[论文解读] 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 7

一句话总结

本论文通过有限元法（FEM）仿真，分析了在20 MHz和20 kHz频率下，不同导体类型（圆形、方形、箔材）及绕组结构的高频隔离变压器中的趋肤效应。主要发现为：趋肤效应随频率升高导致交流绕组电阻增加并降低漏感，从而为碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）基电力电子应用提供设计权衡依据。

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.

研究动机与目标

• 研究趋肤效应对高频隔离变压器中交流绕组电阻和漏感的影响。
• 比较不同导体几何形状（圆形、方形、箔材）及绕组结构在减轻高频损耗方面的表现。
• 评估不同变压器设计下的励磁电感、漏感及频率响应。
• 为用于快速开关器件（如SiC和GaN）的高频隔离变压器提供设计指导。
• 量化涡流和趋肤效应对20 MHz和20 kHz下电流密度分布的影响。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）仿真模拟高频变压器中的电磁行为。
• 在20 MHz和20 kHz下分析导体内部的电流密度分布，以评估趋肤效应的严重程度。
• 在20 MHz下仿真并可视化磁场分布，以理解磁场集中与损耗情况。
• 从所有配置中提取并比较关键电气参数——励磁电感、漏感及交流绕组电阻。
• 仿真并绘制变压器的频率响应，以评估高频性能。
• 系统评估不同绕组结构与导体类型（圆形、方形、箔材）的寄生特性与损耗特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与20 kHz相比，趋肤效应在20 MHz下如何改变变压器绕组中的电流密度分布？
• RQ2 导体形状（圆形、方形、箔材）在高频下对交流绕组电阻和漏感有何影响？
• RQ3 不同绕组结构如何影响高频变压器中的磁场分布与寄生参数？
• RQ4 随着频率升高，趋肤效应在多大程度上增加交流绕组电阻并降低漏感？
• RQ5 在碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）电力电子应用中，交流电阻、电感与电流分布之间产生了哪些设计权衡？

主要发现

• 由于导体表面附近电流集中，趋肤效应在20 MHz下显著增加了交流绕组电阻，相比20 kHz时明显升高。
• 由于趋肤效应和涡流分布的影响，漏感随频率升高而降低。
• 在高频下，箔材导体表现出更均匀的电流分布和更低的交流电阻，优于圆形或方形导体。
• 在20 MHz下，磁场分布更加集中于导体表面，表明趋肤效应影响更显著。
• 不同绕组结构与导体类型导致广泛的寄生行为，可针对特定应用进行定制化设计。
• 频率响应分析表明，高频性能主要受趋肤效应和邻近效应主导，影响整体变压器效率。