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随着SiC等大功率半导体器件的使用，高频变压器中非正弦方波电压上升与下降沿出现陡脉冲应力，给高频变压器绝缘可靠性带来巨大挑战。

西安交通大学研究团队围绕dv/dt对高频变压器绝缘介质损耗与冲击能量积聚的影响展开研究。采用阶跃响应函数模拟高dv/dt脉冲电压，结合绝缘介质损耗分解与计算，提出了dv/dt与方波电压叠加下绝缘介质损耗的计算方法。研究结果为大容量高频变压器绝缘失效与设计提供指导。

工频变压器和高频变压器的区别

日常生活中我们可以看到变压器的品种有很多，常见到的就是按频率分类的R型低频变压器、中频变压器和高频变压器。

首先是低频变压器。从名称上看，它的频率应该很低。通常，低频变压器的频率是50-60Hz，我国常用频率为50Hz，而一些外国国家使用60Hz。目前，许多低频变压器也被称为工频变压器。过去，低频变压器常用于电源电压转换，这些电源转换的稳定性采用线性调节，因此低频电源变压器也被称为线性电源变压器。

低频变压器通常由铁芯、绕组、绝缘材料等制成。低频变压器的设计应使铜损坏等于铁损坏，以减少变压器的损失，使工作更加稳定。有些厂家在设计制造时为节约成本而减少铜的用量，常常减少铜线圈数，这样会使空载电流增大，同样空载损耗也会增加，如果变压器长时间处于这种状态，就会造成能源的浪费。很多使用的设备或许都没注意到这一点，但这也是变压器使用过程中非常重要的一点。

而高频变压器实际上是一种工作频率高的电子变压器。高频变压器的一般工作频率大于20KHz以上。高频变压器的主要核心是磁芯，与低频变压器不同。它具有高磁导率和高电阻率。当有一定的线圈匝数时，它可以通过小的激磁电流承受高额外电压。因此，在一定的输出功率要求下，磁芯体积可以减小。

高频变压器通常用于开关电源，是储存和传输能量的重要组成部分。高频变压器在单片开关电源中的性能不仅对电源效率有很大的影响，而且与电源的其他指标和电磁兼容性直接相关。因此，高效高频变压器应具有直流损耗低、交流损耗低、漏感小、绕阻本身分布电容和绕阻耦合电容小的特点。

电力电子变压器（PET）是实现可再生与分布式能源接入、并网和灵活交直流输配电的关键设备。高频变压器是PET的核心部件，与传统工频变压器相比，高频变压器承受高频非正弦电压，电压波形通常为双极性方波。功率半导体器件的快速开通和关断造成快速的电压上升沿，高次电压谐波也会叠加在瞬态绕组电压上，导致高频变压器中出现多频电应力，给高频变压器绝缘可靠性带来巨大挑战。

介质损耗的定义及意义

电介质就是绝缘材料。当研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时，把绝缘物质称为电介质;而从材料的使用观点出发，在工程上把绝缘物质称为绝缘材料。既然绝缘材料不导电，怎么会有损失呢？

我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小愈好，但是，世界上绝对不导电的物质是没有的。任何绝缘材料在电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。把在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。

如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化(发脆、分解等)，如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，丧失绝缘能力!导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标然而不同设备由于运行电压、结构尺寸等不同，不能通过介质损耗的大小来衡量对比设备好坏。因此引入了介质损耗因数 tg (又称介质损失角正切值)的概念。

介质损耗因数的定义是：被试品的有功功率比上被试品的无功功率所得数值。介质损耗因数 tg 8 只与材料特性有关，与材料的尺寸、体积无关，便于不同设备之间进行比较。当对一绝缘介质施加交流电压时，介质上将流过电容电流 I1、吸收电流 I2和电导电流 I3，如图所示。其中反映吸收过程的吸收电流，又可分解为有功分量和无功分量两部分。电容电流和反映吸收过程的无功分量是不消耗能量的，只有电导电流和吸收电流中的有功分量才消耗能量。

测量变压器绕组连同套管的介质损耗角正切 tg 6 时主要用于更进一步检查变压器整体是否受潮、绝缘油及纸是否劣化等严重的局部缺陷，以及绕组上是否附着油泥等杂质。

西安交大高频变压器实验测试验证成果

西安交大团队针对高频变压器绝缘材料在高频、高dv/dt电压下的电-热失效问题，开展dv/dt与方波电压叠加下高频变压器固体绝缘环氧树脂介质损耗计算与分析，以及高dv/dt对绝缘冲击能量损伤的影响。通过有限元物理场仿真研究获得了高频变压器绝缘温升与冲击能量特性。研究结果对大容量高频变压器绝缘失效与可靠性具有重要意义。

1）根据绝缘介质损耗机理，采用阶跃函数模拟dv/dt脉冲，通过频域叠加，推导得到了不同 dv/dt方波电压下绝缘介质损耗计算公式。计算表明高dv/dt时绝缘介质损耗可增加两倍以上。

2）采用有限元物理场仿真发现绝缘电场畸变发生在绕组端部，且随dv/dt周期变化很小，最大电场变化很小，但出现时间缩短。表明高dv/dt时，绝缘内部出现多次电场集中。

3）从绝缘材料在交变电场下能量储存和释放的角度分析了能量密度pd。其与绝缘位移电流和电场畸变密切相关。计算表明pd随dv/dt增加而显著增大，表明极性反转时的冲击能量显著增加，pd与介质损耗协同作用导致高dv/dt下绝缘电-热累积效应增加，从而影响绝缘失效特性。实验结果表明变压器温度与仿真一致，验证了本文的介质损耗与能量冲击的分析。

李盛涛教授团队依托西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，团队成员13人，其中教授3名，副教授4名，助理教授3名，技术人员2名，秘书1名，科研财务助理1名。

目前，该团队成员已获得的荣誉有：国家科技进步二等奖1项、国家自然科学奖二等奖3项、省部级一等奖4项，国家电网特高压交/直流示范工程特殊贡献专家等奖项。团队瞄准高水平论文，积极扩展学术影响力，研究成果在PRL、Macromolecules、JPCL、ASS、APL、IEEE系列、中国电机工程学报等知名期刊发表论文500余篇，其中SCI收录180余篇。

来源：电气技术，道客巴巴，深圳科捷盛伟业电子有限公司

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