[논문 리뷰] Analysis of Skin Effect in High Frequency Isolation Transformers

Mohamad Saleh Sanjarinia, Sepehr Saadatmand외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 15.

Magnetic Properties and Applications참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 20 MHz 및 20 kHz에서 다양한 도체 형상(원형, 정사각형, 펄프)과 권선 배열을 고려하여 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 통해 고주파 분리 변압기의 피드 효과를 분석한다. 주요 발견은 피드 효과로 인해 고주파에서 교류 권선 저항이 증가하고 누설 인덕성은 감소하며, 이는 SiC 및 GaN 기반 파wr 전자 응용 분야의 설계 트레이드오프를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, a high frequency transformer with different conductors and winding arrangements, at presence of eddy currents and skin effect, is studied. By using different winding structures, and conductor types, such as circular, square shaped, and foil wires, the skin effect in the windings is studied and current density within the conductors at a high frequency of 20 MHz and a lower frequency of 20 kHz are investigated using finite element method (FEM) simulation. Moreover, magnetic field distribution in the transformers at 20 MHz is obtained and displayed. Also, magnetizing inductance, leakage inductance and AC winding resistance for all of the transformer types are found and compared, and frequency response for the transformers are obtained and shown. Lastly, based on the results, the skin effect increases the AC winding resistance and decreases the leakage inductance as the frequency increases. Furthermore, different winding arrangements, conductors, and transformer types show a wide range of parasitic and loss behavior, which enable the designers to compromise between various parameters in different applications, especially new fast switches such as SiC and GaN.

연구 동기 및 목표

• 고주파 분리 변압기에서 피드 효과가 교류 권선 저항과 누설 인덕성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 고주파 손실을 완화하기 위해 다양한 도체 형상(원형, 정사각형, 펄프)과 권선 구성을 비교하는 것.
• 다양한 변압기 설계에서 자화 인덕성, 누설 인덕성 및 주파수 응답을 평가하는 것.
• SiC 및 GaN와 같은 고속 스위칭 장치와 함께 사용되는 고주파 분리 변압기의 설계 지침을 제공하는 것.
• 20 MHz 및 20 kHz에서 에디스 전류와 피드 효과가 전류 밀도 분포에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용하여 고주파 변압기의 전자기적 거동을 모델링한다.
• 피드 효과의 심각도를 평가하기 위해 20 MHz 및 20 kHz에서 도체 내 전류 밀도 분포를 분석한다.
• 20 MHz에서 자기장 분포를 시뮬레이션하고 시각화하여 자기장 집중과 손실을 이해한다.
• 모든 구성에서 핵심 전기적 파rameter—자화 인덕성, 누설 인덕성, 교류 권선 저항—을 추출하고 비교한다.
• 변압기의 주파수 응답을 시뮬레이션하고 플롯하여 고주파 성능을 평가한다.
• 파라사이트 및 손실 특성 측면에서 서로 다른 권선 배열과 도체 형상(원형, 정사각형, 펄프)을 체계적으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드 효과는 20 MHz에서 20 kHz에 비해 변압기 권선 내 전류 밀도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고주파에서 도체 형상(원형, 정사각형, 펄프)이 교류 권선 저항과 누설 인덕성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 다른 권선 배열은 고주파 변압기에서 자기장 분포와 파라사이트 파rameter에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 주파수가 증가함에 따라 피드 효과가 교류 권선 저항을 얼마나 증가시키고 누설 인덕성을 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 SiC 및 GaN 파워 전자 응용 분야에서 교류 저항, 인덕성, 전류 분포 간의 설계 트레이드오프는 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 피드 효과로 인해 20 MHz에서 20 kHz에 비해 도체 표면 근처에 전류 농축 현상이 발생하여 교류 권선 저항이 크게 증가한다.
• 피드 효과와 에디스 전류 분포로 인해 주파수가 증가함에 따라 누설 인덕성이 감소한다.
• 고주파에서 펄프 도체는 원형 또는 정사각형 도체보다 더 균일한 전류 분포와 낮은 교류 저항을 나타낸다.
• 20 MHz에서 자기장 분포가 도체 표면 근처로 더욱 집중되어 피드 효과의 영향이 뚜렷하다.
• 다양한 권선 배열과 도체 형상은 광범위한 파라사이트 행동을 유도하여 특정 응용 분야에 맞춘 맞춤형 설계가 가능하다.
• 주파수 응답 분석을 통해 고주파 성능이 피드 효과와 인접 효과에 의해 주로 결정되며, 이는 전체 변압기 효율성에 영향을 준다는 것이 확인되었다.