詳細解讀趨膚效應重點知識

2019-10-09 15:43:31 來源:功率半導體那些事兒
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何謂趨膚效應
從字面上我們不難發現,“趨膚”就是趨向于肌膚,膚可以理解為表面,即趨向于表面的效應。具體為:

 

 

當交變電流通過導體時,導體內部實際并沒有任何電流,電流集中在臨近導體外表的一薄層,這一現象我們稱之為趨膚效應,也叫集膚效應。


趨膚效應的影響
那么趨膚效應是好是壞呢?在長直導體的截面上,恒定的電流時均勻分布的;而對于交變電流,導體中會出現自感電動勢來阻止電流的通過。這個電動勢的大小正比于導體單位時間內所切割的磁通量。我們以截面為圓形的導體為例,愈靠近導體中心的地方,受到外面磁力線產生的自感電動勢愈大;愈靠近表面處則不受其內部磁力線消長的影響,自感電動勢較小。這就導致了趨近導體表面處電流密度較大。


由于自感電動勢會隨著頻率的增大而增加,趨膚效應隨頻率的變化也越為顯著。當頻率很高的電流流過導線時,可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過,也就是說導線的有效截面積減小,從而等效電阻增大,增大了線損,也降低了材料的有效利用率。


趨膚效應細說
在計算導線的電阻和電感時,我們假設電流是均勻分布在截面上的,而這一假設僅僅在導體內電流變化率di/dt為零時才成立;或者說,導線流過直流時,能保證電流密度是均勻的,只要電流變化率很小,我們都可以認為電流分布是均勻的。


但在高頻電路中,電流變化率是較大的,不均勻分布的狀態較為嚴重。高頻電流在導線中產生的磁場在導線的中心區域產生最大的感應電動勢,由于感應電動勢在閉合電路中產生感應電流,所以在導線中心的感應電流最大。因為感應電流總是在減小原有電流的流過,迫使原有電流只能靠近導線外表面處。趨膚效應使得導線型傳輸線在高頻時效率很低,信號衰減很大。
如下圖所示:

 

 

當導體通過高頻電流時,變化的電流就要在導體內和導體外產生變化的磁場,如圖中的1-2-3和4-5-6。垂直于電流方向。根據電磁感應定律,高頻磁場在導體內沿長度方向的兩個平面L和N產生感應電動勢。這個感應電動勢在導體內沿長度方向產生的渦流,如圖a-b-c-a和d-e-f-d,來阻止磁通的變化。我們可以看到,渦流的a-b和e-f邊與主電流O-A的方向一致,而b-c和d-e邊與之相反。這樣的主電流和渦流之和在導體表面加強,越向導線中心越弱,電流趨于導體的表面,此乃趨膚效應。


趨膚深度
我們定義從導體表面到電流密度下降到導體表面電流密度的0.368(即1/e)的厚度為趨膚深度或者穿透深度Δ。即認為導體表面下深度為Δ的厚度導體流過全部電流,而在Δ外的導體不流過電流(在不規則導體中,趨膚深度以最窄邊為準)。

 

 

Δ與頻率和導線物理參數的關系為Δ=√(2K/ωμγ)


其中,μ為導體材料的磁導率;γ=1/ρ為材料的電導率;K為材料電導率的溫度系數;


如:銅的μ=μo=4π*10∧-7H/m;20℃時,ρ=0.01724×10-6 Ω/m,電阻率溫度系數為1/234.5(1/℃),Κ=(1+(T-20)/234.5),T為導線溫度。


下面給出幾種導體的趨膚深度Δ

 

降低趨膚效應的方法


現在看來,趨附效應是不利的,那么如何來降低其帶來的影響呢?


由于趨膚效應的存在,使得導線的有效截面積減小,導線對于交流電流的電阻大于導線電阻(指對直流的電阻),只有導線的趨膚效應面積和本身截面積相等時,導線的交流電阻最小,此時有:


Sf=S,Rac=Rdc


其中,Sf為交流趨膚效應面積;S為導線截面積;Rac為交流電阻;Rdc為直流電阻。


所以,降低趨膚效應電阻的最直接方法時改變導線截面積的形狀,盡量使得趨膚效應面積和導線的截面積相等。


這里我們需要注意,在計算圓導線和扁導線的交流電阻時,設定趨膚深度條件為小于圓線半徑或扁線窄邊高度的1/2,在趨膚深度大于此設定時,計算趨膚效應電阻是沒有意義的!


根據上述理念,下面介紹了三種措施:


①用多股細線并聯來代替單根導線;


②使用帶狀導線;


③利用管和金屬箔,具體如下圖

 

 
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作者簡介
Disciple
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熱衷于功率半導體行業,并且從事相關工作,喜歡關于相關行業的各種信息,知識和應用。珍惜時光,自由在高處。

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