摘要：
高频变压器是电力电子变换系统中负责电气隔离和电压变换的关键器件。大功率高频变压器紧凑化的结构使其复合绝缘或浇注绝缘承受严苛的电、热和机械应力，给绝缘设计带来很大挑战。该文首先回顾了高频变压器的应用背景和结构形式，然后分析了高频变压器主绝缘和纵绝缘承受的电压应力，指出变压器局部介电损耗的问题，从优化设计的角度表明了功率密度与绝缘可靠性之间的矛盾，并阐明了高频变压器绝缘承受机械应力。提取了近年来高频变压器样机的绝缘设计中常用的绝缘材料、绝缘形式、绝缘等级，分析了绝缘设计对变压器体积、电场分布及寄生参数等的影响，提出绝缘设计流程的改进方向。高频电压下聚合物绝缘的介电损耗、局部放电和空间电荷特性是目前相关研究的关注重点， 而这些因素之间通常互相耦合。分析归纳了高频方波波形参数和温度等条件对局部放电、绝缘寿命、空间电荷和电树枝发展规律的影响，指出研究领域的空白。最后，对高频变压器应力特点、绝缘设计和绝缘问题研究现状进行了总结。
引言
高频变压器(high-frequency transformer，HFT)是电力电子变换系统中负责电压变换、电气隔离的装备。工作频率的提高使得高频变压器相较传统工频变压器在功率密度、体积、重量上有明显优势。HFT与电力电子开关器件一同构成的电力电子变压器(power electronic transformer，PET)具有多端口、灵活可控的特性，在机车牵引、中压直流配电、新能源集电、数据中心等领域有广泛的应用前景。然而，高压电力电子器件、多电平拓扑的发展对高频变压器耐压等级提出了更高的要求，飞机舰船和特种设备有限的空间对高频变压器的功率密度做出了更严格的限制，高频变压器绝缘承受越来越严重的电应力、热应力和机械应力，其绝缘可靠性已成为高频变压器向大功率、高电压发展的掣肘。
目前相关综述研究多针对高频变压器的结构特点、损耗特性、热场建模、优化设计方法[1-4]，以及高频变压器所处PET的拓扑结构、整体设计[5-6]， 而较少关注高频变压器本体的应力特点、绝缘设计、绝缘失效问题。高频变压器多为干式结构，一般采用聚合物薄膜或绝缘纸作为匝间绝缘介质，为了进一步提高变压器的功率密度和热稳定性，近年来还发展出采用导热环氧树脂、有机硅等高绝缘强度材料的固封式高频变压器。由于绕组、磁心和介电损耗的存在，高频变压器正常运行时内部温度可达100℃以上，同时相较工频电压，高频方波电压也将增加绝缘热击穿、闪络、局部放电(partial discharge，PD)、电树老化和热致机械故障的风险。所以，研究高频变压器绝缘所处应力环境和老化失效特性能够为高频变压器绝缘设计和运行状态检测提供有力指导。
本文首先介绍高频变压器的拓扑结构、结构形式，然后分析高频变压器遭受的电、热和机械应力。接着介绍目前高频变压器绝缘设计研究现状，最后总结已有的高频变压器绝缘失效机理和规律研究。
1、高频变压器的应用背景及结构特点
1.1典型应用场景及拓扑结构
早期PET多用于电力机车牵引，2002年ABB开发了应用于15 kV、16.7 Hz 牵引线路的PET，由12级H桥-谐振DC/DC变换器构成[7]。Alstom在2007年研制了采用6.5 kV IGBT、功率达1.5 MW 的 高速列车牵引变压器[8]。在高速轨道交通领域，PET较传统变压器减少约30%的重量和约50%的损耗， 且在体积上有较大优势[9]，因此受到青睐[10-13]。近年来，随着风电、光伏、储能等新能源直流并网的需求增加，电网逐渐向“分布式”、“智能化”、 “灵活化”发展。交直流混合配电网采用多端口中压PET技术，同时具有中压(medium voltage，MV)交流(MVAC)、中压直流(MVDC)、低压(low voltage，LV)交流(LVAC)和低压直流(LVDC)链路，省去了分布式新能源电源和负载在LVAC、LVDC之间的变换过程，同时兼顾海上风电等大规模新能源的集电并网，拥有更高效率和兼容性[6,14]，其应用现状在 表 1 [15-19]中展示。
现阶段最常见的中压PET结构有2种：基于 级联H桥(cascaded H-bridge，CHB)的三级式结构和基于 模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的三级式结构[6]，如 图 1所示。二者区别在于，前者缺少中压直流母线，采用模块较少；而后者具有中压直流母线，成本较高。二者的AC/DC的变换过程分别由级联H桥和MMC实现。 受到功率器件电压电流等级的限制，DC/DC变换环节一般由输入串联、输出并联(input-series outputparallel，ISOP)的多级拓扑实现，其DC/DC变换子 模块可由双有源桥(dual active bridge，DAB)或谐振型拓扑(串联谐振逆变器(series resonant converter，SRC)、LLC拓扑、CLLC拓扑等)构成。
1.2高频变压器的结构形式
高频变压器绕组和磁心的结构关系主要可以分为壳式、芯式和C型结构，如图2(a)—(c)所示。 芯式结构中，原副边还可以分开绕制在两个芯柱 上，实现较高的原副边绝缘水平。另外一种轻便小巧的结构是平面变压器结构，具有功率密度高、电磁干扰低、热特性优良的特点[20]，如图2(d)。
由于高频下明显的集肤效应和邻近效应，高频变压器绕组通常采用铜箔式绕组或多股导线绞合而成的利兹线绕组，也有使用中空水冷绕组的情形[21]，如图3所示。利兹线因方便绕制、便于进行绝缘设计被较多采用。
高频变压器原副边绕组在同一磁心柱上的排布方式可分为同轴绕制或堆叠绕制。同轴绕制指原副边绕组围绕同一芯柱均布绕制，堆叠绕制指原 副边绕组在同一芯柱轴上下分离的绕制方法。 图 4[23-28]总结了一些典型的高频变压器样机结构。
非晶合金、纳米晶和铁氧体具有低磁滞损耗、低矫顽力的特点，经常被选用为高频变压器的磁心材料。非晶合金和纳米晶由带材制成，非各向同性，拥有较高的饱和磁密(纳米晶最高达1.2T，非晶合金最高达1.6T)，热稳定性好，但在50kHz以上时损耗较大。非晶合金的饱和磁致伸缩系数在20μm/m以上，而纳米晶磁致伸缩系数较小，振动和噪声较小。铁氧体是高温烧结而成的一类铁磁材料，相比纳米晶和非晶合金材料，铁氧体的高频损耗更低、形式更为多样，但是其饱和磁密只有0.3~0.5 T， 用其制造磁心时体积较大。
高频变压器磁心一般含有气隙，可以防止磁心饱和。气隙还有降低励磁电感的作用，为谐振型拓扑提供充分的零电压开关(zero voltage switching，ZVS)电流。同时在多组磁心并联时，可以平衡各个磁心的磁通[29]。
油浸式高频变压器散热性能较好，但存在渗漏油等风险因素，且在体积和重量上上不如干式变压器具有优势。高频变压器的干式结构分为空气复合 绝缘和固体绝缘两种形式。前者一般采用聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜、绝缘纸、环氧树脂板等聚合物材料或浸漆处理的方式加强匝间、层间和绕组间的绝缘，但由于气隙处增强的电场强度，这类绝缘措施难以适用于中压等级以上的高频变压器；后者一般用环氧树脂、有机硅、聚氨酯等材料灌封绕组或变压器整体，可以做到极高的功率密度(5 kW/L 以上)， 是高压大功率高频变压器的发展方向。除此之外，绕组绕制过程中需要聚合物材质的线圈架作为支撑结构。
干式高频变压器的散热方式分为自然风冷、 强迫风冷或水冷。在风冷方式中，高频变压器的热量通过绕组外表面、散热气道、热管或导热片[29]散失出去。水冷方式针对于大功率的应用，水冷通道一般位于低压绕组与磁心之间，直接与绝缘一体浇注。
2、高频变压器的运行工况和绝缘应力特征
高频变压器多样化的拓扑结构和结构形式决定其电、热、机械应力的复杂性，本节明确了高频变压器一般运行工况下的绝缘应力特征。
2.1、高频变压器的电应力
以单相PET为例，高频变压器所承受的电压应力主要分为差模电压和共模电压。差模电压是变压器同一绕组端子间(纵绝缘)承受的电压，由DC/DC变换器单级拓扑决定；而共模电压是变压器绕组对接地磁心、接地外壳或绕组间(主绝缘)承受的电压应力，由整个PET的多级拓扑决定[34]。差模电压与共模电压共同决定高频变压器的电场分布和损耗特性，图6显示了高频变压器内部电场的共模和差模分量。
1、差模电压。
高频变压器绕组承受的差模电压为开关器件产生的高频电压，其波形主要取决于拓扑电平数。对于两电平DC/DC变换器，尽管电流波形为梯形波(DAB)或近似正弦波(谐振型拓扑)，差模电压波形一般为定频方波，如图7所示。在移相调制的DAB拓扑中，原副边方波电压存在相位差，这将在主绝缘上带来一定额外的电压应力。对于中点钳位(neutral point clamped，NPC)三电平逆变器、飞跨电容(flying-capacitor，FC)多电平变换器[35]等多电平拓扑，差模电压不再局限于单个开关器件耐压数值， 高频变压器匝间绝缘将承受更严苛的峰峰值电压应力。
宽禁带半导体开断产生的高dv/dt的脉冲电压为变压器纵绝缘带来新的考验：绕组内部高频谐振过电压。高谐波含量的脉冲波形前沿与绕组分布电 容和电感相互作用，将导致绕组内部匝间、层间发生高频谐振，引发随匝数非线性分布的电压“振铃” 和尖峰[36]，造成额外热损耗，危害变压器绝缘[37]。ABB对额定频率20 kHz、匝数比28:14的高频变压器原型进行方波脉冲下匝电压的测量[38]。结果显示，方波上升沿tr=927 ns 时各匝电压无明显振荡， 当tr=194 ns时高压绕组匝间峰值电压可以达到线性分布时的1.3倍，tr=54 ns 时可达2.5倍。由于高压绕组层间的紧耦合，tr=54 ns 时，绕组中部层间电压峰值电压甚至可达变压器外施电压幅度的1.6倍， 如图 8所示。相较利兹线绕组，箔式绕组几乎无电压振荡[39]。因此有必要对脉冲dv/dt和变压器分布电容采取限制措施，前者可通过增大励磁电感或增加缓冲电容的方式实现，后者通常采用分段式绕组或原副边绕组分离的方法降低变压器的寄生电容[40]。然而，变压器的寄生电容与漏感之间存在矛盾，一味地降低寄生电容会造成变压器的高漏感，使电路参数失配、损耗增大。文献[41]指出当方波上升时间为高频谐振周期的整数倍时，变压器端子间电压的“振铃”现象可以得到有效抑制，然而这并不意味着绕组内部不发生高频谐振。
2、共模电压。
施加在高频变压器主绝缘上的共模电压由变换器的类型、母线电容接地方式等因素决定，其形式近似为网侧的工频或直流电压。多级串并联拓扑 中，位于拓扑顶部的变压器子模块承受最高的共模电压应力。
在采用SPWM调制的H桥变换器作为前级输入时，将在单级DC/DC变换器环节中引入具有正弦电流的共模SPWM电压[42]，如图9所示。当拓宽至基于CHB的多级拓扑时，多级拓扑顶部的高频变压器的共模电压为多级SPWM叠加得到的近似正弦波形[34]，如图10所示。
对于基于MMC的三级式拓扑，由于其具有中压直流端口，DAB或谐振型单级拓扑中的高频变压器将带有直流偏置电压，其共模电压则体现为叠加 方波纹波的直流电压，如图11所示。图中：U in 、U o 分别为单级输入输出电压；n为变压器变比；U bias 为该子模块的直流偏置电压；T s 为工作周期；φ为移相角。
3、故障电压。
并网运行的PET可能遭受内部子模块的短路、 开路故障或外部中压交流侧电网发生的相间短路、 接地故障、操作和雷电冲击故障，对变压器绝缘构成威胁。
PET中一般增设冗余模块，各子模块运行电压 仅为开关器件耐压的60%左右[8]。故障子模块切除 后直流母线电压平均分配在剩余模块上，子模块承 受的电压相较额定值上浮。由于PET全控的特性， 可以完全切除低压侧电网的短路故障。但是当中压 侧电网发生故障时，在滤波器和避雷器的保护措施 下，电流冲击仍将造成PET支撑电容的电位抬升， 即变压器输入电压的提高，如图12所示[43]。文 献[44]指出，取决于滤波器参数、支撑电容的容量 和 PET的短路电流比，PET在雷击、操作冲击下， 峰值电压分别最高可达2 pu 和1.8 pu。中压电网侧 单相接地故障对 PET造成的电压应力最高可达到1.8 pu。因此，高频变压器自身绝缘需要为故障电 压留出一定裕度，以和外部保护措施相配合[45]。
综上，高频变压器的电应力具有宽频域的特征：涵盖直流、工频、高频方波以及寄生振荡，还可能遭受故障工况下输入电压的抬升。确定绝缘材 料在宽频电场下的绝缘寿命对高频变压器的设计工作有着重要意义。
2.2、高频变压器的热应力
高温下高频变压器浇注绝缘和薄膜绝缘的绝 缘寿命将显著降低[46-48]，因此需要准确的热场评 估。高频变压器热量的主要来源为磁心损耗和绕组 损耗。非正弦波形激励下的磁心损耗一般由Steinmetz修正公式(modified Steinmetz equation，MSE)、广义Steinmetz公式(generalized Steinmetz equation，GSE)、修正广义Steinmetz公式(improved GSE，iGSE)和Steinmetz波形系数公式(waveformcoefficient Steinmetz equation，WcSE)[49-52]等计算； 绕组损耗则被表示为直流损耗和方波的各次谐波 造成的交流损耗之和，一般通过Dowell[53]模型(铜 箔绕组)、Ferreira[54]模型(圆形导线)和Bartoli[55]模 型(利兹线)计算。
数十kHz及更高的工作频率下，介电损耗也是 高频变压器损耗不可忽略的一部分，包括极化损耗 和电导损耗，极化损耗是聚合物极性基团与高频外 电场不同步的极化过程带来的有功损耗。由于环氧 树脂绝缘介电常数的温度依赖性，工作在接近玻璃 化温度(Tg)时，其损耗将显著提升，如图13(a)。因 为介电损耗与电场平方成正比，变压器高压绕组端 部、层间等电场、热场突出部位具有较高的介电损 耗密度。苏黎世联邦理工学院Guillod T 等[42]在对 工作频率 48 kHz 的高频变压器的研究中表明，高频 变压器在标称负载运行时，介电损耗仅占总损耗的11%；但是过载情况下，电场集中处局部温度升高 使介电损耗增加，可能成为变压器的主要损耗，甚 至由于温度-损耗的正反馈关系发生绝缘“热击 穿”[26]，如图13(b)。目前的变压器优化设计中还 较少考虑介电损耗问题，一般是以绕组热点温度即绝缘材料耐受温度作为限制条件，结合一定的优化 算法得到功率密度-效率-热点温度的Pareto图[36]， 进而优选设计。然而这也意味着高频变压器绝缘将 运行在极限温度附近，绝缘可靠性和整机功率密度 构成一对矛盾。尤其是浇注绝缘可能遭受温度梯度、 热冲击和温度过载，其内部热点温度又难以准确验 证，这种不确定性给绝缘可靠性带来很大挑战。
考虑到高温下绝缘寿命的衰减，其绝缘裕度不 能仅按常温选取。学者提出的Crine模型[56]、Simoni模型[57]、Ramu模型[58]等能够反映温度对电老化的 促进作用。Mazzanti G 等则推导了考虑温度及空间 电荷造成微观电-机械老化的物理模型[59]。然而， 上述模型仅针对直流或工频电压应力，不适用于PET的混频应力。温度对聚合物耐电强度的影响还 与聚合物的极性、结晶态、链段运动等因素有关， 例如环氧树脂绝缘的耐电强度受温度影响存在“阈 值”特性，超过玻璃化温度时，自由体积明显增加， 电子在电场迁移下更易引发雪崩击穿。温度还将降 低复合绝缘的局部放电起始阈值、增大局部放电强 度[60]，加速聚合物分子链的裂解。此外，温度将影 响聚合物绝缘内部电荷行为和陷阱参数，增强样品 中的电场畸变[61]。图14展示了常见聚合物绝缘材料随温度变化的直流耐电特性[62-67]。
采用高导热系数、低介电损耗的浇注绝缘材料 能够平均热流密度、降低热阻，并减少额外损耗、 防止形成局部热点，是绝缘材料改性优化的方向。 例如，环氧树脂基材的热导率一般在0.2 W/m·K 左 右，添加微纳米填料改性后，导热系数可以提升至1~3 W/m·K。常见的填料类型有SiO2、Al2O3、BN、AlN、SiC、MgO以及相关纳米修饰改性材料。工 程上采用的 SiO2填料能够降低复合材料的热膨胀 系数，且成本较低；Al2O3填料能够显著提高复合 材料导热性能，但是其密度和介电常数较高[68]。此 外，研究者还基于分子网络或结晶结构设计[69]、成 型工艺等改进聚合物基底材料的导热性能。低介 电损耗的浇注绝缘材料对于提升高频变压器整机 功率密度也十分必要[42]。在最近的研究中，频域介 电谱、分子动力学模拟方法被用于指导环氧树脂配 方优选[71]。
2.3、高频变压器的机械应力
高频变压器绝缘承受的机械应力包含3个方 面：由浇注绝缘热膨胀系数差异和温差引起的界面 应力和内部应力；浇注绝缘体固化残余内应力；由 磁心和绕组振动引起的外部应力。
在固封绝缘的高频变压器中，绕组热冲击将在 绝缘内部引起较大温度梯度。由于浇注绕组整体内 热外冷，内外热应变不一致，可能发生开裂事故[72]， 如图 15(a)所示。浇注绝缘材料和铜质绕组不一致的热膨胀系数是粘合处界面应力 的来源，如图 15(b)所示。特别是运行温度接近环 氧树脂玻璃化温度时，这种热膨胀的差异显著增 大，可能引发环氧树脂分层开裂，在缺陷处形成局 部放电，逐渐发展为绝缘击穿。环氧树脂固化过程 中会产生化学体积收缩，且由于反应放热，固化过程中固化度随体积非均匀分布，这将在浇注体内引 入残余内应力，如果工艺控制不当，将导致浇注体 收缩开裂或金属粘接界面脱粘分层[73]。针对上述问 题，工程上常通过添加填料降低热膨胀系数的差 异，采用绕组预浸渍工艺实现应力分级，以及应用 真空压力凝胶技术补充浇注体的固化收缩。
高频变压器绝缘承受的振动应力主要存在以下3个方面[74]：
1、磁致伸缩。
在不含气隙的磁心中，磁心振动的主要来源是磁致伸缩。磁心周期性地膨胀或收缩，其幅度取决于磁密和磁心材料的饱和磁致伸缩系数，磁致伸缩 系数随频率增大而减小。常见铁磁材料中，非晶合金的饱和磁致伸缩系数(27 μm/m)远大于铁氧体(0.5 μm/m)与纳米晶(1.2 μm/m)。
2、磁心上的麦克斯韦力。
在含气隙磁心中，麦克斯韦力是变压器振动的主要来源，导致磁心气隙具有收缩倾向，其大小取决于磁心磁密。
3、绕组上的洛伦兹力。
洛伦兹力是磁场与载流导体相互作用的结果， 导致绕组有收缩的倾向，其大小取决于绕组电流。
磁心振动基频为工作频率的二倍频，其振幅随工作频率存在数个谐振点。文献[74-75]在对纳米晶和铁氧体作为磁心材料的变压器的测振中发现，绕 组表面最大振动速度可以达到200 μm/s 以上，而对于含气隙的铁基非晶磁心，在某些区域的振动速度可以达到10 mm/s 以上。磁心振动加速度幅值随变压器工作频率的增加而增加，且在方波激励下，磁心振动加速度大于同频正弦波，最大可达100 m/s2[76-77]。相关研究显示，振动应力对薄膜绝缘失效有促进作用，振动下环氧树脂绝缘的局部放电幅值增加、沿面闪络电压降低[78-79]。周期性振动 应力还促进绝缘材料老化疲劳，进而引发绝缘开裂 失效。考虑机械应力对于绝缘老化的统计作用，基于逆幂模型，Montanari G[80]提出电-热-机械应力耦合下的绝缘寿命模型：
高频电场和高温下绝缘材料局部损耗增加，高温下材料杨氏模量大幅降低，周期性应力下，材料形变增加，处于拉伸应力下的聚合物分子更易断键， 电树枝引发概率增大，继而发展为电-机械击穿[81]。
综上，高频变压器的电应力体现为混频电压应力；热应力体现为接近绝缘极限温度的热点温度， 以及高工作频率下不可忽视的介电损耗；机械应力 体现为浇注绝缘热膨胀产生的应力、固化残余应力以及磁心和绕组带来的振动应力。以上应力使绝缘材料暴露在局部放电、热击穿、电树枝化和脱粘开裂失效等风险下。
3、高频变压器绝缘设计研究现状
高频变压器的绝缘等级主要由中压侧电网电压决定。由于目前尚未存在针对中压高频变压器的测试标准，在设计和试验中，一般参考干式配电变压器的试验准则。例如，用于±10 kV(10 kVrms)配电 网的高频变压器，短时绝缘耐压水平为±35 kV (35 kVrms)，雷电冲击耐压需要达到75 kV。然而， 考虑到混频电压应力下主绝缘和纵绝缘的耐电强 度均有不同程度的降低，应对其试验准则作出一定修订[33]。 表 2总结了近年来一些高频变压器样机的电压特点、绝缘结构特点、绝缘形式和耐压等级。 可以看出，环氧树脂灌封的高频变压器绝缘工艺逐渐成为主流。
目前高频变压器的绝缘设计主要基于经验选取、有限元验证优化的方法。确定电气参数、绝缘材料和绕组类型后，需要确定几个绝缘距离的值：低压和中压绕组间距d w1w2 ，低压、中压绕组匝间距离d w1i 、d w2i ，低压、中压绕组对磁心绝缘距离d w1c 、d w2c ，低压、中压绕组内部层间绝缘距离dw1l、dw2l， 低压、中压绕组端部至磁心的绝缘距离d w1t ，d w2t ，如 图 16所示。
利兹线为多股导线绞合而成，单根导线直径仅为百μm左右，整体浇注时，利兹线不均匀的外表 面容易引发电场集中，形成局部热点。为保证导线 内部和匝间间隙的充分填充，绝缘浇注料需具有良 好的流动性[26]，否则未填充气隙处的局部放电将无 法控制。文献[25]用低粘度有机硅预浸渍利兹线后 再用环氧树脂浇注整个线圈。文献[93]提出可利用 半导电材料涂覆利兹线匝表面以平滑电场，文献[22]选择了预浸渍导线、半导体胶带包封、整体浇注的 电场屏蔽工艺。文献[94]采用了一种特殊的电场屏 蔽工艺，绕组内部屏蔽层依次由皱纹纸、铜箔胶带、 半导电胶带组成，可将绕组端部电场强度降低50%以上，如图17所示。除了绕组内屏蔽，如果浇注 绕组与接地磁心间存在气隙，还需要控制气隙处增 强的电场不超过放电起始阈值，或应用导电材料包 封绕组的外屏蔽措施。
绕组出线端应采取尽可能避免沿面放电的形 式，例如利用半导电材料均匀高压端与外壳间的 电场[25]，或增加裙褶结构增加变压器端子间的爬电 距离[26]。
绝缘距离的选取与变压器的寄生参数有密切关系。谐振型拓扑中，变压器漏感参与谐振，需要 与谐振参数匹配，通常希望变压器有较低的漏感。 同轴绕组间的紧耦合或交错式绕组可以有效降低漏感[95]，但这也增加了层间绝缘设计的难度，且会 大幅增加绕组寄生电容，造成寄生振荡。DAB拓扑中，漏电感作为移相电感的一部分，起到存储瞬时 能量的作用，因此对绕组间距d w1w2 的最大值没有要求，但过大的漏感会影响变压器的效率。
各绝缘距离确定后，一般还需进行2D或3D有限元仿真，需要计算共模和差模电压叠加后的最 大电场，并考虑绕组电压分布非线性的问题[36]，验 证绕组内部走线、出线部位体绝缘或沿面绝缘的最大场强不超过限值，否则还需要进行进一步调整。
目前高频变压器的优化设计流程如图18所示。
根据前文所述，高频变压器内部存在复杂的应力，其绝缘特性受到多种因素的影响。而优化设计中的绝缘许用场强和热点温度只是硬性约束条件，并未考虑到高频电应力、热应力、机械应力下绝缘寿命的缩减。所以，在未来的研究中，应将绝缘寿命同时作为优化目标，在绝缘性能和功率密度的矛盾中找到平衡点。
4、聚合物在高频工况的绝缘特性
早期聚合物绝缘在高频方波下的失效机理研究主要针对PWM馈电电机的双绞线、薄膜绝缘， 由于电机绕组与高频变压器绕组结构具有相似性， 相关研究结论可被借鉴于高频变压器绝缘。近年来，针对电力电子器件封装采用的陶瓷基材料或硅弹性体绝缘、高频变压器采用的聚合物薄膜绝缘或环氧树脂、有机硅等浇注绝缘的局部放电、寿命失效、空间电荷和电树枝特性研究考虑到了电力电子器件的特征波形，但是仅存在极少针对带有直流或交流叠加的多级变换器应力的绝缘研究。
相较工频绝缘，高频方波下绝缘材料失效过程 存在独特性。高频电压下，电场集中处额外的介电 损耗、随频率增加的局部放电强度、绝缘体内和复 合绝缘界面的空间电荷行为被认为是加速绝缘失 效的主要因素[32]。
1、介电损耗。
混频电场下的介电损耗密度可利用各次谐波电场引起的损耗之和表示：
式中：ρ为密度；CV为体积热容。可以预见，浇注绝缘材料高温下杨氏模量的下降将导致其在周期性机械应力和热膨胀应力下应变的增加，绝缘结构的微小改变可能增加局部电场，引发热击穿；并且由于高温下增加的电导，绝缘体内增加的注入电荷也将导致这种电场增强。
2、局部放电。
文献[33, 100]认为，形如式(3)的介电损耗造成 方波下匝间绝缘材料击穿电压和寿命随频率增加 的显著下降。然而，文献[101]对直流叠加高频下聚 酯薄膜的寿命研究发现，高频变压器匝间薄膜绝缘 寿命仅在局部放电起始时显著受到频率影响，这说 明频率对绝缘强度的影响更多地取决于复合绝缘 结构的局部放电行为，在局部放电起始电压(PD inception voltage，PDIV)之上，绝缘材料存在明显 的受脉冲数量影响的退化机制[102]。平均局放幅值 越大，则绝缘击穿前容许的电压脉冲数越少[103]。
脉冲方波下气隙等绝缘薄弱处的电场强度可以通过图19解释[104]。当缺陷处电压大于PDIV时， 经过一段延时后由初始电子引发放电，局部场降低 为剩余场强 Eres，若注入的电荷未及时耗尽，则该 剩余场一直保持至下次电压反转前。电压反转时，2Ep的反转电场(单极性外施电压的峰峰值与双极性 相同)施加于绝缘缺陷部位，在-(2Ep-Eres)的峰值电 场下再次发生放电。这导致短时升压法决定的PDIV仅与电压峰峰值有关，但是如果考虑空间电 荷的长期行为，电荷积累会削弱放电气隙的电场强 度，不利于局部放电的起始[105]。研究[106]观察到， 单极性波形下，下降沿放电簇的持续时间甚至大于 上升沿时的持续时间。
已有学者发现，局部放电幅值、每周期重复率、 局部放电电流等参数随外施电压频率增加出现“拐 点”现象，即局部放电参数随频率增加先上升后下 降[107-108]，如图20所示。局部放电事件由随机产生的初始电子决定，其来源为缺陷处的体辐射电离和表面电子发射，后者为主要影响因素，表面电子发射率h(t)与累积可脱陷电荷Nq(t)和电极表面肖特基 注入过程相关[109]：
多数学者发现，绝缘薄膜的PDIV受频率影响 很小[104-105,111]。PDIV随方波占空比略微增加，这 一现象被认为与空间电荷在不对称波形下的注入 相关[112]。波形上升沿对PDIV的影响还没有形成统 一规律。
从上述分析中可以看出，高频电压下的绝缘局 部放电总是伴随介电加热对电荷行为的改变。有学 者认为，温度的升高使得载流子克服逸出功的势垒 降低，增大了绝缘介质和气隙的空间电荷注入量， 使局部放电更易起始，更容易产生大幅值的放 电[48,113]。然而文献[47]认为温度升高时，增加的电 导加速了气隙处电荷的迁移和耗散，局部放电能量 逐渐减少，放电幅值降低[104]。
波形参数和温度影响下局部放电参数以及失效时间的变化规律总结于表3中。可以看出，受制 于试样形式、检测手段以及局部放电的随机性，在PDIV、PD幅值、PD重复率随波形参数和温度的变 化规律，以及波形极性对失效时间的影响上，实验 研究并未体现出统一结论。
3、空间电荷。
混频电压应力下，绝缘体内部将伴随短期和长 期的电荷注入过程。双极电荷输运(bipolar charge transfer，BCT)模型常被用于解释高频电压下电荷的 迁移过程，单极性方波下绝缘体内电荷注入量远大 于双极性波形，且电荷注入量随方波占空比增加、 频率减小而增大[122-123]。基于电声脉冲法(pulsed electro-acoustic，PEA)的实验发现，高频交流电场 下，界面电荷每周期的瞬时注入能力相较直流更 强，高频下电极附近迟滞的异质电荷与周期内注入 的同质电荷的复合过程对绝缘老化存在决定作 用[124]。针对方波电压，研究发现单极性方波的频 率对空间电荷分布没有明显影响，且随占空比增 加，累积电荷量和电荷注入深度都增加[125-126]，如 图 21[125]所示。方波上升沿减小时，注入电荷量被 证明有增大趋势。当直流叠加脉冲电压时，绝 缘内部的最大电场会被随交流分量注入的空间电 荷明显畸变，增大电树枝起始概率。负极性电压叠 加方波电压时，电压瞬时值的变化与空间电荷密度 的变化相反[128]。当直流分量增加时，体电荷和界 面电荷均增加。高频电压下空间电荷密度和注 入深度随波形参数的规律研究被总结于表4中。
针-板电极构成的极不均匀场下，相较工频电压，高频方波更易在环氧树脂和有机硅浇注绝缘引 发电树枝。更高频率、更短上升时间以及更高温度 下，电树枝更易起始，并且在相同时间内达到更大 长度[130-132]，电树枝起始与极性反转前残存的空间 电荷相关[133]。电压频率增高时，电树枝通道内部 放电频率增加、头部损耗增大，且体电荷沉积深度 减小，因此电树倾向于发展主枝，丝状通道减少， 分形维数更小[134-135]。相关参数的变化规律总结于表5中。
综上，现有研究主要针对高频电压下绝缘的击 穿强度和绝缘寿命、复合绝缘的局部放电行为、复 杂电压应力下固体绝缘空间电荷行为和高频电压 下固封绝缘内部电树枝发展规律。然而，现有研究 形式还不能覆盖高频变压器内部的应力范围，绝缘 实验所考虑的电场分布与实际变压器有一定差距。现有的实验研究对温度、损耗、电场、电荷等因素 之间的耦合关系还不能解释得很透彻，对局部放电 的存在对宽频电场下绝缘失效特性的影响还不是 很明确。学者在温度、频率对电荷行为和放电表征 等规律性的问题上还未得出统一的认识，尤其是针 对直流或工频叠加高频方波电压下局部放电、绝缘 寿命和空间电荷特性的研究还十分缺乏。
5、结论与展望
高频变压器已应用于轨道船舶牵引、中压直流配电、数据中心供电等的电力电子变换系统中，在效率、体积、可控性上相较传统工频变压器有十足的优势。本文总结了高频变压器运行过程中承受的电压、热、机械应力情况，介绍了高频变压器目前绝缘设计的方法，梳理了高频电压应力下聚合物绝缘的研究现状。提出如下总结和展望：
1、高频变压器所处PET的拓扑结构决定了其 主绝缘和纵绝缘承受的电压应力。高频变压器端子 间的差模电压应力为开关器件产生的两电平方波 电压或多电平电压；在多级PET拓扑中，上部子模 块的高频变压器承受较大的共模直流或低频交流 应力，是高频变压器主绝缘承受的主要应力。电网 故障工况将为高频变压器绝缘带来额外考验。高电 压等级宽禁带半导体开关的应用使高频变压器承 受愈加严重的差模电压应力，高dv/dt激发的绕组 内高频谐振对绝缘构成直接威胁。因此，高频变压 器的绝缘设计需要“内外兼顾”。
2、高频、高温条件下，变压器浇注绝缘的介 电损耗将不可忽视。由于介电损耗与电场平方的正 比关系，高频变压器电场集中部位将形成局部热 场，该温升又进一步促进局部损耗，甚至形成“热 击穿”。从现有优化设计方法的角度来看，绝缘所 承受的热点温度与变压器功率密度构成一对矛盾， 过分提高功率密度将导致绝缘性能的大幅下降。因 此，核算满载甚至过载条件下浇注绝缘的介电损耗 在变压器设计流程中十分必要。
3、高频变压器绝缘机械应力的来源是浇注绝 缘体热膨胀差异产生的应力、固化残余应力和磁 心、绕组的振动应力。高温下浇注绝缘增大的热膨 胀系数将增加金属导体粘接界面发生脱粘分层的 风险，浇注绝缘在固化工艺控制不当或承受较大温 度梯度时，自身也可能发生开裂。振动应力将促进 材料的老化疲劳和结构性缺陷的形成。高频变压器 布局紧凑，热场梯度较大，为了避免浇注绝缘内部 脱粘分层，形成局部放电侵蚀点，建立热-固耦合模 型对浇注绝缘进行应力优化、材料选型也是高频变 压器设计的需求之一。
4、高频变压器绝缘距离的选取与高频变压器 磁心电气连接、整机体积、散热情况和寄生参数有 密切的联系。在绝缘工艺上，一般采取电场平滑措 施以改善利兹线不均匀表面引起的电场集中。目前 高频变压器绝缘设计主要依赖于经验手段，绝缘许 用场强和热点温度在变压器优化设计中只作为硬 性约束条件，并未考虑到高频电应力、热应力、机 械应力下绝缘寿命的缩减。因此，考虑复杂应力条件下绝缘性能的优化设计流程还有待开发，而这需 要对高频固体绝缘失效规律的深刻认识。同时，面 向大功率高频变压器的试验、监测与状态评估手段尚未成熟，需要找到经济的解决方式。
5、高频、混频电压下，额外的介电损耗、增 加的局部放电强度和复杂的空间电荷行为被认为 是加速绝缘失效的主要因素。高频电场下的局部 放电将促进材料表面侵蚀，降低绝缘寿命，介电 损耗将加速电荷的注入和材料化学键的断裂，每脉冲周期空间电荷的瞬态行为是造成绝缘老化和 击穿的关键。然而，目前研究对高频局部放电的 影响考虑不足，缺乏有效监测混频应力下空间电 荷分布的手段。因此，应结合实际绝缘结构，明确电、热、力耦合下绝缘缺陷的成因，考察混频 电压下局部放电对绝缘寿命的影响；应当对混频 电压应力下空间电荷的迁移规律进行定量研究， 并开发能够描述高频空间电荷对绝缘老化作用的模型。
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