在智能电网快速发展背景下，电力电子变压器（PET）成为构建新一代交直流配电网的关键设备，其中高频变压器（HFT）是实现电气隔离、电压转换的核心部件。提高工作频率是降低高频变压器体积、质量及成本的有效手段，但随着工作频率提高，磁心和绕组的损耗密度增加，同时变压器的散热面积却相对减小。

以环氧树脂、硅胶为代表的固体灌封材料，因其优异的绝缘性能及高安全性、易维护等特点，得到了广泛应用，但高介电强度的固体绝缘材料导热性能普遍较差，难以将变压器内部的热量导出，容易导致局部过热。运行温度是考核高频变压器性能的重要指标，过高的运行温度将导致绝缘材料老化，因此准确的热模型和温升计算方法对于高频变压器的设计和寿命预测有着重要意义。

三维温升计算是大功率高频变压器建模中的难点问题，准确、快速的热模型对于高频变压器的优化设计和稳定运行有着重要意义。目前，普遍采用降维方式建立集总参数热网络模型，其计算精度易受结构参数影响，在宽参数范围寻优中难以实现准确的热点预测。

为了实现高频变压器温升的准确计算，并满足高频变压器优化设计所需的快速性和宽范围参数适应性，南京南瑞继保电气有限公司的骆仁松、汪涛、文继峰等，基于有限差分方法（FDM）构建了高频变压器三维热模型，并对离散化误差及其控制方法进行分析，解决了传统方法参数适应性差的问题，实现了变压器内部热点的快速、准确预测。

图1 高频变压器优化设计流程

图2 150 kW DC-DC变换器

他们借助有限元仿真对三维热模型的参数适应性进行详细校验，包括结构尺寸、损耗密度及散热条件，校验结果表明，该模型在宽参数范围内的最大误差小于10%。以10 kHz、150 kW变压器为例进行优化设计，单次三维温升计算平均耗时2.8 ms，最优设计边界上的最高温升计算误差低于5.5%。根据优化设计结果加工150 kW变压器原型样机并进行额定功率测试，最高温升计算误差为3%。

图3 150 kW变压器样机额定功率运行情况

研究者指出，基于有限差分方法的三维温升计算方法实现了计算精度和计算速度之间的平衡，为高频变压器的优化设计提供了模型基础。

本工作成果发表在2023年第18期《电工技术学报》，论文标题为“大功率高频变压器三维温升计算及优化设计方法”。本课题得到南瑞集团有限公司科技资助项目的支持。