集肤效应 南京航空航天大学民航学院 民航电子电气工程 周洁敏 jieminzh@nuaa.edu.cn.

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1 集肤效应 南京航空航天大学民航学院 民航电子电气工程 周洁敏

2 引言 高频开关电源中，损耗仍然是高频磁性元件设计的依据。 高频效应：高频电流在线圈中流通产生的结果
寄生电感、寄生电容的影响大大地损害了开关电路的性能，主要体现在： 效率降低、电压尖峰、寄生振荡和电磁干扰等 采用缓冲、箝位等措施改善高频开关电源的性能，使电路复杂化，可靠性降低。 讨论寄生参数产生的原因和对策；讨论涡流产生的原理 和带来的问题。

3 多层线圈高频损耗严重、线圈并联不正确时产生高频环流以及处于强交变磁场中的屏蔽层和不工作中心抽头线圈高损耗问题。

4 集肤效应（Skin effect） 离开导线中心 磁场最强 越远磁场越弱 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。

5 6.1 集肤效应（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。

6 b、c和d、e边与主电流OA相反（图中蓝色）
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）

7 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。这就是集肤效应。

8 将单位长度的导线，分割成足够小的同心圈，当沿径向分割足够小时，认为通过这些筒的截面磁感应密度均匀。

9 集肤效应的电路描述： 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

10 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。

11 Skin effect 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。这就是集肤效应或趋肤效应。

12 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。 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；

13 一般磁性元件的线圈温度高于20度。在导线温度100度时
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。

14 导线的直流阻抗与导线的截面积有关，集肤效应使 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。
对于直径为d的圆导线，直流电阻Rdc 反比于导线截面积。因集肤效应使导线的有效截面积减少，交流电阻Rac 增加，当导线直径大于两倍穿透深度时: 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。 导线的直流阻抗与导线的截面积有关，集肤效应使 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。

15 穿透深度越深导线的利用率越高，反之。

16 如果是两根导线代替一根，细导线的直径 单导线的穿透截面积 两根并联导线的穿透截面积 有了上面对集肤效应的分析可以得出下面的使用指导
大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大， 经常用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。 如果是两根导线代替一根，细导线的直径 单导线的穿透截面积 两根并联导线的穿透截面积 多股细线绞合的利兹线可以减小集肤效应和邻近效应。

17 利兹线用于50KHZ以下，很少用到100KHZ 大电流（15-20A以上）情况下，一般不用利兹线，
而用铜箔，将铜箔切割成骨架的宽度，厚度可以比 开关频率时的穿透深度大37%，铜箔之间需要绝缘。 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%。

18 THE END