随着电力电子技术的发展，电子设备与生活日益相关，开发具有轻量化、体积小且高功率密度的高频能量转换系统成为当前研究的热点[1-2]。在电力电子装置中，高频变压器具有电压变换和隔离的功能，具有很好的应用前景。变压器的工作频率越高，它的体积和重量会越小，损耗也随之增加，效率就成为了不可避免的问题。在此运用相关公式，对变压器的参数进行计算，进行损耗分析。继而提出高频变压器的优化设计方法，并对其进行理论计算验证[3-4]。

1高频变压器绕组损耗研究

高频变压器的绕组损耗主要由趋肤效应和邻近效应引起。

1.1趋肤效应

高频电流流经导体时，内部会产生涡流，使电流的分布发生改变。高频磁场在沿导体长度方向上的左右两个截面内，会产生涡流，从而阻止导体内部磁通的变化。这些涡流会使导体表面主电流变强，导线截面中心处的主电流减小，使得传输的电流趋于导体表面，这就是涡流的趋肤效应。 

1.2邻近效应

多匝导线并绕时，导体内部高频电流产生高频磁场，进而产生涡流，涡流会使得导线内部流通的电流偏向一侧，异向电流会使导体中的电流趋向导体接近的一侧，同向电流会使得电流集中在导体外侧，最终使电流分布不均匀，从而影响导体的电阻，这就是涡流的邻近效应。 

1.3减小绕组损耗的措施：

由于两种电流效应的存在，使得高频变压器的交流损耗变得不容忽视。因此，必须要采取措施减弱它们引起的损耗。

1.3.1减小趋肤效应产生的损耗措施

（1）用多股细线并联代替单根导线来降低趋肤效应的影响。

（2）用带状导线，将导线厚度减小，宽度增加。

1.3.2减小邻近效应产生的损耗措施

高频变压器绕线的绕制结构可以分为无交叉式、三明治式和交叉换位式。交叉换位式结构的漏感、邻近效应大大降低，在效率、可靠性和故障率方面都有良好表现，故采用交叉换位式绕线方式。

2高频变压器铁芯损耗研究

2.1磁芯材料

目前在高频变压器中应用比较广泛的磁芯材料有硅钢片、铁氧体、非晶合金以及纳米晶等。 本文归纳了四种常见的用于制作磁芯的软磁材料的特性参数。非晶合金材料比硅钢片，铁氧体性能更好，且其饱和磁通较大，磁导性能更好，比纳米晶成本低且目前工艺也比较成熟，相比较而言非晶合金材料为最佳选择。

2.2磁芯损耗的组成

磁芯损耗是由于磁芯中磁场交替变化，导致磁芯内部产生的能量损失。磁芯损耗主要分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。

2.2.1磁滞损耗

在软磁材料的磁化过程中，磁畴壁会进行移动，而为了克服这种摩擦而损耗能量，它的值等于静态的磁滞回线包围面积，表达式为：

（1）

2.2.2涡流损耗

在软磁材料的磁化过程中，由于磁场不断变化，根据电磁感应产生了在磁芯内部循环的涡电流，该电流与磁场垂直。涡电流会因磁芯内的电阻产生功率损耗，转化为热量。

（1）未考虑趋肤效应和邻近效应，以圆柱型磁芯为模型，表达式为：

（2）考虑趋肤效应和邻近效应，以单叠片模型为例，表达式为：

（3）

2.2.3剩余损耗

（2）

剩余损耗是由于磁化弛豫效应引起的损耗表达式为： 

（4）

2.3磁芯损耗的计算

现在对于磁芯损耗的研究，主要有两种计算方法，Bertotti 基于分离假说的损耗分离法，以及 Steinmetz 基于实验数据的经验公式法。

2.3.1损耗分离法

1988 年 G.Bertotti 根据高频变压器磁芯损耗的产生原因，提出将磁芯损耗分解为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三项，三者相加为总损耗。

未考虑集肤效应时：

（5）

考虑集肤效应时：

（6）

2.3.2经验公式法

1892年，Steinmetz 在三项分解损耗的基础上，通过分析软磁材料的磁化曲线，提出了一个经典的经验公式，用以计算磁芯损耗，表达式为：

（7）

3高频变压器优化设计

温升特性是变压器优化设计中不可忽视的一部分。如果变压器长期运行在高温条件下，则会大大降低变压器的使用寿命，而温度升高的主要原因是绕阻损耗和铁芯损耗产生热量，本文仅从减少热量产生的角度提出优化设计方法。

效率优化是指在铁芯、绕组尺寸和结构固定的情况下，通过优化变压器工作是的磁密，来减小损耗。

铁芯损耗和绕组损耗计算公式分别如两式：

(8)

(9)

变压器总损耗为铁芯损耗与绕组损耗之和，即：

(10)

将铁芯损耗和绕组损耗的计算公式代入，再对工作磁密进行求导，可求出最优工作磁密：

(11)

将最优工作磁密代入铁芯损耗和绕组损耗计算公式，则再最小损耗时有：

(12)

将最优工作磁密代入绕组损耗计算公式，在最小损耗下原、附边损耗、有：

(13)

根据以上关系则可重新计算得到绕组的匝数和绕组的排布方式，继而对变压器进行优化。

4总结

本文针对高频变压器的两方面损耗以及对应的优化设计进行了综述，首先阐述了两种损耗产生的原因、计算公式和减少对应损耗的措施，然后从这两方面着手进行了理论分析和公式推导，得出了效率优化和功率密度优化两种优化设计方法。由于本文作者水平有限，以及时间精力有限等原因，本文未对高频变压器的温升特性以及相应的散热翅片模型等进行阐述总结，仍然存在不足。

参考文献：

[1] 尹毅然.高频变压器损耗计算和散热的设计与优化[D].北京：华北电力大学（北京），2019.

[2] 刘洁苇.高频变压器多物理场仿真及计算[D].北京：华北电力大学（北京）,2019.

[3] 王新勇.高频变压器损耗及温升特性分析[D]. 天津：河北工业大学，2013.

张宁.高频变压器优化设计方法与应用研究[D].北京：华北电力大学（北京），2016.