[論文レビュー] Analysis of Skin Effect in High Frequency Isolation Transformers

Mohamad Saleh Sanjarinia, Sepehr Saadatmand+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2019

Magnetic Properties and Applications参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、20 MHzおよび20 kHzで、円形、正方形、フィンガ型の導体タイプおよび巻線配置を含むさまざまな導体タイプにおける高周波分離トランスの皮相効果を有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて分析している。主な発見は、周波数上昇に伴い皮相効果が交流巻線抵抗を増加させ、漏れインダクタンスを低下させることであり、これはSiCおよびGaNベースのパワーエレクトロニクス応用における設計のトレードオフを可能にする。

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.

研究の動機と目的

• 高周波分離トランスにおける皮相効果が交流巻線抵抗および漏れインダクタンスに与える影響を調査すること。
• 高周波損失を低減するための異なる導体形状（円形、正方形、フィンガ型）および巻線配置の比較。
• さまざまなトランス設計における磁化インダクタンス、漏れインダクタンス、周波数応答の評価。
• SiCおよびGaNのような高速スイッチングデバイスに使用される高周波分離トランスの設計指針を提供すること。
• 20 MHzおよび20 kHzにおける渦電流および皮相効果が電流密度分布に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 高周波トランス内の電磁的挙動をモデル化するために、有限要素法（FEM）シミュレーションが用いられた。
• 皮相効果の深刻さを評価するため、20 MHzおよび20 kHzにおける導体内部の電流密度分布が分析された。
• 20 MHzにおける磁界分布をシミュレートおよび可視化し、磁界の集中と損失の理解を深めた。
• 磁化インダクタンス、漏れインダクタンス、交流巻線抵抗といった主要な電気的パラメータが、すべての構成において抽出され比較された。
• トランスの周波数応答がシミュレートされ、プロットされ、高周波性能の評価が行われた。
• 寄生および損失特性を系統立てて評価するために、異なる巻線配置および導体タイプ（円形、正方形、フィンガ型）が検討された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 MHzにおける皮相効果は、20 kHzと比較してトランス巻線内の電流密度分布にどのように影響するか？
• RQ2 導体形状（円形、正方形、フィンガ型）が高周波域における交流巻線抵抗および漏れインダクタンスに与える影響は何か？
• RQ3 異なる巻線配置は、高周波トランスにおける磁界分布および寄生パラメータにどのように影響するか？
• RQ4 周波数上昇に伴い、皮相効果が交流巻線抵抗をどの程度増加させ、漏れインダクタンスをどの程度低下させるか？
• RQ5 SiCおよびGaNパワーエレクトロニクス応用において、交流抵抗、インダクタンス、電流分布の間でどのような設計のトレードオフが生じるか？

主な発見

• 20 MHzでは、導体表面付近での電流の集中（電流密度の集中）により、20 kHzと比較して交流巻線抵抗が顕著に増加する。
• 皮相効果および渦電流の分布に起因し、周波数上昇に伴い漏れインダクタンスが低下する。
• 高周波域では、フィンガ型導体が円形または正方形導体と比較して、より一様な電流分布と低い交流抵抗を示す。
• 20 MHzでは、導体表面付近に磁界分布がより集中しており、皮相効果の影響が顕著であることが示された。
• 異なる巻線配置および導体タイプは、広範な寄生挙動をもたらし、特定の用途に合わせた最適化設計が可能である。
• 周波数応答解析により、高周波性能は皮相効果および近接効果に支配されており、トランス全体の効率に影響することが確認された。