分布式能源是功率一種正在迅速崛起并廣泛應(yīng)用的新型能源模式。它不僅是電感全球能源轉(zhuǎn)型的重要方向,也是戶儲(chǔ)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵抓手之一。隨著分布式能源的功率快速發(fā)展,戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)在提升能源利用效率、電感增強(qiáng)供電穩(wěn)定性等方面的戶儲(chǔ)重要性日益凸顯。戶儲(chǔ)雙向DC-DC 變換器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)中不可或缺的功率核心功率轉(zhuǎn)換部件,承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)電池與電網(wǎng)或負(fù)載之間高效、電感靈活能量雙向流動(dòng)的戶儲(chǔ)關(guān)鍵任務(wù)。而在雙向DC-DC變換器的功率眾多元件中,功率電感,電感尤其是戶儲(chǔ)大電流功率電感扮演著極為重要的角色,其性能優(yōu)劣直接影響變換器的功率整體效能、穩(wěn)定性及可靠性。電感
1戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器工作原理
雙向DC-DC變換器能夠在不同直流電壓等級(jí)間雙向傳輸能量。戶儲(chǔ)在充電模式下,其將電網(wǎng)或光伏等電源的較高電壓轉(zhuǎn)換為適合電池充電的較低電壓,以存儲(chǔ)電能;放電模式時(shí),則把電池的較低電壓提升至滿足負(fù)載需求或可回饋電網(wǎng)的較高電壓。以常見(jiàn)的Buck-Boost型雙向DC-DC變換器為例,在Buck降壓模式下,通過(guò)控制功率開關(guān)器件MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷,電感儲(chǔ)存能量,當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)電感釋放能量,實(shí)現(xiàn)電壓降低;而在Boost升壓模式中,電感先儲(chǔ)能,開關(guān)斷開后電感與輸入電源共同作用提升輸出電壓。
圖1. 戶用儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景圖
2功率電感在雙向DC-DC變換器中的作用
1. 能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換
功率電感在雙向DC-DC變換器中充當(dāng)能量存儲(chǔ)與傳遞的關(guān)鍵角色。在開關(guān)導(dǎo)通階段,電感電流逐漸增大,電能以磁能形式存儲(chǔ)于電感中;開關(guān)斷開時(shí),電感電流減小,磁能又轉(zhuǎn)化為電能釋放,保障電路中電流的連續(xù)性,實(shí)現(xiàn)電壓的升降轉(zhuǎn)換。
2. 電流紋波的抑制與平滑
電流紋波會(huì)增加系統(tǒng)損耗、影響設(shè)備壽命及性能穩(wěn)定性,功率電感可有效抑制電流紋波。電感的感抗特性使其對(duì)電流變化產(chǎn)生阻礙,當(dāng)電流波動(dòng)時(shí),電感產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)抑制電流突變。在雙向DC-DC變換器中,選擇合適的電感值能使電流紋波控制在合理范圍內(nèi),保障變換器高效、穩(wěn)定運(yùn)行。
3功率電感對(duì)雙向DC-DC變換器的影響
1. 電感值(Inductance)
電感值大小直接影響變換器的電壓轉(zhuǎn)換比、電流紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。電感值較大時(shí),電流紋波小,可使輸出電壓更平滑,利于提高變換器效率與穩(wěn)定性,但會(huì)導(dǎo)致變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢,在負(fù)載突變時(shí)不能迅速調(diào)整輸出電壓。電感值過(guò)小時(shí),雖動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,但電流紋波大,增加功率器件損耗,降低變換器效率,甚至可能引發(fā)電路振蕩,影響系統(tǒng)正常工作。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需綜合考慮變換器工作模式、負(fù)載特性及性能指標(biāo)要求,精準(zhǔn)選擇電感值。
2. 飽和電流(Saturation Current)
當(dāng)電感通過(guò)的電流過(guò)大,磁芯磁通密度達(dá)到飽和值時(shí),電感進(jìn)入磁飽和狀態(tài),電感值急劇下降。在雙向DC-DC變換器中,電感磁飽和會(huì)導(dǎo)致電流失控、紋波大幅增加,引發(fā)功率開關(guān)器件過(guò)流損壞,嚴(yán)重影響變換器正常運(yùn)行。為避免磁飽和,需合理設(shè)計(jì)磁芯材料與尺寸,確保在變換器最大工作電流下電感不飽和,同時(shí)可采用增加氣隙等方法拓寬電感線性工作范圍,提高變換器可靠性。
3. 直流電阻(DCR)
直流電阻是指電感器繞組線圈在直流條件下的內(nèi)阻。DCR越低,通入直流時(shí)產(chǎn)生的功耗越小,從而提高整體效率。在選型時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇具有低DCR特性的產(chǎn)品,降低導(dǎo)通損耗,提高變換器效率。
4. 工作頻率(Operating Frequency)
提高雙向DC-DC變換器的開關(guān)頻率,可減小電感、電容等無(wú)源元件尺寸,提升變換器功率密度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。但電感在高頻工作時(shí),寄生參數(shù)影響加劇,趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)導(dǎo)致電感損耗大幅增加,傳統(tǒng)磁性材料可能無(wú)法滿足需求,會(huì)加劇磁芯損耗帶來(lái)的發(fā)熱等問(wèn)題。因此,選擇高頻應(yīng)用的電感器產(chǎn)品是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。
5. 工作溫度(Operating Temperature)
戶儲(chǔ)系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜,功率電感需具備良好的物理特性與環(huán)境適應(yīng)性。電感的尺寸與重量需滿足戶儲(chǔ)設(shè)備緊湊化設(shè)計(jì)要求;在高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下,電感應(yīng)具有穩(wěn)定的性能,磁芯材料不易受溫度、濕度影響,具備良好的散熱性能與防潮、防霉、防腐蝕能力。在選型時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇高工作溫度,直流偏置特性受溫度影響小的磁粉芯大電流產(chǎn)品。
可見(jiàn),戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器對(duì)功率電感的電感值、飽和電流、直流電阻、磁芯損耗、工作頻率、工作溫度及產(chǎn)品的可靠性等都提出了較高的需求。用戶在設(shè)計(jì)方案時(shí),需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況合理選擇電感廠商及電感解決方案。
4戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器電感解決方案
科達(dá)嘉電子通過(guò)自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新,為戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器系統(tǒng)提供了多種適配的功率電感解決方案,包括大電流電感、一體成型電感、貼片功率電感等,助力儲(chǔ)能行業(yè)綠色低碳發(fā)展。針對(duì)戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器對(duì)大功率、高飽和電流等電感產(chǎn)品的性能需求,科達(dá)嘉推出了多個(gè)系列磁粉芯大電流電感,提供不同的電氣特性及封裝設(shè)計(jì),滿足該系統(tǒng)對(duì)電感器的高性能需求。
科達(dá)嘉大電流功率電感具有高飽和電流、低損耗、高效率、高工作溫度、緊湊型設(shè)計(jì)等特點(diǎn),飽和電流最高達(dá)422A,工作溫度-55℃~+155℃,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%,滿足戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器系統(tǒng)高工作電流、低損耗、高功率密度等需求。
功率電感作為戶儲(chǔ)雙向DC-DC 變換器的核心元件,在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、電流紋波抑制等方面發(fā)揮著不可替代的作用。其性能直接關(guān)乎變換器的效率、穩(wěn)定性與可靠性。隨著戶儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)功率電感的性能要求日益嚴(yán)苛,高功率密度、高頻化、集成化成為其重要發(fā)展趨勢(shì)。
面對(duì)這些趨勢(shì)帶來(lái)的挑戰(zhàn),科達(dá)嘉電子從磁芯材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面深入研究,不斷豐富功率電感產(chǎn)品型號(hào),提升功率電感性能,為戶儲(chǔ)雙向DC-DC變換器的性能提升與技術(shù)創(chuàng)新提供堅(jiān)實(shí)支撐,助力戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛、高效的應(yīng)用。
關(guān)于科達(dá)嘉電子
深圳市科達(dá)嘉電子有限公司成立于2001年,是一家專業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)與銷售功率電感、共模電感等磁性元件的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。
科達(dá)嘉的主要產(chǎn)品包括:大電流電感、一體成型電感、高頻大電流電感、數(shù)字功放電感、SMD功率電感、插件電感、磁棒電感、共模電感等,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療電子、新能源、電機(jī)、通訊設(shè)備、數(shù)字功放、電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。