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

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

段海斌

国网山西省电力公司超高压变电分公司 山西太原 030000

摘要：在高压大容量电力电子变压器的研究背景下，围绕其中高频变压器的关键问题展开论述。本文在总结大量文献的基础上，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；然后，着重分析了高频变压器磁芯、绕组、绝缘和散热的研究现状；据此进行思考和总结，提炼了高频变压器存在的关键问题；最后，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。

关键词：大容量电力电子变压器；高频变压器；研究现状；发展趋势

引言

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。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]。

1高压大容量电力电子变压器的研究背景

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[2]。

2 高频变压器的研究现状

20 世纪 50 年代，随着电力电子技术的产生，电源技术也不断地随之发展，高频变压器才开始慢慢地起步发展。20 世纪 60 年代，使用最多的是线性直流稳压电源，这种电源的调整管工作在放大状态，发热量比较大，效率不高，同时还需要在电源上装散热片，所以这种电源的体积比较大，这种电源所使用的变压器体积比较大，特别是需要多组电压输出时变压器的体积会更加庞大。70 年代，随着电源技术不断向前发展，日本率先制造出开关电源，这种电源的工作原理是：首先把交流电经过整流变为直流，接着通过控制开关管的交替导通再把直流电逆变成满足要求的交流电，最后经过整流和滤波后输出直流。此时变压器的体积比直流稳压电源里的变压器的体积要小，效率也比前者有所提高。到 80 年代，开关电源继续向前发展，朝着高压化和高频化的趋势发展，电源中所使用的电力电子器件也发展迅速，IGBT 的出现将电源的开关频率提升至50KHz 左右，此时的高频变压器也有所改进，取消了变压器油箱，变压器的体积有所减小。此时，高频变压器得到进一步发展。90 年代，电力电子的不断发展使得开关电源的工作频率得到进一步提高，同时高频变压器的制作技术逐步提高，其体积进一步减小。到目前为止，高频变压器的适用范围非常广泛，它的工作频率小到几千赫兹，大到几兆赫兹。

3存在的问题

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，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；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 ℃，极大地影响了绝缘寿命。

4发展趋势

传统的电子变压器一般都是在普通铁氧体磁芯上缠绕铜线绕组，体积比较大，转换效率不高。由于电源技术的改进大大提高了工作频率，磁性元件的体积逐渐缩小，变压器和电感器迎来了微型发展时代，尤其是在航空发展和计算机通信领域贡献卓著。国际市场也出现了平面变压器、集成变压器和采用微制造工艺的芯片形式的微型变压器。

4.1整体结构

为真正体现出短小轻薄的特点，我们不断加大科研力度，依托高新技术推进高频电子变压器结构更新换代，实现其由立体结构向平面结构、片式结构乃至薄膜结构转型，制造出平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。高频电子变压器结构的更新换代，不但形成了新的磁芯结构及线圈结构，促使基础材料的研发和应用不断推陈出新，同时也为产品的设计和生产创新了发展思路。

4.2磁芯材料和结构　

对于由软磁材料构成的电磁感应高频电子变压器来说，磁芯最为关键。在高频电子变压器安装磁芯是为了拓宽温度范围，减少损耗，进而节省生产成本。根据电磁性能、散热、用量及成本信息，设计出相应形状、尺寸的平面磁芯、片式磁芯及薄膜磁芯，就成了技术讨论的重要课题。目前有很多企业已瞄准了高频电子变压器市场，并且开始尝试研发新的产品，或对尝试已有产品进行技术改进。

目前，用于制造高频电子变压器的磁芯材料主要是软磁铁氧体，大部分设计单位关心的是采用何种工艺流程更节省生产成本，或哪种产品更有市场前景。

在工艺流程上，许多单位都在研究自蔓延高温合成法（SHS），即通过反应物内部的化学能来完成材料合成。火花等离子烧结法（SPS），可以制成多层MnZn铁氧体和坡莫合金复合软磁材料磁芯，会大大提高高频电子变压器的性能。除此以外，诸如机械合金法、新型水热合成法、快速燃烧合成法、水热合成法、微波烧结和自燃烧合成法等工艺的研发和应用也有了新的突破，而且都能在确保产品性能的前提下节省生产成本。

就当前市场形势来看，平面磁芯、片式磁芯、薄膜磁芯的研究和应用仍是目前技术研究的主线。传统工艺大都通过改造软磁铁氧体磁芯来获得平面磁芯。经过技术创新，我们目前已有了多种专业的高低度软磁铁氧体磁芯用于平面变压器生产。把平面磁芯进一步压缩得到的便是片式变压器的磁芯，或通过共烧法来制作。就目前各种材料的发展趋势来看，应用面较广的薄膜磁芯和磁性材料可能成为MHz以上高频电子变压器的主要结构及磁芯材料，未来有望使薄膜电子变压器的高度控制在1mm以内，并且可能广泛应用在各种卡片内。我国正在进行这方面的研究。

4.3线圈材料和结构　

随着高频电子变压器整体结构的发展，平面线圈、片式线圈、薄膜线圈成为了线圈结构研发的主要趋势，其中也涵盖了多层结构的设计和研发。除此以外，用于线圈结构的材料的研究也有了新的突破。

立体结构的高频变压器线圈，由于选用的导线材料要同时兼顾集肤效应和邻近效应，因此可采用多股绞线（里兹线）或铜带和扁铜线。绝缘材料采用耐热等级高的材料，以便提高允许温升和缩小线圈体积，采用双层和三层绝缘导线，可以减少线圈尺寸。举一个例子，最近，国内开发出以纳米技术把云母泳涂在铜线上的C级绝缘电磁线，已经在工频电机和变压器中应用，取得良好的效果，估计在高频电子变压器中也会得到应用。

5结束语

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，对高压大容量电力电子变压器中高频变压器的分析与展望也变得极其重要。

参考文献

[1]张开放. 高频电力变压器绝缘放电特性发展规律与机理研究[D]. 济南：山东大学，2019.

[2]谭 鑫. 中高频变压器的设计与仿真[D]. 上海：上海交通大学，2017.