3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов

Пассивными компонентами в электротехнических цепях являются трансформа­торы, реакторы, конденсаторы, резисторы, варисторы и другие элементы, функци­онирование которых не связано с использованием дополнительных источников питания. В современной технической литературе понятие «пассивные компо­ненты» используется для того, чтобы подчеркнуть отличие таких элементов от силовых полупроводниковых приборов, которые непосредственно управляют потоком электроэнергии и являются «активными компонентами».

В этой главе кратко рассматриваются особенности применения основных пас­сивных компонентов в силовых цепях электронных устройств. Эти компоненты присутствуют практически во всех силовых электронных устройствах, выполняя различные функции.

Трансформаторы согласовывают уровни напряжений и обеспечивают гальва­ническую развязку цепей. Реакторы являются основными элементами фильтров, коммутирующих контуров и промежуточных накопителей электроэнергии. Кон­денсаторы используются в фильтрах переменного и постоянного тока, а также в качестве промежуточных накопителей электрической энергии.

Общей характерной особенностью применения пассивных компонентов в сило­вых электронных устройствах является то, что они работают в условиях воздей­ствия тока и напряжения несинусоидальной формы и повышенных частот. Эти обстоятельства необходимо учитывать при выборе или проектировании электрон­ных приборов.

Кроме пассивных компонентов в этой главе также рассматриваются тепловые режимы работы силовых электронных ключей и их охладители (теплоотводы), кото­рые являются конструктивными элементами, определяющими надежную работу силовых электронных устройств, и могут быть отнесены к пассивным компонентам.

3.1. Электромагнитные компоненты

Общие сведения о ферромагнитных материалах. Основные свойства, которыми должны обладать ферромагнитные материалы, используемые в силовой импульсной технике, таковы:

• материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной си­лой, большими значениями начальной и максимальной магнит­ной проницаемости;

• материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит разработчику уменьшить габариты и массу электро­технических изделий;

• материал должен иметь низкие потери на перемагничивание и вихревые токи;

• материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений растяжения и сжатия;

• материал должен иметь стабильные магнитные характеристики при изменении температуры, влажности с течением времени.

Обычно магнитные материалы классифицируются по трем группам [2]:

1) проводниковые - электротехнические стали и сплавы;

2) полупроводниковые - ферриты;

3) диэлектрические - магнитодиэлектрики.

При изготовлении электромагнитных элементов, работающих на частотах от 50 Гц до 10 кГц, используют электротехнические стали. На частотах от 5—10 до 20—30 кГц — электротехнические сплавы. На частотах от нескольких килогерц и выше — ферриты и магнитоди­электрики. Но в любом случае верхняя частота ма­териала ограничена потерями в нем на гистерезис и вихревые токи. Не будем рассматривать достоинства и недостатки электро­технических сталей и сплавов, поскольку первые совершенно не го­дятся для проектирования высокочастотных индуктивных элементов, а вторые, имея очень большую чувствительность к механическим уда­рам, просто непопулярны у большинства современных разработчиков источников питания малой и средней мощности.

На рис. 3.1 показано действие внешней намагничивающей силы H (НС), мед­ленно возрастающей от нуля, на полностью размагниченный ферромагнитный ма­териал.

Рис. 3.1. Основная кривая намагничивания магнитного материала

Результирующая магнитная индукция В (плотность магнитного потока) — это функция НС. В начале роста Н индукция растет очень медленно до точки а, затем растёт очень быстро до точки b, а затем почти останавливается в росте. Точка b — колено кривой, в точке с магнитный материал насыщается. Начиная с точки с магнитный материал ведет себя как воздух, другими словами, его магнитная про­ницаемость соизмерима с единицей.