본문내용
1. 부품의 이해
1.1. 서론
전력전자 회로나 시스템은 인덕터, 커패시터, 변압기, 모터 및 스위치 소자 등으로 구성되어 있다. 전력전자 회로는 부품의 특성에 종속적이며, 실제적으로는 이상적이라 할 수 없다. 부품의 조립과 제조 공정을 통하여 부품의 구성물질은 이상적인 특성을 갖지 못하게 된다. 따라서 전력전자 회로의 동작을 논하기 전에 재료와 부품에 대한 전반적인 이해를 하는 것이 무엇보다 중요하다. 이는 전력전자 시스템의 성능과 효율 향상을 위해서는 필수적인 과정이기 때문이다.
1.2. 자기의 기본
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1.3. 자성체
자성체는 외부 자계에 의해 자화되어 자기장을 형성할 수 있는 물질이다. 자성체는 크게 철을 함유한 합금과 페라이트로 알려진 자기세라믹으로 나눌 수 있다.
철을 함유한 합금은 주파수 1kHz 이하에서 사용되며, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 크롬과 같은 금속을 첨가하여 투자율과 코어 손실을 개선할 수 있다. 그러나 높은 전기 전도율로 인해 와전류 손실이 크기 때문에 사용 주파수가 제한된다.
페라이트는 산화철을 기본으로 하고 아연과 망간 또는 니켈을 추가함으로써 높은 주파수에 적용이 가능하다. 페라이트는 투자율이 높고 포화 자속밀도가 낮지만, 도전율이 낮아 와전류 손실이 감소되어 고주파 회로에 주로 사용된다. 페라이트 코어는 자성 세라믹으로, 자기적 특성이 우수하고 가공성이 뛰어나 전력전자 및 전자기기에 널리 활용되고 있다.
자성체는 외부 자계에 따라 배열되는 자기 쌍극자에 의해 자기장이 형성된다. 자기 쌍극자의 정렬 정도는 자성체의 상대 투자율 μr로 측정할 수 있는데, 철과 같은 자성체의 경우 투자율이 높다. 반면 구리와 알루미늄과 같은 물질의 투자율은 공기의 투자율과 가깝다. 자성체 내부의 자기 쌍극자가 완전히 정렬되면 포화 자속밀도에 도달하게 된다.
따라서 자성체는 전력전자 및 전자기기에서 필수적인 핵심 부품으로, 철 합금과 페라이트의 상호보완적인 특성을 활용하여 다양한 주파수 범위와 환경에서 활용되고 있다.
1.4. 자기회로
자기회로는 자속선의 폐경로와 유사하며, 자속은 전기회로에서의 전류와 유사한 관계를 갖는다. 균일한 투자율과 일정한 자계의 세기 H인 코어 위에 N회의 코일을 감았을 때 자속 Φ를 조사해 보면 다음과 같다.
Φ = B A = μ H A = μ N i / l A
여기서 l은 균일한 투자율을 갖는 자성체의 유효길이이다. 이 식을 다시 쓰면 Φ = μA / l N i 가 되는데, Ni는 기자력이라 하며 전기회로의 공급 전압과 상사 관계를 갖는다고 볼 수 있다.
다음으로 릴럭턴스 R을 l / μA로 정의하면, 자기회로에서의 관계식은 Φ = N i / R와 같이 정리할 수 있다. 이는 전기회로에서의 옴의 법칙 V = I R과 유사한 형태이다.
따라서 자기회로에서는 자속이 전기회로의 전류와 유사한 역할을 하며, 릴럭턴스가 전기회로의 저항과 상사관계에 있다고 할 수 있다. 이와 같은 자기회로의 특성은 인덕터, 변압기 등의 설계 및 해석에 활용된다.
1.5. 인덕터
인덕터는 자계공간에서 에너지를 저장하는 요소이다. 폐경로의 자성체에 다수의 코일을 감은 부품을 의미한다. 자기경로는 균일하거나 비균일한 투자율을 갖는 물질로 구성될 수 있으며, 경로는 모든 철합금이나 페라이트 또는 공기 등으로 구성할 수 있다. 대표적인 비균일한 투자율을 갖는 경로는 자기경로와 함께 공극이 존재하는 경우를 들 수 있다""
균일한 투자율을 갖는 인덕터의 경우, 자속밀도 B와 자계의 세기 H의 관계는 다음과 같이 표현된다. 자속 Φ는 자속밀도 B와 단면적 A의 곱으로 나타내며, 자속과 턴 수 N의 ...
