Силовая полупроводниковая техника работает на частотах, при которых становятся заметными волновые эффекты. В частности, на частотах, использующихся для широтно-импульсной модуляции становится существенным влияние скин-эффекта, которое необходимо учитывать при проектировании силовых проводников конденсаторных блоков и выводных шин силовых модулей.

Протекание переменного тока в проводнике

Если постоянный ток I протекает через проводник диаметром d, то плотность тока 

 (A/мм²) и постоянна по всему сечению проводника. В случае переменного тока это не так. Мы можем представить себе это как проводник (см. рис. 1) состоящий из n концентрических цилиндров, в каждом из которых течет часть полного тока I. Ток, текущий в каждом цилиндре создает магнитное поле, как показано на рис. 2 для цилиндров 1 и 2.

Рисунок 1. Твердый проводник с током

Рисунок 2. Цилиндры 1 и 2 с рисунка 1

Чем меньше номер цилиндра по порядку на рис. 1 (1, 2, … n), тем больше соответствующих ему линий магнитного поля и тем больше индуктивность этого цилиндра. В случае переменного тока, импеданс меньшего цилиндра при этом будет большим, чем у большего цилиндра. Другими словами, импеданс растет с уменьшением диаметра цилиндра. Плотность тока будет больше у поверхности проводника: этот эффект называется скин-эффектом.

Чем больше частота, тем более выраженным является это явление. Полезная площадь поперечного сечения проводника с током снижается с увеличением частоты тока. Например, для импульсных источников питания и преобразователей частоты, которые работают на высоких частотах (от 50 до 100 кГц) использовать для обмоток катушек и трансформаторов вместо одного проводника большее число параллельных проводников с меньшей площадью сечения. Свыше 100 кГц для намотки катушек используются так называемые провода Лица. Этот провод лица фактически является кабелем, состоящим из большого числа тонких проводников, включенных параллельно. Проводящее сечение провода Лица очевидно намного больше, чем у единого проводника того же внешнего диаметра.

На очень высоких частотах ток протекает в очень тонком внешнем слое проводника. При таких обстоятельствах можно использовать полый проводник (волновод в применениях радиолокации от 3 до 10 ГГц).

Выраженный и невыраженный скин-эффект

Рисунок Fig. 3 показывает плотность тока соответственно для невыраженного и выраженного скин-эффекта.

Рисунок 3. Плотность тока в проводнике

Можно определить коэффициент u который будет показывать, является ли скин-эффект выраженным или нет:

d – диаметр проводника (м);

μ₀ = 4π х 10^-7 (Гн/м);

μ_r– относительная магнитная проницаемость;

ρ – удельное сопротивление (Ом/м);

f – частота (Гц).

Если u > 6 имеет место выраженный скин-эффект.

Для медного проводника (ρ = 1.72 x 10^-8 Ом/м) и d  в мм, а f  в кГц имеем: 

Омическое сопротивление R переменному току вычисляется как R_AC = R_DC · K.AC=RDC⋅K

при u > 6 : K=u22√+0.25

при u < 6: K приведен в таблице 1

AWG проводника	k factor	AWG проводника	k factor
4/0	124.5	8	34.8
2/0	99.0	10	27.6
1/0	88.0	14	17.6
2	69.8	18	10.9
4	55.5	22	6.86
6	47.9	–	–

Таблица 1. величины К для невыраженного скин-эффекта

Величина глубины скин-эффекта

Рисунок 4 показывает распределение тока внутри проводника по отношению к плотности тока на внешней поверхности проводника.

Рисунок 4. Плотность тока для выраженного скин-эффекта

Интерпретацией для глубины скин-эффекта является расстояние до внешней поверхности, на котором плотность тока снижается в е раз. Другим подходом является замена распределенной плотности тока на среднюю постоянную плотность тока (с учетом амплитуды и фазы) в слое s_di на поверхности проводника. Можно считать таким образом, что полезное сечение проводника определяется формулой .

Для случая медного проводника и частоты f выраженной в кГц для s_di в мм имеем: .