宽禁带科技论|高功率密度中高频变压器绝缘与散热研究进展与展望 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

近日，西安交通大学王威望团队与南方电网科学研究院以《高功率密度中高频变压器绝缘与散热研究进展与展望》为题在《高电压技术》上发表综述论文。本文综述了高功率密度中高频变压器的绝缘与散热研究进展，论述了绝缘与散热的矛盾、绝缘失效特性与机理、散热方法与材料改性研究等，旨在总结中高频变压器的研究现状，并在此基础上提出高功率密度中高频变压器在结构设计、绝缘与散热等方面的关键问题与展望，为大容量电力电子变压器的设计与应用提供了基础。

研究背景

中高频变压器(medium-high frequency transformer, MFT/HFT) 是电力电子变压器中 (power electronics transformer, PET)的核心部件，发挥着电压变换、电气隔离、功率传输与控制、能量双向流动等重要作用。随着大容量电力电子变压器在中压配网、海上风电轻量化、数据中心、新能源充电站、航空船舶等领域的广泛需求，高频变压器的功率需要提升到100 kW以上，功率密度需要达到10~20 kW/L以上，温升可达100 ℃以上，电压等级将达到10 kV以上。高频非正弦电压下，绝缘承受多次谐波、陡脉冲的复杂电场，导致内部电场畸变。同时，中高频变压器损耗的高度非线性以及不同传热介质之间的材料特性参数不匹配还会导致内部温度分布不均，造成局部热点温升更高。这些复杂的电-热-力场耦合作用，容易造成绝缘损伤、劣化与击穿，严重威胁中高频变压器的安全稳定运行。因此，实现高功率密度的两个限制因素是绝缘与散热。

图文导读

高功率密度与绝缘的矛盾

图1 高频变压器功率密度随效率与频率的关系

随着工作频率升高，中高频变压器的功率密度先增大后减小。提升频率可有效降低体积，提升功率密度。但频率更高时（>20 kHz），绝缘和散热限制了功率密度的提升。另外，高频变压器的效率随着频率升高逐渐增大。因此，在一定的容量下，存在一个最优的频率选择，可以实现较高的功率密度与效率。高功率密度MFT/HFT的设计需要考虑绝缘与散热的平衡设计。

随着功率密度的提高，中高频变压器的磁芯和绕组损耗显著增加。除了磁芯与绕组损耗造成的外部温升外，绝缘介质损耗在高频与谐波下会明显增加，从而影响绝缘失效与高功率密度的提升。另外，聚合物基绝缘材料绝缘性能好，但由于内部声子散热效应，导致其热导率低。环氧树脂常温下的导热系数小于0.2 W/(m·K)，远低于无机材料。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，极大地限制了中高频变压器向高功率密度方向发展。

中高频绝缘失效特性

图2 沿面放电起始电压和闪络电压随频率变化情况

高频局部放电是导致绝缘失效的关键因素之一。电压频率、波形、上升沿、占空比与温度等都会影响绝缘的局部放电特性。高频非正弦下局部放电的检测与信号处理与低频正弦不同，高频局部放电信号的幅值较低，持续时间较短。沿面放电是绝缘失效的另一种形式。图2显示，随着频率升高，沿面闪络电压显著下降，而起始电压略有下降但分散性较大。沿面放电通常经历电晕放电、流注、闪络三个阶段。

在高频非正弦电压下，电树枝劣化也加速发展。随频率增加，电树枝的分枝减小，树枝的发展更快。击穿特性方面，相较于工频击穿场强，3 kHz时击穿场强降低了36%。在100 ℃、10 kHz时环氧树脂的击穿强度比30 ℃、500 Hz时下降了37%。谐波电压也会导致击穿电压进一步下降，工频叠加5次谐波电压下的击穿场强相较于工频电压下下降了69%。方波电压下击穿场强小于正弦电压。

高频绝缘失效机理

图3 双极性方波场下环氧树脂空间电荷特征分布

高频热击穿是目前认为的主要击穿机理之一。介质损耗随频率增加而增加，导致热效应。由于聚合物电介质散热和导热性能较差，当发热量大于散热量时，介质内部热平衡被破坏，试样从内部开始击穿。

除介质损耗及热效应外，空间电荷效应对高频击穿的影响至关重要。研究表明，高频电场下电极/绝缘界面积聚的异极性空间电荷导致界面电场增强，造成高频变压器绝缘介质失效。图3展示了在双极性方波电场下环氧树脂内部的空间电荷分布，正、负半周期电场下电极/绝缘附件均出现异极性电荷积累。接触界面附近的异极性电荷将导致界面电场增强，击穿起始于界面薄弱点，进而快速发展到介质内部，最终导致整个介质击穿。

虽然界面空间电荷效应与载流子高场输运特性可部分解释高频击穿机理，但高频电场下绝缘材料本身内部微观分子结构与运动对击穿的影响仍不清楚。自由体积变化会显著影响载流子输运过程，进而影响绝缘介质击穿特性。高频电场下分子链段运动存在迟滞效应，分子链松弛时间大于电场变化时间，自由体积相对低频下更大，载流子加速的最大平均自由行程随频率增大而增大，从而导致击穿场强下降。

中高频绝缘寿命

图4 绝缘平均耐电晕寿命与脉冲电压上升时间的关系

绝缘在高频、高dv/dt电应力冲击下，局部放电与介质损耗发热协同作用导致高频脉冲下绝缘电-热累积损伤，加速绝缘失效，绝缘寿命显著缩短。电压上升沿处的过电压是使局部放电起始电压测试结果偏高的主要原因，但过电压幅值持续时间较短，虽超过了实际局部放电起始电压，但由于缺少激发电子崩的初始电子，将不会发生局部放电。

当已经存在持续的放电现象时，上升时间越短（50 ns~16 μs），绝缘耐电晕寿命越小。这是由于在较小的上升时间下局部放电的强度更大。绝缘寿命随频率增加而减小，尤其是40 kHz以上时，绝缘寿命显著降低。相比10 kHz，50 kHz时绝缘寿命减小了12倍。频率的影响大于dv/dt，20 kHz以上时dv/dt对绝缘寿命的影响较大。

结论与展望

（1）高频、陡脉冲、谐波与高温下绝缘局部放电、沿面放电、老化与电树枝发展显著增加，绝缘寿命显著缩短。

（2）高频电场下固体绝缘短时击穿场强显著下降，且随频率、温度和dv/dt的增加而降低，方波电压下击穿场强小于正弦电压。

（3）高频绝缘失效机理涉及重复频率与暂态脉冲造成的复杂电、力、热物理过程。长时、重复脉冲下热击穿的概率较高，短时击穿仍与界面空间电荷、自由体积等电击穿有关。需要注意高频高场下载流子迁移形成的较高交流电导效应。

（4）频率的影响大于dv/dt，高温下绝缘在脉冲电场下的寿命会进一步降低。20 kHz以上时，dv/dt对绝缘寿命的影响较大。目前的高频绝缘寿命模型仅局限在经验方法上，缺乏考虑空间电荷、分子链断裂、自由基、活化能等的物理寿命模型。

未来需要深入研究高频高温下绝缘介质介电、损耗、击穿、电导、局部放电、导热等参量及变化规律，为绝缘与散热设计提供依据。频率、dv/dt、极性、谐波等对热击穿、界面空间电荷效应、局部放电、电树枝发展等影响机理仍是难点，需要深入研究高频绝缘长-短时失效机理。高频高温下电-力-热多因子绝缘老化及寿命模型面临挑战，电场、热场、脉冲、应力等因素之间存在复杂的耦合关系，这给绝缘与散热协同提升带来新的挑战。