技术综述

中频变压器成了 SST 的真瓶颈：2026 年五篇论文的绝缘、热与磁协同设计

固态变压器（SST）过去十年的开放问题是"有没有合适的中压开关器件"。这已基本解答：1.2 kV 与 1.7 kV SiC 平台成熟，3.3 kV 以上也已量产。剩下的更难，因为它不是半导体问题。

中频变压器（MFT）是 SST 中唯一不遵循成本下行曲线的部件：器件靠材料与工艺节点进步，可复制；MFT 性能同时取决于绕制工艺、绝缘结构、固化应力与散热路径，多为半手工工序。2026 年 8–9 月五篇同行评议论文指向同一结论——MFT 已是真正的约束环节，只能作为电—热—介质耦合系统来优化。

1. 绝缘距离是算出来的，不是继承来的

常规做法是照搬工频干式变压器的间隙与爬距规定再加余量。Korthauer 与 Biela 指出这既浪费又不安全：绝缘占变压器体积相当比例，每多留一毫米，功率密度与热阻两处都要付账 [2]。

他们的框架把距离算出来而非查出来——两步法先算通用设计曲线，设计者按设计电压在优化回路中直接读取。在箔式绕组、空气绝缘的 MFT 上验证：样机在设计电压 8.5 kV 下放电量远低于 10 pC；相比传统方法，设计电压最高可提至六倍，对最大一分钟耐压值仍留超过 100% 安全裕度 [2]。

2. 劣化是耦合的，不能单因子降额

Adhikari 与 Ghassemi 的中压高频变压器绝缘综述否定了大部分单因子降额做法：击穿电压、局部放电起始电压（PDIV）与电树枝化行为，并不由频率、温度或波形独立决定 [1]。

它们来自电荷弛豫、介质损耗发热、局部场强增强、残余电荷记忆与电—热—机械损伤的共同作用。该文提出归一化比较框架（V_n = V/V₀、R_V = 1 − V_n），并给出联合应力下击穿／PDIV 劣化与树枝化速率的经验标定式 [1]。

两项可用输出：针对高 dv/dt 方波与 PWM 的定量局放检测选型矩阵——陡沿下并非每种方法都能分辨同一类缺陷；以及把抑制措施归纳为多目标绝缘配合，指出可靠设计需波形定义、材料认证、诊断标定、多物理场建模与系统级验证协同 [1]。

3. 漏感是设计目标，不是寄生参数

在双有源桥（DAB）单元里，串联电感承担功率传输功能，不是越小越好的寄生量——给定移相角下它直接决定传输功率。过去由外置电抗器提供，2026 年的趋势是集成进变压器本体，即漏感集成式 MFT（LI²MFT） [3]。

一旦集成，磁件设计就变成多目标优化：样机须同时满足中压隔离、DAB 目标漏感、效率、功率密度与热可靠性，而漏感与损耗对磁芯形状、绕组结构、空间布置是非线性依赖，没有闭式解 [3]。

Noh 等的解法是数据驱动——用 30 000 次有限元仿真训练机器学习回归模型预测漏感、损耗与热点温升，再用 NSGA-II 在效率与体积上生成帕累托前沿，最终做出 100 kW、变压器效率 99%、70 kV 绝缘的样机，实测与预测吻合 [3]。可迁移的经验是：电气与介质指标必须一起设计时，代理模型是唯一可行的探索方式。

4. 损耗模型要在空间和频谱上都分辨到

效率声明取决于背后的损耗模型；非正弦 DAB 激励下标准模型系统性偏乐观。Liu 等在 300 V、6 kVA、50 kHz 铁氧体箔式变压器上量化了误差——对象虽低于中压，建模结论同样成立 [5]。

磁芯侧：iGSE 按均匀磁通施加于整个磁芯得 1.63 W；把壳式磁芯拆为中柱、旁柱、磁轭三区，由单移相模型导出各区磁通波形分别套用得 1.11 W，与 COMSOL 的 1.14 W 接近。均匀磁通假设是主导误差项 [5]。

绕组侧：FFT 分解电流、按频率相关集肤深度算到第七次谐波后代入 Dowell 模型得 34.59 W，有限元为 41.20 W——差距源于一维场假设，未计入边缘电流拥挤、端部漏磁与局部边缘效应。对照开路与短路实测，磁芯损耗误差 10–15%、绕组损耗 8–10% [5]。

5. 绝缘层同时就是热障

干式 MFT 里，提供耐压的厚环氧也正是挡在绕组热点与冷板之间的材料，导热系数很低。热设计不是绝缘设计的附加项，两者争夺同一份空间。

Liu 等把高导热热管嵌入变压器内部，让热量直接导到散热器与风扇而非穿过多层绝缘 [4]。其面向 10 kV SST 的 20 kHz、70 kW 样机达变压器效率 99.53%、功率密度 10.41 kW/L、热点温度 106 ℃，明显低于传统冷却方案 [4]。

6. 五篇论文合起来说明什么

设计问题	2026 年的结论	代价落在哪里
绝缘距离留多少	可由通用设计曲线算出；设计电压最高提至常规的 6 倍，8.5 kV 下放电量 <10 pC [2]	过度留裕量同时损害功率密度与热阻
绝缘怎么失效	电—热—波形多机制耦合，单因子降额无法预测 [1]	型式试验与局放诊断须匹配真实开关波形
DAB 电感从哪来	集成进变压器本体；100 kW / 99% / 70 kV 样机由机器学习 + NSGA-II 设计 [3]	漏感公差等于并联单元的功率分配公差
损耗模型准不准	分区磁损 + 谐波分解铜损，实测偏差 10–15% / 8–10% [5]	均匀磁通 iGSE 在该算例中高估磁损约三分之一
热怎么出去	热管嵌入本体；70 kW / 10 kV 单元达 99.53%、10.41 kW/L、106 ℃ [4]	绝缘与散热争同一个体积

给中压 SST 选型方的五条

1. 要绝缘设计依据，不只是间隙数值。说不出距离背后放电起始模型的供应商，给的是惯例不是设计。
2. 先定试验波形，再接受局放数据。正弦波下的局放数字对陡沿方波说明不了什么。
3. 把漏感当公差项。集成后其制造分散度即并联 DAB 单元的功率分配分散度。
4. 要按实际调制方式给的损耗数据，并问清热通路物理上在哪。均匀磁通磁芯模型与只看有效值的绕组模型都会让设计显得更漂亮；若热通路的答案是"穿过绝缘层"，功率密度声明即有上限。

相关阅读：中压固态变压器：拓扑、控制与工程落地距离 · 中压应用中的 SiC 技术 · MV SST vs 传统变压器

资料来源

1. Adhikari, B.; Ghassemi, M. "Insulation Challenges in Medium-Voltage High-Frequency Transformers for Solid-State Transformers: A Review of Mechanisms, Diagnostics, and Mitigation." IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，Early Access，2026 年 8 月 18 日在线发表。DOI: 10.1109/TDEI.2026.3724552
2. Korthauer, B.; Biela, J. "A Generalized Framework for Medium-Frequency Transformer Insulation Design: Case Study on Air Insulation." IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 41, no. 8, pp. 13219–13230, 2026 年 8 月。DOI: 10.1109/TPEL.2026.3666069
3. Noh, E.; So, J.; Park, J.-H.; Lee, S.-H. "Machine-Learning-Based Optimal Design of a 100 kW, 99% Efficiency, 70 kV Insulated, Leakage-Inductance-Integrated Medium-Frequency Transformer." IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 73, no. 8, pp. 11375–11385, 2026 年 8 月。开放获取（CC BY 4.0）。DOI: 10.1109/TIE.2026.3663785
4. Liu, Z.; Zhu, L.; Zhang, G.; Dang, Y.; Zhang, S.; Ji, S. "Enhanced Thermal Design of High-Power-Density Dry-Type High-Frequency Transformer With Heat Pipe Cooling in Medium Voltage Applications." IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 41, no. 8, pp. 13231–13246, 2026 年 8 月。DOI: 10.1109/TPEL.2026.3666301
5. Liu, R.; Yan, S.; Zhao, J.; Lv, P.; Zi, J.; Xiong, Y.; Yang, L. "Region-Partitioned Core Loss and Harmonic-Resolved Winding Loss Modeling for High-Frequency Transformers in Dual-Active-Bridge Converters." Electronics 2026, 15(17), 3972，2026 年 9 月 3 日发表。开放获取（CC BY 4.0）。DOI: 10.3390/electronics15173972

免责声明：本文基于上述公开同行评议资料编译，仅供行业技术交流参考。文中数据均为各论文所述条件下的部件级结果，不构成系统级性能承诺。具体项目设计需结合项目条件进行专项工程分析。