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电力电子高频磁技术及其发展趋势<1>（陈为、章进法）
一、电力电子高频磁技术研究的意义
1电力电子技术具有十分广阔的应用前景。电力电子技术的主要研究与应用内容是电能形
式的变换技术，即通过电力电子变流装置将电能的波形、频率和大小进行变换。目前，电力
电子技术的应用范围十分广泛。据统计，1997年，美国有40％的电能要通过各类电九电子变
流装置进行能量转换，而到2010年，这一比例将提高到80％。电力电子应用范围的扩大和应
用水平的提高不仅引起量的扩张，而且对质也提出了更高的要求。例如，到2002年，500W等
级的高频开关电源的功率密度将要从目前的2－4W/in3提高到3.5－6W／in3：超大规模数字集
成电路的发展对在板式低压电源模拟（On-board Low－voltage DC／DC converter）也提出
了很高的性能要求。下一代Intel奔腾微处理器芯片所需要的供电模块（VRM），不仅要求效
率高，电源能与芯片集成。而且要求在12－15伏的低电压下，提供50－70安的电流，而且电
源的瞬态响应速度要达到5A／ns。
2高频磁技术是电力电子技术中的重要内容。功率磁性元件是所有电力电子装置中必不可
少的关键器件，它担负着磁能的传递、储存以及滤波等功能，其体积和重量一般占到整个电路
的20至30％，损耗占总损耗的约30％。而且磁件的各参数对电路的性能影响很大。如变压器的
漏感对电压尖峰的影响，变压器原、副绕组耦合电容对隔离性能的影响。降低电力电子装置的
体积和重量、提高电压调制性能的关键是提高开关工作频率。随着有源开关器件及软开关技术
的发展，开关损耗降低，频率提高。但是在高频下，功率磁技术的发展却比较缓慢，已成为影
响电力电子总体发展的一个制约因素。
电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来，并将传统工频磁技术的研究方
口应用推向高频和特殊的磁结构。以电磁理论为基础，探讨磁件在高频下，在正弦、方波或任
意波形电压激励下，以及在与电力电子电路的结合上，所产生的特殊问题，探讨磁性元件的数
学模型、电路模型、电磁场数值模型以及磁件的分析、实验和设计方法，并研究和提出各种新
型的磁结构形式。电力电子高频磁技术是电力电子学科与电器学科的前沿交叉研究内容。当然，
电力电子高频磁技术还包括高频磁性材料的研究和开发。
3．电力电子技术的发展对磁性元件提出了新的要求。随着现代电力电子技术向着高频化、
绿色化、集成制造、平面化以及高功率密度方向的发展，也对磁性元件提出了更高的要求。磁
性元件的高频化、集成化、平面化、阵列化、模块化及高效率已成为磁件发展的必然趋势。而
且随着各种形式的磁性材料及磁性材料加工技术以及厚膜集成制造技术的发展，各种新结构的
磁件应运而生。这些都带来磁件在理论分析、数学建模、优化设计、实验研究以及实际应用上
的诸多问题。磁件的各项分布参数（如漏抗、分布电容、匝间电容等）及高频损耗对磁件性能
起了重要作用。对这些磁件，如何构造、如何分析，如何设计，如何测试；目前都缺乏一套有
效的理论指导与分析依据。传统的适合于工频磁件或块状磁结构磁件的分析研究和设计方法已
不能满足现代高频磁技术发展的需要。磁性元件无论在研究，还是在应用上，都已成为电力电
子前沿技术进一步发展的瓶颈。可以说，高频磁技术研究的新成果和突破将会带动电九电子前
沿应用的快速发展。
4国际上十分重视高频磁技术的研究和应用。美国、欧洲、日本等电力电子技术强国都十
分重视高频磁技术的研究与应用。近几年，在各种电力电子的国际学术会议（如APEC、PESC、
LAS、HFPC、IECON、EPE等）上，磁技术都已独立出来作为会议讨论和交流的专题内容，而且
磁技术方面的论文数量在逐年增加。1998年的国际应用电力电子会议（APEC）还将磁技术作
为会议的学习专题内容。但是，高频磁技术的研究目前在我国还设形成一定的研究规模，电
力电子领域的的研究人员往往对磁技术研究不大深入。因此，在我国开展高频磁技术的研究
与应用对我国电力电子技术的发展是十分重要的，必将推动我国电力电子技术的进步。
二、电力电子高频磁技术的发展趋势
磁性元件作为电力电子装置中的关键器件。与电力电子技术本身的发展和应用范围的扩
大是密切相关的。但同时，高频磁技术本身的发展和突破又反过来带动电力电子应用水平的
进一步提高和应用范围的扩大。可以说，目前高频磁技术在一定程度上已成为推动电九电子
技术进一步发展的动力。磁技术的发展趋势主要体现在以下几个方面。
1．高频化（High－frequency）
开关频率的高频化（几百千赫北到兆赫兹）是电九电子产品技术含量高低的重要标志。提
高开关频率降低了功率磁性元件的体积和重量，从而降低整个产品的体积和重量。根据理论分
析，在相同的磁通密度下，频率提高一倍，变压器的铁心截面积可以减小一半。同样，频率的
提高可以减小电感器的电感量。但频率的提高，将各引起磁件损耗的急剧增加。所以实际上，
磁件的体积和重量的下降大体上与开关频率的平方根成比例。通过改善磁件的散热条件，可以
进一步提高这一比例。随着软开关技术的发展，开关损耗降低，使开关器件的工作频率逐步提
高，但磁件损耗的急剧增大，限制了频率的进一步提高。磁件的高频化是电力电子技术高频化
的必然要求，也是磁件发展的最重要趋势。
就磁件来说，高频化所带来的问题主要体现在四个方面。一是使磁件的分布参数的影响增
大。如变压器，在高频下，匝间电容和原副绕组耦合电容的影响显著增大，成为不可忽略的电
路参数，频率对铁芯损耗、绕组损耗甚至激磁电感、漏感等参数的影响也最著增大，使得磁件
的电路模型更加复杂。二是使磁件的损耗增大，涡流效应更加显著。铁芯和绕组的结构和布置
方式，甚至绕组的端部结构对磁件的损耗具有重要的影响。电感器的气隙扩散磁通损耗急剧增
加；变压器原副绕组的各种结构形式对绕组损耗也有关键的影响。三是给磁件的测试带来困难，
在高频下，测试系统的分布参数所引起的相位误差增大，从而使磁件参数（如损耗等）的测量
误差急剧增大。四是对磁性材料提出了更高的要求，除了积极研制高频低损耗磁性材料外，也
出现了各种结构形式的磁材料，如用厚膜技术制造分层磁芯，西门 子公司研制的磁性薄膜
（FPC）等。
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