Электромагнитные компоненты. 
Силовая электроника

К электромагнитным компонентам относятся дроссели и трансформаторы, выполненные на основе ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы характеризуются различными зависимостями магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Я. Среди таких зависимостей выделяют основную кривую намагничивания (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Кривая намагничивания ферромагнитного материала.

Основная кривая намагничивания (КН) является геометрическим местом вершин частных установившихся петель гистерезиса. Для магнитомягких материалов, которые преимущественно используются в трансформаторах и дросселях, эта кривая практически совпадает с начальной кривой намагничивания, которую получают при первом намагничивании полностью размагниченного материала. Кривые намагничивания описываются следующей зависимостью:

где М — намагниченность материала; р₀ = Ап-10 ⁷ Гн/м — магнитная постоянная, характеризующая магнитную проницаемость вакуума; л_г — относительная магнитная проницаемость, характеризующая увеличение индукции в ферромагнетике за счет его намагниченности; р₍₎р_г = х_а — абсолютная магнитная проницаемость.

Пологий участок КН при увеличении напряженности Н соответствует режиму насыщения ферромагнетика, который наступает при достижении намагниченности насыщения M_s и магнитной индукции насыщения B_s. При дальнейшем увеличении напряженности индукция изменяется практически линейно, т. е. dB/dH = р₍₎.

В зависимости от условий определения магнитной проницаемости в стационарном или переменном магнитном поле ее называют статической или динамической магнитной проницаемостью, соответственно. Их значения не совпадают из-за влияния на процессы намагничивания в переменных полях вихревых токов, магнитной вязкости и резонансных явлений.

Понятие динамической проницаемости непосредственно связано также с определением динамической индуктивности L_d, которая является коэффициентом связи между изменениями потокосцепления Дц/ и тока Ai в контуре электромагнитного элемента:

Чтобы охарактеризовать зависимость В от Я в конкретной точке КН при малых их изменениях относительно этой точки, используется понятие дифференциальной магнитной проницаемости:

где H_b и B_h — координаты точки b, в которой определяется значение (см. рис. 1.20).

Более полно характеризуют свойства ферромагнетика петли гистерезиса (ПГ). Предельная статическая ПГ определяет зависимость В от Я па участках полного цикла намагничивания и размагничивания при медленном изменении напряженности внешнего поля. Форма петли гистерезиса характеризуется углами наклона пологих и крутых участков. На рис. 1.21 показана идеальная петля гистерезиса, имеющая прямоугольную форму. Крутые участки соответствуют процессам перемагничивания (индукция изменяется от +B_S до -B_s и наоборот), а пологие — состояниям насыщения. Ширина петли определяется коэрцитивной силой по магнитной индукции (Н_с). Площадь петли гистерезиса определяет потери энергии в ферромагнетике при его перемагничиваиии, которые называются потерями на гистерезис.

Рис. 1.21. Идеальная петля гистерезиса.

Электромагнитные компоненты силовых электронных устройств обычно работают в условиях воздействия переменных напряжений и токов повышенной частоты. Поэтому для описания свойств ферромагнетиков используют динамические ПГ, которые представляют зависимости В от Я при быстром изменении напряженности. С повышением частоты динамические ПГ расширяют свою площадь и значительно отличаются от статических ПГ. Таким образом, рост частоты напряжения и тока приводит к увеличению потерь в ферромагнетике.

При невысоких частотах (до 5 кГц) применяют различные металлические магнитомягкие материалы, например электротехнические стали с добавками кремния с низкой коэрцитивной силой (Н_с < 4 А/м) или сплавы железа с никелем (пермаллои). При более высоких рабочих частотах (выше 5 кГц) используют полупроводниковые ферриты или магнитодиэлектрические материалы. Удельное объемное электрическое сопротивление ферритов на много порядков превышает аналогичное сопротивление сталей и сплавов, что позволяет существенно снизить вихревые токи и вызываемые ими потери. На базе магний-цинкового феррита созданы магнитные материалы с высокими значениями индукции насыщения и магнитной проницаемости для работы в диапазоне частот от 300 кГц до 1 МГц. Для работы на частотах свыше 1 МГц рекомендуется использовать никель-цинковые ферриты [1].

При разработке магнитопроводов для дросселей часто требуется обеспечить низкое значение индуктивности при больших значениях тока. Традиционно эта задача решалась изготовлением магнитопровода с одним или несколькими воздушными зазорами. При этом значение индуктивности уменьшается и снижается ее зависимость от значения тока в обмотке. Однако этот способ обладает рядом недостатков, из которых основным является возникновение магнитных потоков рассеяния вблизи зазоров и, как правило, ухудшение показателей электромагнитной совместимости. В настоящее время разрабатываются магнитодиэлектрики с низкой (требуемой) магнитной проницаемостью. Основой таких материалов является соединение композиционных материалов порошкообразной структуры, объединяющих магнитные материалы с диэлектриками посредством специальных связывающих веществ. В результате получается «распределение» зазора по всему замкнутому магнитонроводу.

Потери в обмотках. Напряжения и токи повышенной частоты, в том числе и обусловленные несинусоидальностыо их форм, вызывают дополнительные потери энергии не только в магнитопроводах, но и в обмотках трансформаторов и дросселей. Эти потери в основном обусловлены поверхностным эффектом — явлением вытеснения тока в проводниках под воздействием электромагнитных полей. При поверхностном эффекте происходит вытеснение тока в радиальном направлении. Увеличение сопротивления переменному току в этих случаях является следствием уменьшения эффективного сечения проводника. В результате этого активное сопротивление проводника при переменном токе становится больше сопротивления R₀ при постоянном токе. Явление вытеснения тока также порождается воздействием электромагнитных полей соседних проводников. В результате такого воздействия токи перераспределяются по сечениям проводников в направлениях, зависящих от конструкции обмоток и их расположения на магнитопроводе. Добавочные потери в обмотке при переменном токе учитываются соответствующим коэффициентом:

Значение добавочного коэффициента рассчитывают для каждой конкретной конструкции с учетом частоты воздействующего тока или напряжения.

В целях улучшения технико-экономических показателей трансформаторов и дросселей, работающих на повышенных частотах, в последнее время активно развиваются новые технологии в этой области. Основной тенденцией является использование низкопрофильных (плоских) обмоток, впечатанных в магнитопровод [7]. Такая планарная технология имеет множество преимуществ перед традиционной, позволяя легко реализовать секционирование обмоток, уменьшить «паразитные» емкости и минимизировать другие негативные факторы. Кроме того, она хорошо согласуется с гибридной и модульной технологиями изготовления электронных устройств.