Перейти к содержанию

Эффект близости

Скин-эффект знают все: на высокой частоте ток уходит к поверхности провода. Но в многослойной обмотке трансформатора есть эффект сильнее — поле соседних витков гонит ток на одну сторону провода, и внутренние слои греются в десятки раз сильнее наружных.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Эффект близости (proximity effect) — неравномерное распределение высокочастотного тока в проводнике под действием магнитного поля соседних проводников. Когда два проводника толще глубины проникновения несут встречные токи, ВЧ-составляющая растекается по их обращённым друг к другу поверхностям — так ток минимизирует запасённую в поле энергию (TI SLUP125, с. 3-1). В обмотке трансформатора это значит, что ток течёт по тонкому слою на стороне витка, обращённой к другой обмотке.

Почему многослойная обмотка греется

Поле внутри обмотки нарастает от слоя к слою, а пройти сквозь толстый провод не может. Поэтому каждый внутренний слой должен нести на поверхностях не только свой ток, но и токи, гасящие поле соседних слоёв. TI приводит пример обмотки, где через все витки последовательно течёт 1 А (SLUP125, с. 3-3):

СлоёвТоки на поверхностях внутреннего слояПотери во внутреннем слое относительно наружного
22 А и −1 А1² + 2² = 5 раз
66 А и −5 А6² + 5² = 61 раз

Потери, таким образом, растут быстрее числа слоёв. Точный расчёт отношения Rac/Rdc по толщине слоя и числу слоёв даёт метод Доуэлла; для несинусоидального тока его применяют к каждой гармонике отдельно (SLUP125, с. 3-4).

Как с ним борются

  • Тонкий провод или литцендрат. Если диаметр жилы намного меньше глубины проникновения — у меди на 100 кГц она 0,024 см (SLUP125; для других частот — калькулятор скин-слоя), — поле проходит сквозь провод, и ток распределяется равномерно.
  • Меньше слоёв. Сердечники для импульсных источников делают с широким окном, чтобы обмотка легла в один слой.
  • Чередование обмоток. Первичную обмотку делят на две половины и наматывают вторичную между ними — onsemi советует такой «сэндвич» в обратноходовых трансформаторах (HBD853). Поле в каждой секции вдвое меньше, и вместе с потерями падает индуктивность рассеяния.

TI называет оптимальным для трансформатора Rac/Rdc около 1,5: более тонкий провод уменьшает переменные потери, но изоляция и пустоты между жилами съедают сечение меди (SLUP125, с. 3-4). Про конструкцию обмоток — в статье «Трансформаторы».

Не путать

Со скин-эффектом — вытеснением тока к поверхности уединённого провода его собственным полем. Эффект близости добавляется к нему, когда рядом есть другие проводники с током.

Частые вопросы

Чем эффект близости отличается от скин-эффекта?

Скин-эффект — вытеснение тока к поверхности уединённого провода его собственным полем. Эффект близости — перераспределение тока полем соседних проводников: в обмотке ток сосредоточивается на тех поверхностях витков, которые обращены к другой обмотке (TI SLUP125). В многослойных обмотках эффект близости обычно даёт гораздо больше потерь.

Почему литцендрат не всегда помогает?

Жилы литцендрата должны быть тоньше глубины проникновения, тогда поле проходит сквозь них и встречные токи на поверхностях жил гасят друг друга (TI SLUP125). Но изоляция жил и пустоты между ними уменьшают сечение меди, и потери на постоянном токе растут. Поэтому TI считает оптимальным для трансформатора отношение Rac/Rdc около 1,5, а не минимальное.

Как уменьшить потери от эффекта близости?

Уменьшить число слоёв: сердечник с широким окном укладывает обмотку в один слой, а чередование первичной и вторичной обмоток делит её на секции с вдвое меньшим полем. Оба приёма заодно уменьшают индуктивность рассеяния (TI SLUP125, onsemi HBD853).

Источники

  1. Dixon L. H. Magnetics Design Handbook, Section 3: Windings (Texas Instruments SLUP125) — с. 3-1: глубина проникновения в меди при 100 °C на 100 кГц — 0,024 см; эффект близости — ВЧ-ток растекается по обращённым друг к другу поверхностям; с. 3-3: при двух слоях потери во внутреннем в 1² + 2² = 5 раз больше, чем в наружном, при шести — в 6² + 5² = 61 раз; Dowell — Rac/Rdc от толщины слоя и числа слоёв; с. 3-4: Rac/Rdc около 1,5 считается оптимальным для трансформатора; с. 3-5: широкое окно и чередование обмоток
  2. onsemi. Power Factor Correction (PFC) Handbook, HBD853/D (2014) — рекомендации по обратноходовому трансформатору: провод против потерь от скин-эффекта, минимум слоёв против эффекта близости и ёмкости обмотки, «сэндвич» из половин первичной обмотки

Нашли ошибку?

Смотрите также