纳米复合材料和陶瓷基复合材料等。在绝缘结构设计方面，需考虑其与绕组和铁芯结构的配合及界面处理。一方面，采用更精细的绕组结构设计，优化绕组布局排列，降低绝缘电场畸变；另一方面，设计和优化多层绝缘结构，采用梯度绝缘或复合绝缘的方式减小界面缺陷；通过绝缘材料、结构设计和散热协同的研究，提升未来大功率高频变压器的绝缘可靠性。
4.4、高效散热设计
在大容量高频变压器散热设计方面，采用3维 立体散热结构，如多层嵌套散热通道和散热翅片使 热量能够更快速地散发出去。同时可将热管集成到 散热结构中，快速将热量从发热源传递到散热器， 实现高效的热量转移和散热。选择合适的散热方式 和温度控制策略，以提高变压器整体可靠性和使用 寿命。
4.5、多参数协同优化设计与应用
在高频变压器设计过程中应重点考虑变压器自身电磁热力等多参数的相互影响，对变压器的损耗、绝缘、漏感、分布电容以及温升等参数进行协同优化，有效提升高频变压器在复杂工况下的性能。
电压极性反转、相位漂移、暂态偏置、交流链振荡等固态变压器高频端口复杂模态同样会作用于变压器本体导致大功率高频变压器的漏电感以及分布电容等参数设计及计算复杂，甚至引发过电压、过电流问题。例如：双有源桥式DC-DC变换器的交流侧在分布电容作用下，变成复杂的高阶分布参数网络，在高du/dt可能引发变换器端口及高频变压器内部的高频电压振荡，严重影响系统的安全稳定性。因此，需充分开展适配多场景电力电子变换的高频变压器多参数协同设计，研究硬开关、软开关、移相控制、谐振控制等多种开关状态和控制方式下大容量高频变压器电磁应力分布。同时随着固态变压器在新能源发电、交直流输配电领域的广泛应用，高频变压器应用领域朝着高频(>10kHz)、大功率(>1MVA)、高电压(>35kV)方向拓展，设计目标趋向高效率、高功率密度以及高可靠性。
5、结论
1、大功率高频变压器研究面临多方面挑战。 在电磁特性方面，趋肤效应和软磁材料非线性特性强耦合，运行环境复杂，需准确模拟和预测磁特性。在绝缘与散热方面，绝缘失效特性与机理、多物理场耦合对绝缘性能影响机制以及散热与绝缘协同优化是关键问题。在设计、测试与应用方面，存在理论设计与实际应用偏差大、缺乏专用试验平台和统一测试标准等问题。
2、未来大功率高频变压器需要解决高频低损耗铁芯设计制造、低损耗绕组设计、高性能高可靠绝缘设计、高效散热设计以及多参数协同优化设计与应用等关键问题。针对高频变压器多样化的控制和调制策略，亟需开发快速高效的宽频复杂激励下磁特性分析方法。针对绝缘与散热难题，需研发新型导热绝缘材料，设计新结构与新工艺，采用多参数协同优化等措施。亟需研究大功率高频变压器多场耦合建模和电力电子端口-高频变压器协同设计方法，考虑电磁损耗突增和绝缘电场畸变问题。另外，亟需从高频高温测试方法及标准等方面展开研究，攻克高频变压器测试与应用难题。
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