Modello Circuitale di Induttori Avvolti su Nucleo ferromagnetico per
Applicazioni ad Alta Frequenza
U.Reggiani, G.Grandi,
A.Massarini, G.Sancineto
Sommario - Negli ultimi anni sempre più numerose applicazioni
nel settore elettrico ed elettronico hanno visto l'affermarsi dell'impiego
di convertitori statici di tipo switching. La tendenza a ridurre le dimensioni
ed il peso dei componenti reattivi ha determinato un aumento della frequenza
di commutazione (switching) fin oltre parecchie centinaia di KHz. L’aumento
della frequenza consente infatti l'uso di induttori, condensatori e trasformatori
di dimensioni e costo minori. Per ottenere tale obiettivo è importante
raggiungere una elevata efficienza operativa anche alle alte frequenze.
E' necessario inoltre porre attenzione alla realizzazione circuitale dei
convertitori di potenza, con particolare riferimento ai parametri parassiti
dei componenti utilizzati. Infatti, il comportamento dei componenti elettrici
ed elettronici nel campo delle alte frequenze risulta in generale diverso
da quello caratteristico alle basse frequenze ed i loro modelli ideali
risultano inadeguati. L'impiego di induttori è particolarmente diffuso
nelle applicazioni ad alta frequenza, soprattutto per la realizzazione
di filtri armonici.
Scopo della ricerca è l'individuazione di un modello circuitale
a parametri concentrati per induttori avvolti su nucleo ferromagnetico,
che tenga conto dei parametri parassiti e che permetta di descriverne il
comportamento nel campo delle alte frequenze. Alcune espressioni della
resistenza ed induttanza di dispersione dell’avvolgimento dell’induttore,
in funzione della frequenza, sono state originariamente derivate da Dowell
[1] e modificate in questo studio per tenere conto dei parametri geometrici
dell’avvolgimento. La resistenza equivalente e l’induttanza complessiva
dell’induttore sono determinate attraverso lo studio della diffusione del
campo elettromagnetico nel nucleo. In particolare, sono stati esaminati
i casi di induttori con nucleo massiccio [2] e laminato. Gli andamenti,
in funzione della frequenza, dei parametri elettrici calcolati con il modello
circuitale rappresentato in figura 1 e quelli rilevati sperimentalmente
risultano essere in buon accordo fino a frequenze superiori a quella di
risonanza dell'induttore. Nelle figure 2-a e 2-b sono confrontati i risultati
sperimentali e i valori calcolati con il modello per un induttore con nucleo
in ferrite. Le figure 3-a e 3-b si riferiscono al caso del nucleo
laminato. Il modello proposto può essere utilizzato per la simulazione
nel dominio della frequenza e per il dimensionamento degli induttori per
applicazioni ad alta frequenza.
Un possibile sviluppo della ricerca può consistere nell'individuazione
di una rete circuitale a parametri concentrati indipendenti dalla frequenza,
che rappresenti il comportamento dell'induttore in un ampio intervallo
di frequenza. Questo modello consentirebbe la simulazione dell’induttore
nel dominio del tempo senza dovere ricorrere a complesse integrazioni numeriche.
Modelli circuitali più raffinati possono essere sviluppati per considerare
anche la non linearità del materiale ferromagnetico.
Bibliografia
[1] P. J. Dowell, "Effects of eddy currents in transformer windings",
Proc. IEE, Vol.113, No. 8, August 1966, pp. 1287-1394.
[2] U. Reggiani, G. Grandi, A. Massarini, M. Kazimierczuk, G. Sancineto,
"High-Frequency Small-Signal Model of Ferrite Core Inductors", accettato
per la pubblicazione su IEEE Transactions on Magnetics.
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