摘要：

随着电力电子技术与能源互联网的发展，高功率密度固态变压器在智能电网、新能源并网等领域的应用需求日益迫切，而基于级联拓扑的设计是提升其功率密度的关键路径之一，这也对磁心、绕组、绝缘、损耗散热及介质损耗计算等关键技术提出了更高要求。为解决这些问题，文中针对3种电力电子拓扑结构的应用场景，深入探究高功率密度固态变压器的磁心设计、绕组设计、绝缘设计、损耗散热及介质损耗计算等方面相关关键技术研究，通过分析方波的谐波成分进行损耗模拟计算，并结合热仿真校验热点温度，为高密度固态变压器的研发提供理论及技术参考。

引言

传统变压器基于50/60Hz电磁感应原理工作，具有可靠性高、成本低廉等优势，但随着新能源并网、数据中心爆发式增长等新需求涌现，其固有缺陷愈发凸显：体积和重量大、无法隔离电网与负载侧的扰动、输出电压受负载影响显著、缺乏直流接口和储能能力等。这些局限性在智能电网和能源互联网时代难以被接受。固态变压器(solidstatetransformer，SST)又称电力电子变压器(powerelectronictransformer，PET)是一种高压中频电力电子变换技术的新型电力电子设备，它具有电压变换、电气隔离、功率调节、多交直流端口接入、电能高效转换与控制等一系列功能优势，可轻松实现能量双向流动，通过与先进的信息互联网技术结合，还能进一步构成能量路由器，在交直流混合配电网/微电网、园区级能源系统智慧管理等智能配电领域拥有良好应用前景，同时也可在海上风电集电系统替代等新能源领域发挥重要作用。

目前国内高功率密度固态变压器在磁心、绕组、绝缘及散热等方面面临诸多技术挑战。磁心方面，高性能磁心材料在成本与性能的平衡适配性有待突破；高功率密度下树脂的导热能力、绕组损耗及高效散热等关键技术仍需深入探索，这些方面的研究进展将决定固态变压器的性能提升与工程化应用。

1、应用于电力电子拓扑结构中的SST固态变压器

对于电力系统而言，电力电子变压器通常需要电气隔离。因此，用于中、低压交流系统互连的典型PET结构三级式结构见图1，即整流级、隔离DC/DC级和逆变级。

针对配电网需兼容10kV配电系统的需求，10kV侧整流单元不仅要耐受相应的电压，还要满足未来直流配电对于中压直流母线的要求。然而，受开关元器件耐压等级的限制，中压侧变换器需采用模块串联的形式，同时，配网应用中对高功率密度固态变压器的要求，使得低压侧开关器件面临较大电流应力，给固态变压器设计带来诸多挑战，为此，采用多级低压子模块输入串联、输出并联(input⁃series⁃output⁃parallel，ISOP)的形式对PET系统进行拓展，以提升电压水平和功率密度，所用拓扑见图2。对于该拓扑，在中压AC/DC环节采用多电平换流器(MMC)模块化来实现，通过模块化设计，一方面可降低各关键元件的应力水平，有助于控制成本，另一方面也便于后续的维护工作，其中低压逆变侧采用全桥逆变方式。目前研制的10kV电压等级MMC多电平换流器采用了最近电平逼近调制方式，典型的21电平输出波形见图3。

针对不需要直流母线的场合，研究了级联H桥的形式来实现中压侧整流见图4，以便节省子模块数量，提高系统的功率密度。

对于中间隔离级的DC/DC变换环节，综合调节特性及控制复杂程度等因素，采用双有源全桥结构(DAB)并基于ISOP形式级联实现。DAB型拓扑需要在交流侧增设滤波电感，可选用串联电感或变压器自身原边漏感作为滤波电感。该拓扑通过移相控制可实现功率传输的调控。由于DAB拓扑属于一阶变换器，其传输功率可由相移控制量直接决定，控制过程便捷且灵活。

2、高功率密度固态变压器的关键技术研究

2.1、磁心设计

固态变压器中磁心的材料主要涵盖铁氧体、纳米晶及非晶合金等。纳米晶和非晶合金多由带材制成，具有较高的饱和磁密(纳米晶的饱和磁密为1.2T，非晶合金高达1.6T)，热稳定性佳，不过在高频(50kHz以上)场景下，变压器损耗较大。非晶合金的饱和磁滞伸缩系数在20μm/m以上，而纳米晶的磁滞伸缩系数可接近于0，振动和噪声相对较小。相较于纳米晶和非晶合金材料，铁氧体具有更低的磁滞损耗与矫顽力，所以磁心损耗更低。铁氧体采用烧结工艺制造更为容易、磁心结构形式更为多样，通常是固态变压器应用的首选，但是其饱和磁密只有0.3~0.5T，为提升功率密度铁氧体多采用矩形材料交替拼接以增大磁心叠面积。在变压器磁心设计方面，采用AP法可确定给定电气参数下的磁心尺寸，见式(1)[25]

2.2、绕组设计

固态变压器绕组的集肤效应和邻近效应较为显著，为提升功率密度，中低功率密度变压器绕组常采用无氧铜箔或多股漆包圆铜线绞合而成的利兹线，利兹线绕组具有绕制方便、成本低的特点。利兹线的单股线最大直径或铜箔厚度，按100℃时铜导体的集肤深度计算：Δ=7.65/f(其中f为固态变压器额定频率)。高功率密度固态变压器绕组常采用铜管液冷(如矿物质油、合成冷却液等)或纯水冷方式，借助液体流动高效带走大电流下绕组产生的大量热量，散热效果优良、且能缩小设备体积，节省安装空间，不过系统效率相对较低。此外，也可采用铜箔，但大电流宽幅铜箔为了降低涡流损耗，工艺上铜箔边缘采取冲孔结构隔断涡流的流通路径。

当功率开关元器件由导通转变为断开时，漏感储存的能量会释放，有时产生很高的尖峰脉冲，造成元器件损坏或电磁干扰，尽管电路中可增加缓冲电路抑制干扰和实现能量回收，但仍需在绕组结构和绕制工艺上尽可能减少漏感。由于不同的PET拓扑结构存在差异，漏感大小设计要求也有所不同。

2.3、绝缘设计

在10kV中压高功率密度应用场景下，固态变压器更倾向于采用环氧浇注固封绝缘工艺。电力电子变压器系统内部级联了多个固态变压器，不同位置固态变压器的主绝缘电压水平有所不同，其中最高电位位置的情况最为严苟，且同时受拓扑结构影响。就10kV交流侧采用级联H拓扑结构而言，H桥整流产生的近似交流电压，而对于MMC拓扑结构，则该偏置应力为直流电压。固态变压器的纵绝缘承受电压为重复频率的PWM波形。由于子模块电压不超过2~3kV，匝电压较低，所以在设计时无需加强纵绝缘，绕组只要保持一定绝缘距离绕制即可。不过在绝缘设计过程中，需重点关注主绝缘。

高功率密度固态变压器目前尚缺乏相关设计或试验标准。进行设计时，可参考干式变压器标准，以10kV干式配电变压器为例，按GB1094.11—2022规定，额定短时外施耐受电压方均根值为35kV(在IEC60076⁃11：2018中为28kV)。对于PET系统的固态变压器，若网侧电压为工频电压，采用35kV工频电压作为试验电压；若网侧电压为直流，采用35kV直流电压作为试验电压，雷电冲击则为75kV水平。综合考虑上述电压和试验电压水平，10kV固态变压器主绝缘需要按照35kV的绝缘水平设计。由于磁心接地，绕组对磁心、绕组对外壳、原、副边绕组间均需要保持35kV的绝缘水平。因此，绝缘距离的选取见式(2)

绝缘材料是影响绝缘性能的核心关键因素，也是需首要考量的方面。用于固态变压器固封绝缘的浇注式绝缘材料，主要涵盖环氧树脂、有机硅及聚氨酯等。针对不同材料在电力电子变压器典型电压波形下的击穿特性，相关研究已展开，研究表明，在140℃温度环境下，厚度为1mm的环氧树脂，在2kHz方波脉冲电压下，击穿概率达63.2%时击穿电压在20kV以上，见图5。基于此，固封绝缘材料应采用酸酐固化体系的双酚A环氧树脂，同时搭配稀释剂、促进剂和SiO2或Al2O3填料，以此作为固态变压器的绝缘浇注料。在浇注过程中，树脂混合料需具备足够低的粘度，从而确保能充分浸润利兹线表面或铜箔层间绝缘，为了确保浸润充分，可考虑在整体浇注前，先用低粘度树脂对利兹线或层间绝缘进行预先浸润，进而排除线匝内部的空隙。浇注过程应在真空环境下进行，且固化过程尽可能排除树脂内部的应力。

综合绝缘厚度、温度、电压波形及电场不均匀度等影响，确定了kEmat，并进一步确定主绝缘距离。

2.4、损耗及散热分析

在高功率密度固态变压器设计工作里，除绝缘设计之外，散热设计也至关重要。散热设计过程中，温度校核是固态变压器设计的核心要点，限制热点温度的主要因素是绝缘材料在高温下的绝缘性能，就环氧树脂而言，绕组热点温度最好不超过120℃。固态变压器的磁心损耗和绕组损耗已有成熟的工程计算公式。DAB拓扑结构的电流波形为类似梯形波，在非正弦波形激励下，磁心损耗可通过MSE公式计算；绕组损耗则为直流损耗和方波的各次谐波造成的交流损耗之和，采用Bartoli模型进行计算。依据我们已开展的研究，对于高功率密度固态变压器而言，除了上述绕组损耗以及磁心损耗外，介电损耗不可忽略，介电损耗可根据式(3)进行计算

由图6损耗分布可见，对于高功率密度固态变压器而言，在高频工况下，除需降低磁心损耗、绕组损耗外，环氧树脂的介电损耗更不容忽视，随着热应力的进一步加剧，材料导热能力面临更高要求，此外，高频下局部放电的侵蚀会愈发严重，进而影响材料寿命。因此，高频工况下所采用环氧树脂还需进行改性处理。

3、热仿真验证

基于以上关键技术，设计了一台功率70kW，电压：1130/600V，频率20kHz高功率密度固态变压器样机，磁心选用UU型铁氧体，磁密取0.21T，匝数24/14，利兹线采用单股直径0.12mm多股绞线，总损耗计算值285W，实测值298W，理论值与实测值基本吻合。热点温度计算102℃，根据热路模型或有限元方法，分析出固态变压器额定负载下的温度分布见图8，并开展绕组热点温度校核。