高频高压变压器是电容器充电电源中最关键的部分之一,承担着能量传递、电磁隔离、电压转换的重要作用。随着电力电子技术和高频大功率开关技术的发展,其工作频率和功率密度进一步提高,为了减小分布电容和提高绝缘性能,高频高压变压器副边线圈通常采用多层多段绕制方式。分段式高频高压变压器的设计面临诸多挑战,包括高频磁芯及绕组损耗计算、分布参数问题、绝缘和散热设计等。本文以准确计算分段式高频高压变压器参数为目的,以一台工作频率为20 k Hz、输出电压为20 k V、输出功率为10 k W的样机为研究对象,对其磁芯损耗、绕组交流损耗、分布参数开展解析计算、数值仿真分析与实验测试工作,揭示了变压器参数与其材料和结构的关系,从而为变压器优化设计建立了基础,主要研究内容和成果如下:在分段式高频高压变压器磁芯损耗研究方面,采用椭圆模型拟合铁基超微晶磁芯的交流磁滞回线,并利用多项式拟合不同最大工作磁感应强度对应的复数磁导率,即相对磁导率幅值和损耗角,提出了二维与三维模型相结合的有限元计算方法,通过在层与层之间添加磁绝缘边界条件,避免了各向异性材料的使用,分析了叠片式铁基超微晶磁芯的涡流损耗和磁滞损耗。测试了厚度为17μm的FT-3W带材卷绕的铁基超微晶磁芯的磁芯损耗,实验结果表明,当有限元模型分层数为10层时,磁芯损耗仿真与实验结果相对误差小于5.3%,验证了该模型的计算准确性,为高频高压变压器实际工作过程的磁场分布分析奠定了基础。在分段式高频高压变压器绕组损耗研究方面,从涡流的产生机理着手分析了绕组交流电阻远大于直流电阻的原因,采用了Dowell模型和Ferreira模型分别阐述了铜箔绕组和利兹线绕组的交流电阻理论计算原理,在此基础上,通过对该模型简化分析,推导了铜箔绕组的最佳厚度和利兹线绕组的最佳股径的解析表达式,为高频高压变压器的绕组线径优化设计提供了理论指导。在分段式高频高压变压器分布电容计算方面,分别从解析计算和有限元仿真方面对现有计算方法在分段式绕组计算误差较大的问题进行了改进。解析计算方面,从电势分布的角度着手,提出了段间分布电容和边缘效应等效电容的概念和解析计算表达式,并研制多个变压器线圈,实验结果表明,本文提出的分段式分布电容解析计算方法精度远高于传统解析法,其最大相对误差从传统解析法的85.5%降低至9.5%,扩大了解析计算法的适用范围。在分布电容有限元仿真方面,考虑了绕组排布方式对电势分布的影响,提出了基于能量等效法的二维轴对称集总电容计算模型,仿真结果与实验测试结果吻合良好,其最大相对误差从节点矩阵法的25.4%降低至12.4%。在分布电容解析和仿真计算法的基础上,分析了分段式绕组分布电容随绕组总段数、每段层数、每层匝数的变化规律。分布电容的计算方法为分段式高频高压变压器绕组排布方式的优化设计建立了基础,同时也为电容器充电电源设计提供了准确的电路参数。基于分段式高频高压变压器磁芯损耗、绕组损耗和分布参数的准确计算,提出了高频高压变压器的优化设计方法,该方法在传统AP法选定磁芯的基础上,以较小化分布电容为目标优化了高压侧绕组的排布方式,即总段数、每段层数和每层匝数,在绕组总匝数和排布方式确定后,以减小绕组损耗为目标,优化了铜箔厚度和利兹线股径。通过三维有限元仿真分析了设计方案的电磁场分布,最后给出了20 k Hz/20 k V/10 k W分段式高频高压变压器优化方案,并研制了无气隙分段式高频高压变压器,通过基本电参数测试、空载测试、短路测试和耐压测试等实验验证了分布参数计算、磁芯损耗计算、绕组损耗计算的准确性以及绝缘设计的可靠性。在分段式高频高压变压器测试方面,搭建了充电电源测试平台,分析了该平台在不同阶段的工作过程,讨论了分布电容对充电系统的影响。对不同分布电容的变压器进行输入电压变化、充电时间恒定的电容器充电测试,完成了开关频率为20 k Hz、充电电压为19.6 k V、功率为7.7 k W的充电实验。实验结果表明,高频高压变压器的分布电容对充电前期电流电压波形影响较小,而随着充电电压的增大,分布电容越小时系统充电速度越快,电压增益越高。通过系统测试结果与Simulink仿真结果对比,进一步验证了分布参数计算的准确性。