Wie verhalten sich Skin-Effekt und Proximity-Effekt bei Flachleiter-Leistungsinduktivitäten?

Hier ist eine Digikey-Suche, die Flachleiter-Leistungsinduktivitäten zeigt.

Und hier ist ein Bild von drei dort gefundenen Leistungsinduktoren:

Collage aus 3 Flachleiter-Leistungsinduktivitäten

In dieser Antwort von Rohat Kılıç erklärt er gegen Ende seiner Antwort, dass steigende Frequenzen mehr Wicklungen aus dünnerem Draht erfordern, aber seine gesamte Diskussion über den Hauteffekt bezieht sich nur auf herkömmliche Drähte mit kreisförmigem Querschnitt. Meine Intuition sagt mir, Flachdraht ist anders.

Es gibt eine andere Antwort von Transistor, die eine Grafik enthält, die zeigt, wie bei einem flachen Leiter die Ladungen gemäß dem Hall-Effekt zu den Rändern gedrückt werden, etwas, das in den üblichen Hall-Effekt-Sensoren ausgenutzt wird, die ich überall sehe.

Im Zusammenhang mit dem Skin-Effekt hoffe ich, dass die flachen Oberflächen des Hauptteils der Wicklung, die sehr nahe beieinander liegen, tatsächlich einen Teil der ungleichmäßigen Ladungsverteilung aufheben und gleichmäßiger verteilte Ladungen ermöglichen - direkt über den Querschnitt, was eine noch bessere Leistung als erwartet für diese Art von Magneten ergibt, wenn sie mit höheren Frequenzen verwendet werden. Aber das ist nur meine Bauchreaktion, und ich könnte auch völlig falsch liegen.

Im Zusammenhang mit dem Proximity-Effekt wusste ich bis vor kurzem nicht, dass es ihn gibt, da ich ein autodidaktischer Oldschooler bin und zu spät zur Party komme.

Ich würde gerne genau wissen, was los ist. Danke proaktiv.

Antworten (2)

Der Proximity-Effekt ist einer jener Verlustfaktoren, die in der Literatur weitgehend ignoriert wurden. Glücklicherweise hat sich die Berichterstattung über den Proximity-Effekt in den letzten 40 Jahren verbessert. Bei den Magneten, die ich baue (10 kHz bis 1 MHz), finde ich, dass der Nahbesprechungseffekt die Hauteffektverluste so weit übertrumpft, dass ich den Hauteffekt nicht berücksichtigen muss (ich überprüfe nur für den Fall die Tiefe des Hauteffekts).

"Soft Ferrites, Properties and Applications" von EC Snelling, Seiten 344–345, behandelt Nahwirkungsverluste für dünne Bänder und kreisförmige Leiter. "Ferrites for Inductors and Transformers" von Snelling und Giles, Seiten 140, 150-151, ist erforderlich, um die Gleichungen in "Soft Ferrites" für kreisförmige Leiter zu verstehen.
Universitätsbibliotheken führen diese Bücher in der Regel.

Dünnband-Näherungseffekt-Leistungsverlustgleichung:

P P e = ω 2 B ^ 2 l B D 3 24 ρ C
Wo:
B ^ = über die Länge gemittelte Spitzenflussdichte, l , des Dirigenten.
l = Länge des Leiters = (durchschnittliche Länge von 1 Windung) x (Anzahl der Windungen).
B = Leiterbreite.
D = Leiter Dicke.
ρ C = Leiterwiderstand.
ω = Winkelfrequenz.

Gleichung für den Leistungsverlust des Rundleiter-Näherungseffekts:

P P e = π ω 2 B ^ 2 l S D 4 128 ρ C

Wo:
D = Durchmesser Leiterlitze.
S = Anzahl der Stränge. s = 1 für Massivdraht.

Für den Uneingeweihten ist das Überraschende, das aus den obigen Gleichungen hervorgeht, dass Drähte mit größerem Durchmesser höhere AC-Kupferverluste erzeugen, die DC-Kupferverluste überwältigen können, wenn sie nicht klug gewählt werden.

Wenn ein geringerer Verlust erforderlich ist, müssen Sie Bündel- oder Litzendraht verwenden (viele isolierte Drähte mit kleinem Durchmesser, die parallel verdrillt sind). Litzendraht wird üblicherweise verwendet, um Skin-Effekt-Verluste zu reduzieren.

In der Praxis ist die Gleichung für den Leistungsverlust des kreisförmigen Drahts für die von mir gebauten RM-Kerntransformatoren ziemlich genau.

Bauen Sie neben dem von Ihnen gebauten RM-Core-Typ noch andere Typen, wie Planar-ER-Cores oder Planar-E-Cores? . Und warum bauen Sie hauptsächlich RM-Core?
@MicroservicesOnDDD Ich verwende RM-Kerne, da die von mir verwendeten Transformatoren Impulstransformatoren mit 200 W bis 10 kW sind, die eine bestimmte Streuinduktivität benötigen. Auf einer Platine, die in unterschiedlichen Produkten zum Einsatz kommt, kommen unterschiedliche Transformatorkonfigurationen zum Einsatz. In sehr ferner Vergangenheit habe ich Plantransformatoren in Schaltnetzteilen verwendet, die sich durch einen hervorragenden Kopplungswirkungsgrad auszeichnen.

Überlegen Sie vor allem, wie viele Windungen Sie in den verfügbaren Platz einbauen können, wenn Sie das Kupfer umformen (aber die gleiche Querschnittsfläche beibehalten): -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das obige Bild stammt aus dem Datenblatt dieses Teils .

Bei nur 4 Windungen beschränkt sich die erzeugbare Induktivität auf etwa ein Viertel der Vorrichtung mit 8 Windungen. Mit anderen Worten, der Hauptgrund für Flachspulen ist die Erhöhung der Induktivität. Es wird einen kleinen Skin-Effekt-Kompromiss geben, aber das wird nicht der dominierende Treiber sein.

Mit ein bisschen Fummelei wären vielleicht 8 Kurven zu bekommen, aber das ist immer noch nicht besser als die 8 flachen Kurven.

Ich hoffe, dass die flachen Oberflächen des Hauptteils der Wicklung, die sehr nahe beieinander liegen, tatsächlich einen Teil der ungleichmäßigen Ladungsverteilung aufheben und gleichmäßigere Ladungen von links nach rechts über den Querschnitt ermöglichen sogar besser als erwartete Leistung für diese Art von Magneten, wenn sie mit höheren Frequenzen verwendet werden.

Nicht, wenn Sie Wiki in Betracht ziehen - Näherungseffekt (in der Frage nicht erwähnt, bis sie nach dieser Antwort bearbeitet wurde): -

Wenn in einem Leiter, der Wechselstrom führt, Ströme durch einen oder mehrere andere nahe gelegene Leiter fließen, wie beispielsweise innerhalb einer eng gewickelten Drahtspule, wird die Stromverteilung innerhalb des ersten Leiters auf kleinere Bereiche beschränkt. Die resultierende Stromverdichtung wird als Proximity-Effekt bezeichnet. Diese Verdrängung führt zu einer Erhöhung des effektiven Widerstands des Schaltkreises, der mit der Frequenz zunimmt.

"Es wird einen kleinen Skin-Effekt-Kompromiss geben" - Liegt das daran, dass es nicht viel Haut gibt, nicht so viel Oberfläche, oder ist es nur so, dass der Strom nicht auf der Oberfläche so viel größer ist?
Eine flache, breite Spule hat natürlich weniger Hochfrequenzverluste aufgrund des Skin-Effekts im Vergleich zu demselben Querschnitt, aber kreisförmig. Dies geht jedoch nur so weit, weil flache, breite Spulen eine größere Kapazität zwischen den Wicklungen haben und dies den SRF des verringert Induktor macht es bei einer niedrigeren Frequenz unwirksam. Der Nahbesprechungseffekt und die Verstärkung des Hauteffekts mit flacheren, breiteren Spulen werden etwas mehr beeinträchtigt.
Kann man Folien verwenden? Wie dünn ist es sinnvoll zu gehen?
Folie ist wahrscheinlich zu dünn, aber ich wette, jemand hat irgendwo dicke Folie verwendet, aber bitte mich nicht, darüber zu spekulieren, welche Art von Schaltung davon profitieren könnte.
@MicroservicesOnDDD Ich habe Induktoren und Transformatoren gesehen, die mit spiralförmigen Leiterbahnen hergestellt wurden, manchmal mit einem speziell entwickelten Ferritkern, der auf beiden Seiten der Platine befestigt ist. Das wäre eine ca. 35 µm dicke Folie!
@Hearth - Ich interessiere mich für Stromrichter, also was waren die Anwendungen dieser Folienspiralleiterbahninduktoren und -transformatoren? Wissen Sie?
@MicroservicesOnDDD mit Kupferfolien wäre eher für einen Transformator als für eine Leistungsinduktivität sinnvoll (zumindest für mich). Bitte beachten Sie, dass die Flachdrahtinduktivitäten meist für niedrige ausgelegt sind v Ö , hoch ICH Ö Konverter (z. B. 12V-zu-3,3V 50A Abwärtswandler). In einem meiner alten Designs (einem Offline-2-sw-Durchflusswandler für 5 V / 50 A-Ausgang) musste ich Kupferfolien für die Sekundärseite verwenden (ich kann mich nicht erinnern, aber wahrscheinlich 0,15 mm dick), nur um ein effektives Fenster zu erhalten /Spulenverbrauch. Wenn ich Litze nehmen würde, würden die Wicklungen nie passen.
@MicroservicesOnDDD Der einzige Fall, den ich in Betracht ziehen würde, einen planaren Transformator für einen Stromrichter zu verwenden, ist, wenn die Höhe einen hohen Stellenwert hat und der Platz auf der Platine relativ günstig ist. Planare Transformatoren nehmen eine größere Fläche auf der Platine ein als ein äquivalenter oberflächenmontierter Transformator, aber sie haben den Vorteil, dass sie sehr flach sind. Die ohne Kern haben natürlich eine sehr schlechte Kopplung und geringe Induktivität (sind aber im Grunde frei), aber die mit einem Kern nehmen mehr Platz ein und die Kerne sind nicht billig. Die Montage ist auch etwas aufwendiger; kann keine Bestückungsmaschine für den zweiteiligen Kern verwenden.
@MicroservicesOnDDD Ich denke, sie eignen sich besser für die Signalkopplung. Wenn Sie ein wenig Platz auf der Platine auf zwei Schichten verwenden, können Sie einen kostenlosen "Trenntransformator" erhalten, mit dem Sie Signale über eine Trennbarriere koppeln können. Oder verwenden Sie einen planaren Induktor für die Signalkonditionierung, wenn Sie eine sehr kleine Induktivität benötigen, für die Sie vielleicht praktisch keinen Induktor bemessen können. Es ist nicht gerade mein Gebiet, aber es gibt Anwendungen. Nur würde ich sie nicht ohne sehr guten Grund für Stromkreise verwenden.
Ist nicht der Hauptgrund hinter den Flachleitern, den Widerstand zu verringern? Dadurch die Effizienz steigern, die Größe verringern oder die Wärme verringern?
Haben Sie den Kreis nicht geschlossen, ohne dass die Morgendämmerung @MicroservicesOnDDD aufgeht? Der Hauptgrund besteht darin, mehr Windungen und damit eine höhere Induktivität zu erhalten. Wenn dies nicht mit ausreichend geringem Widerstand erreicht werden kann, ist ein größerer Kern erforderlich.
Wie verhalten sich Skin-Effekt und Proximity-Effekt bei Flachleiter-Leistungsinduktivitäten?
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