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Con el rápido desarrollo de la energía distribuida, los sistemas de almacenamiento de energía residenciales se han vuelto cada vez más importantes para mejorar la eficiencia del uso de la energía y aumentar la estabilidad del suministro eléctrico. Como componente clave de los sistemas de almacenamiento de energía domésticos, los convertidores DC-DC bidireccionales desempeñan un papel fundamental para lograr un flujo de energía bidireccional eficiente y flexible entre las baterías, la red o las cargas. Entre los diversos componentes de los convertidores DC-DC bidireccionales, los inductores de potencia de alta corriente desempeñan un papel extremadamente importante, y su rendimiento afecta directamente la eficiencia general, estabilidad y fiabilidad de los convertidores.
1- Visión general del principio de funcionamiento de los convertidores DC-DC bidireccionales en Inicio Sistemas de almacenamiento de energía
Los convertidores DC-DC bidireccionales pueden transferir energía entre diferentes niveles de voltaje de corriente continua. En el modo de carga, convierten el voltaje más alto proveniente de la red o de fuentes fotovoltaicas en un voltaje más bajo adecuado para cargar la batería y almacenar energía. En el modo de descarga, elevan el voltaje más bajo de la batería a un voltaje más alto que cumple con los requisitos de la carga o que puede inyectarse nuevamente a la red. Tomando como ejemplo el convertidor DC-DC bidireccional de tipo Buck-Boost común, en el modo Buck reductor, cuando el interruptor de potencia (MOSFET) está encendido, la fuente de alimentación de entrada suministra energía a la carga a través del inductor, aumentando la corriente del inductor y almacenando energía. Cuando el interruptor está apagado, la corriente del inductor continúa fluyendo hacia la carga a través de un diodo volante (o rectificador síncrono), liberando su energía almacenada, logrando así un suministro continuo de energía a la carga durante los periodos en que el interruptor está apagado. En el modo Boost elevador, cuando el interruptor está encendido, la fuente de alimentación de entrada carga el inductor, que almacena energía. Cuando el interruptor está apagado, el inductor y la fuente de alimentación trabajan juntos para aumentar el voltaje de salida.
Figura 1. Diagrama de escenario de aplicación del almacenamiento residencial de energía
2- El papel de los inductores de potencia en convertidores CC-CC bidireccionales
Los inductores de potencia desempeñan un papel crucial en los convertidores CC-CC bidireccionales como componentes clave para el almacenamiento y la transferencia de energía. Durante la fase de encendido, la corriente del inductor aumenta gradualmente y la energía eléctrica se almacena en el inductor como energía magnética. Cuando el interruptor se apaga, la corriente del inductor disminuye y la energía magnética se convierte nuevamente en energía eléctrica, garantizando la continuidad de la corriente en el circuito y logrando una conversión de voltaje ascendente o descendente. Dado que los inductores de potencia en los convertidores CC-CC bidireccionales operan principalmente en entornos de alta corriente de rizado, lo que provoca pérdidas significativas, reducir la DCR del inductor y aumentar la frecuencia de operación puede ayudar a controlar estas pérdidas bajo condiciones de alta corriente de rizado.
3- El impacto de los inductores de potencia en los convertidores CC-CC bidireccionales
3.1 Valor de inductancia
El valor de la inductancia afecta directamente la relación de conversión de voltaje, el rizado de corriente y la velocidad de respuesta dinámica del convertidor. Cuando el valor de la inductancia es grande, el rizado de corriente es pequeño, lo que puede hacer que el voltaje de salida sea más estable, beneficiando la mejora de la eficiencia y estabilidad del convertidor. Sin embargo, esto puede provocar una desaceleración en la respuesta dinámica del convertidor, haciendo que no pueda ajustar rápidamente el voltaje de salida cuando cambia la carga. Cuando el valor de la inductancia es demasiado pequeño, aunque la respuesta dinámica es rápida, el rizado de corriente es alto, lo que aumenta las pérdidas en los dispositivos de potencia y reduce la eficiencia del convertidor, e incluso podría causar oscilaciones en el circuito, afectando el funcionamiento normal del sistema. En el diseño práctico, es necesario considerar de forma integral el modo de operación del convertidor, las características de la carga y los requisitos de rendimiento para seleccionar con precisión el valor de la inductancia.
3.2 Corriente de saturación
Cuando la corriente a través del inductor es demasiado grande, la densidad de flujo magnético del núcleo alcanza el valor de saturación, el inductor entra en un estado de saturación magnética y el valor de inductancia disminuye bruscamente. En los convertidores CC-CC bidireccionales, la saturación magnética del inductor puede provocar una pérdida de control de la corriente, un aumento significativo del rizado y daños en los dispositivos de conmutación de potencia debido a la sobrecorriente, afectando gravemente el funcionamiento normal del convertidor. Para evitar la saturación magnética, es necesario diseñar adecuadamente el material y el tamaño del núcleo para garantizar que el inductor no se sature bajo la corriente máxima de operación del convertidor. Al mismo tiempo, se pueden adoptar métodos como aumentar los entrehierros para ampliar el rango de operación lineal del inductor y mejorar la confiabilidad del convertidor. Codaca ha desarrollado independientemente varias series de inductores de núcleo de polvo magnético de alta corriente, utilizando núcleos de polvo magnético con fórmula patentada para mejorar las características de saturación de los inductores.
3.3 Resistencia de corriente continua (DCR)
La resistencia DC se refiere a la resistencia interna del devanado del inductor en condiciones de corriente continua. Cuanto menor sea el DCR, menos pérdidas de potencia se generarán cuando fluya la corriente, mejorando así la eficiencia general.
Al seleccionar, priorice productos con características de bajo DCR para reducir las pérdidas por conducción y mejorar la eficiencia del convertidor.
3.4 Frecuencia de funcionamiento
Aumentar la frecuencia de conmutación de los convertidores DC-DC bidireccionales puede reducir el tamaño de los componentes pasivos, como inductores y condensadores, mejorando así la densidad de potencia y la velocidad de respuesta dinámica del convertidor. Sin embargo, cuando los inductores operan a altas frecuencias, el impacto de los parámetros parásitos se intensifica, y los efectos de piel y proximidad provocan un aumento significativo en las pérdidas del inductor. Los materiales magnéticos tradicionales podrían no cumplir con los requisitos, agravando problemas como el calentamiento inducido por las pérdidas en el núcleo. Por lo tanto, seleccionar productos inductores para aplicaciones de alta frecuencia es un paso crucial para garantizar el funcionamiento estable del sistema.
3.5 Temperatura de Operación
Los sistemas de almacenamiento de energía domésticos operan en entornos complejos, lo que requiere que los inductores de potencia posean excelentes propiedades físicas y adaptabilidad ambiental. El tamaño y peso del inductor deben cumplir con los requisitos de diseño compacto de los equipos de almacenamiento de energía doméstica. En entornos adversos como altas temperaturas y humedad, el inductor debe mantener un rendimiento estable, con materiales nucleares que no se vean fácilmente afectados por la temperatura y la humedad, y que presenten buen desempeño en disipación de calor junto con resistencia a la humedad, moho y corrosión. Al seleccionarlos, es preferible elegir inductores para operación a alta temperatura con bajas características de deriva por temperatura y polarización de corriente continua, como productos de núcleo de ferrita de alta corriente.
4- Soluciones de Codaca para Convertidores DC-DC Bidireccionales en Almacenamiento de Energía Doméstico
Codaca ha proporcionado múltiples soluciones de inductores adaptados para convertidores DC-DC bidireccionales residenciales mediante I+D independiente e innovación tecnológica, contribuyendo así al desarrollo verde y de bajo carbono. CODACA ha lanzado varios modelos de inductores de potencia de alta corriente, ofreciendo diversas características eléctricas y diseños de encapsulado para satisfacer los requisitos de alto rendimiento de los inductores en esta aplicación. Entre ellos, el inductor de potencia de alta corriente desarrollado independientemente por Codaca con núcleo de polvo magnético presenta alta corriente de saturación, baja pérdida, alta eficiencia de conversión y alta temperatura de funcionamiento, cumpliendo con las exigencias del sistema de convertidor DC-DC bidireccional residencial en cuanto a alta corriente operativa, baja pérdida y alta densidad de potencia.
Figura 2. Inductor de Alta Corriente de Codaca
Como componente central de los convertidores DC-DC bidireccionales residenciales, los inductores de potencia desempeñan un papel insustituible en el almacenamiento y conversión de energía, así como en la supresión del rizado de corriente. Su rendimiento afecta directamente la eficiencia, estabilidad y fiabilidad de los convertidores. Con el continuo avance de la tecnología de almacenamiento de energía residencial, los requisitos de rendimiento para los inductores de potencia se están volviendo cada vez más estrictos, destacándose como tendencias clave de desarrollo la alta densidad de potencia, el funcionamiento a alta frecuencia y la integración. En respuesta a estos desafíos, Codaca Electronics realiza investigaciones profundas en áreas como el desarrollo de materiales para núcleos magnéticos y la optimización del diseño estructural, con el fin de mejorar continuamente el rendimiento de los inductores de potencia, proporcionando un sólido apoyo para la mejora del rendimiento y la innovación tecnológica en los convertidores DC-DC bidireccionales residenciales. Esto contribuye a facilitar aplicaciones más amplias y eficientes de los sistemas de almacenamiento de energía doméstica en el campo de la energía distribuida.