趋肤效应（讲义）.ppt

趋肤效应 趋肤效应（Skin effect） 低频时单根导线产生的磁场 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。 磁场最强 离开导线中心 越远磁场越弱 趋肤效应（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。 由于变化磁场激起感生电场，则在导体内产生感应电流。这些感应电流的流线呈闭合的涡旋状，故称涡电流(涡流) 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流通。这就是趋肤效应。 趋肤效应的电路描述： 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。 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。这就是趋肤效应或集肤效应。 Skin effect 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 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； 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。 铜的穿透深度为： 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。因趋肤效应使导线的有效截面积减少，交流电阻Rac 增加: 对于厚度为d，宽度为a的扁平线，因趋肤效应使导线的有效截面积减少，交流电阻Rac 增加: 对于直径为1.5mm的铜圆导线，导线温度为100C，25KHz穿透深度为0.48mm. 如果是200KHz，穿透深度为0.17mm.此时 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。穿透深度越深导线的利用率越高。 导线的直流阻抗与导线的截面积有关，趋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。 a(f)为0.9mm直径圆导线ACR/DCR b(f)为厚0.3mm宽2.3mm扁平导线ACR/DCR 由此可知，扁平线比圆导线的抗趋肤效应要好。 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%。 减低趋肤效应的方法 由于电流趋肤效应的存在，使得导线的有效载流面积减小，导线对交流电流的电阻大于导线的电阻；只有导线的趋肤效应面积和导线本身的截面相等时，导线的交流电阻最小 此时有： 交流趋肤效应面积=导线截面面积 直流电阻=交流电阻 因此，减低趋肤效应电阻的最直接的方法，就是改变导线截面的形状，尽量使趋肤效应面积和导线截面面积相同。 减低趋肤效应的方法 方法一：用多股细线并联代替单根导线 最佳减低趋肤效应电阻的方法是用多股 S = Sf 的细线替换，每股细线的直径为Df：2 Δ； 细线的股数为： 实例： 用1 根1.50mm直径的圆铜线，传送100kHz 10A电流时，电流密度是直流的2.085倍，交流电阻是直流电阻的2.1倍，交流损耗也是直流损耗的2.1倍；使用13根0.42mm直径的圆导线并联来代替1.50mm的单根导线时，交流电阻，电流密度，交流损耗和直径1.50mm的导线的直流电阻，直流电流密度和损耗相当。 减低趋肤效应的方法 方法二：用带状导线 扁线最佳高度a = 2 x d 的原则，带状铜线的最佳厚度为：2 Δ宽度则由要求的电流密度确定。 扁状导线的趋肤效应电阻和导线的截面形状有关，在截面面积确定后，其窄边高度越大，趋肤效应的影响也越大。当根据电流的趋肤深度来确定扁线的窄边高度，使扁线变成为厚度等于2倍的趋肤深度，而截面面积和原扁线截面面积相等的带状后，可以使电流趋肤效应的影响减到最小。 减低趋肤效应的方法 方法三：利用管和箔 在频率很高