Transcript 集肤效应

集肤效应
南京航空航天大学民航学院
民航电子电气工程
周洁敏
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引言
高频开关电源中，损耗仍然是高频磁性元件设计的依据。
高频效应：高频电流在线圈中流通产生的结果
寄生电感、寄生电容的影响大大地损害了开关电路
的性能，主要体现在：
效率降低、电压尖峰、寄生振荡和电磁干扰等
采用缓冲、箝位等措施改善高频开关电源的性能，
使电路复杂化，可靠性降低。
讨论寄生参数产生的原因和对策；讨论涡流产生的原理
和带来的问题。
多层线圈高频损耗严重、线圈并联不正确时产生高
频环流以及处于强交变磁场中的屏蔽层和不工作中
心抽头线圈高损耗问题。
集肤效应（Skin effect）
磁场最强
离开导线中心
越远磁场越弱
低频时单根导
线产生的磁场
H  I / d
在导线中心包围的电流少，磁场H弱。
由中心点向外延伸时，包围的电流逐
渐加大，到达导体表面时包围了全部
电流，磁场也最强。
6.1 集肤效应（Skin effect）
高频电流通入时，在导
体内外产生变化的磁场
（1-2-3和4-5-6），方
向垂直于电流。
平面L和N产生感应
电动势。这个感应
电动势在导体内整
个长度方向产生的
涡流阻止磁通的变
化。
a、b和e、f边的电
流与主电流OA方向
一致（图中红色）
b、c和d、e边与主电
流OA相反（图中蓝色）
主电流和涡流
之和在导线表面加
强，趋向导线中心
越弱，电流趋向于
导体表面。这就是
集肤效应。
将单位长度的导
线，分割成足够
小的同心圈，当
沿径向分割足够
小时，认为通过
这些筒的截面磁
感应密度均匀。
集肤效应的电路描述：
取此载流导线一个单位长度，由导线中心到外径径
向分成若干同心小筒，当这些径向分割足够小时，认为
通过这些筒截面An 的磁感应是均匀的。
Ln-n单元单位长度电感
Lx-表面以外全部电感
Rn-桶状导体单位长度
的电阻
A点－导线截面
B点－导线中心
当直流和或低频电流流过时，电感不起
作用或作用很小。电路电阻电流总和等
于导线总电流。
Skin effect
如果通过高频电流，由于分布电感的作用，外部
电感阻挡了外加电压的大部分，只是在接近表面
的电阻才流过较大电流，由于分布电感压降，表
面压降最大，由表面到中心压降逐渐减少，由表
面到中心电流也愈来愈小，甚至没有电流，也就
是没有磁场。这就是集肤效应或趋肤效应。
研究表明，导线中电流密度从导线表面到中心按指数
规律下降。导线的有效截面积减小而电阻加大。
工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密
度的0.368（即1/e）的厚度为趋肤深度或穿透深度Δ:

式中
2k

μ－导线材料的磁导率；
γ＝1/ρ－材料的电导率；
k－材料电导率（或电阻率）温度系数；
一般磁性元件的线圈温度高于20度。在导线温度100度时
 
7 .6
f
穿透深度与频率平方根成反比。
随着频率的增加，穿透深度减小。
对于直径为d的圆导线，直流电阻Rdc 反比于导线截
面积。因集肤效应使导线的有效截面积减少，交流电阻
Rac 增加，当导线直径大于两倍穿透深度时:
Rac
Rdc
d 4
( d 2 )
2

d 4   (d  2) 4
2
2

2
(d 2)  (d 2  1)
2
2
穿透深度与频率的平方根成反比，随着频率的增加，
穿透深度减少，Rac/Rdc 随之增加。
导线的直流阻抗与导线的截面积有关，集肤效应使
导线的截面积减小；
交流阻抗与通过电流的频率有关，频率越高，阻抗
越大。
穿透深度越深导线的利用率越高，反之。
有了上面对集肤效应的分析可以得出下面的使用指导
大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大，
经常用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。
如果是两根导线代替一根，细导线的直径
d  D/
2
单导线的穿透截面积
两根并联导线的穿透截面积
 d
2 d 
多股细线绞合的利兹线可以减小集肤效应和邻近效应。
利兹线用于50KHZ以下，很少用到100KHZ
大电流（15-20A以上）情况下，一般不用利兹线，
而用铜箔，将铜箔切割成骨架的宽度，厚度可以比
开关频率时的穿透深度大37%，铜箔之间需要绝缘。
开关电源中大部分电流波形为矩形波，其中包含有丰
富的高次谐波，各谐波穿透深度和交流电阻互不相同。
矩形波电流的穿透深度为基波正弦波穿透深度的70%。
THE END