انتخاب سلف توان برای مبدل DC-DC دوطرفه در ذخیره‌سازی خانگی

با توسعه سریع انرژی توزیع‌شده، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خانگی اهمیت فزاینده‌ای در بهبود کارایی استفاده از انرژی و افزایش پایداری تأمین برق پیدا کرده‌اند. به عنوان یک جزء اصلی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خانگی، مبدل‌های DC-DC دوطرفه نقش مهمی در دستیابی به جریان انرژی دوطرفه کارآمد و انعطاف‌پذیر بین باتری‌ها، شبکه یا بارها ایفا می‌کنند. در میان اجزای مختلف مبدل‌های DC-DC دوطرفه، سلف‌های توان با جریان بالا نقش بسیار مهمی دارند و عملکرد آن‌ها به طور مستقیم بر کارایی کلی، پایداری و قابلیت اطمینان مبدل‌ها تأثیر می‌گذارد.

1- مروری بر اصل کارکرد مبدل‌های DC-DC دوطرفه در خانه سیستم های ذخیره انرژی

مبدل‌های دوطرفه DC-DC می‌توانند انرژی را بین سطوح ولتاژ مستقیم مختلف انتقال دهند. در حالت شارژ، آنها ولتاژ بالاتر از شبکه یا منابع فتوولتائیک را به ولتاژ پایین‌تری تبدیل می‌کنند که برای شارژ باتری و ذخیره انرژی مناسب است. در حالت دشارژ، ولتاژ پایین‌تر باتری را به ولتاژ بالاتری افزایش می‌دهند که نیازهای بار را برآورده می‌کند یا می‌تواند به شبکه بازگردانده شود. به عنوان مثال متداول، مبدل دوطرفه DC-DC از نوع Buck-Boost را در نظر بگیرید؛ در حالت کاهش ولتاژ (Buck)، هنگامی که کلید قدرت (MOSFET) روشن است، منبع تغذیه ورودی از طریق القاگر به بار انرژی می‌دهد، جریان القاگر افزایش یافته و انرژی ذخیره می‌شود. هنگامی که کلید خاموش است، جریان القاگر از طریق یک دیود آزادچرخش (یا یکسوساز همزمان) به بار ادامه می‌یابد و انرژی ذخیره‌شده خود را آزاد می‌کند، بدین ترتیب تأمین پیوسته انرژی به بار در دوره‌های خاموشی کلید حفظ می‌شود. در حالت افزایش ولتاژ (Boost)، هنگامی که کلید روشن است، منبع تغذیه ورودی القاگر را شارژ کرده و انرژی در آن ذخیره می‌شود. هنگامی که کلید خاموش است، القاگر و منبع تغذیه ورودی با هم کار می‌کنند تا ولتاژ خروجی افزایش یابد.

شکل ۱. نمودار سناریوی کاربرد ذخیره‌سازی انرژی مسکونی

۲- نقش سیم‌پیچ‌های توان در مبدل‌های DC-DC دوطرفه

سیم‌پیچ‌های توان نقش مهمی را به عنوان اجزای کلیدی برای ذخیره‌سازی و انتقال انرژی در مبدل‌های DC-DC دوطرفه ایفا می‌کنند. در فاز روشن شدن سوئیچ، جریان سیم‌پیچ به تدریج افزایش یافته و انرژی الکتریکی به صورت انرژی مغناطیسی در سیم‌پیچ ذخیره می‌شود. هنگامی که سوئیچ خاموش می‌شود، جریان سیم‌پیچ کاهش یافته و انرژی مغناطیسی دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود که این امر پیوستگی جریان در مدار را تضمین کرده و منجر به تبدیل ولتاژ با افزایش یا کاهش می‌شود. از آنجا که سیم‌پیچ‌های توان در مبدل‌های DC-DC دوطرفه عمدتاً در محیط‌های جریان با ریپل بالا کار می‌کنند، اتلاف قابل توجهی را به همراه دارند؛ کاهش DCR سیم‌پیچ و افزایش فرکانس کاری می‌تواند به کنترل این اتلاف‌ها در شرایط جریان با ریپل بالا کمک کند.

۳- تأثیر سیم‌پیچ‌های توان بر مبدل‌های DC-DC دوطرفه

3.1 مقدار اندوکتانس

مقدار اندوکتانس به‌طور مستقیم بر نسبت تبدیل ولتاژ، ریپل جریان و سرعت پاسخ دینامیکی مبدل تأثیر می‌گذارد. هنگامی که مقدار اندوکتانس بزرگ باشد، ریپل جریان کوچک خواهد بود که می‌تواند ولتاژ خروجی را هموارتر کند و به بهبود بازده و پایداری مبدل کمک کند. با این حال، این امر ممکن است باعث کند شدن پاسخ دینامیکی مبدل شود و آن را ناتوان از تنظیم سریع ولتاژ خروجی در هنگام تغییر بار کند. هنگامی که مقدار اندوکتانس خیلی کوچک باشد، هرچند پاسخ دینامیکی سریع است، اما ریپل جریان بزرگ بوده و منجر به افزایش تلفات دستگاه‌های قدرت، کاهش بازده مبدل و حتی ایجاد نوسان در مدار می‌شود که می‌تواند عملکرد عادی سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. در طراحی عملی، لازم است حالت کاری مبدل، مشخصات بار و الزامات عملکردی به‌صورت جامع در نظر گرفته شوند تا مقدار اندوکتانس به‌درستی انتخاب گردد.

3.2 جریان اشباع

هنگامی که جریان عبوری از القاگر بسیار زیاد باشد، چگالی شار مغناطیسی هسته به مقدار اشباع می‌رسد، القاگر وارد حالت اشباع مغناطیسی می‌شود و مقدار اندوکتانس به‌طور ناگهانی کاهش می‌یابد. در مبدل‌های DC-DC دوطرفه، اشباع مغناطیسی القاگر می‌تواند منجر به از کنترل خارج شدن جریان، افزایش قابل توجه ریپل و آسیب دیدن قطعات سوئیچینگ توان به دلیل جریان بیش‌ازحد شود و به‌طور جدی عملکرد عادی مبدل را تحت تأثیر قرار دهد. برای جلوگیری از اشباع مغناطیسی، لازم است مواد و ابعاد هسته به‌صورت منطقی طراحی شوند تا اطمینان حاصل شود القاگر در شرایط جریان کاری ماکزیمم مبدل اشباع نمی‌شود. همزمان، می‌توان از روش‌هایی مانند افزایش شکاف هوایی برای گسترش محدوده عملکرد خطی القاگر و بهبود قابلیت اطمینان مبدل استفاده کرد. کدکا به‌طور مستقل چندین سری از القاکننده‌های هسته پودر مغناطیسی با جریان بالا را توسعه داده است و از هسته‌های پودر مغناطیسی با فرمول اختصاصی ثبت‌شده در پتنت برای بهبود خصوصیات اشباع القاکننده‌ها استفاده می‌کند.

3.3 مقاومت مستقیم (DCR)

مقاومت مستقیم (DCR) به مقاومت داخلی سیم‌پیچ القاکننده در شرایط جریان مستقیم اشاره دارد. هرچه DCR کمتر باشد، تلفات توان در هنگام عبور جریان کمتر خواهد بود و در نتیجه بازده کلی بهبود می‌یابد.

در هنگام انتخاب، محصولاتی با مشخصه DCR پایین را اولویت دهید تا تلفات هدایت کاهش یافته و بازده مبدل بهبود یابد.

3.4 فرکانس عملیاتی

افزایش فرکانس سوئیچینگ مبدل‌های DC-DC دوطرفه می‌تواند اندازه اجزای غیرفعال مانند سیم‌پیچ‌ها و خازن‌ها را کاهش دهد و چگالی توان و سرعت پاسخ دینامیکی مبدل را بهبود بخشد. با این حال، هنگامی که سیم‌پیچ‌ها در فرکانس‌های بالا کار می‌کنند، تأثیر پارامترهای متراکم افزایش یافته و اثر پوستی و اثر نزدیکی منجر به افزایش قابل توجه تلفات سیم‌پیچ می‌شوند. مواد مغناطیسی سنتی ممکن است قادر به برآوردن الزامات نباشند و مشکلاتی مانند گرمایش ناشی از تلفات هسته را تشدید کنند. بنابراین، انتخاب محصولات سیم‌پیچ برای کاربردهای فرکانس بالا مرحله‌ای حیاتی در تضمین عملکرد پایدار سیستم است.

3.5 دمای کاری

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خانگی در محیط‌های پیچیده کار می‌کنند و نیازمند القاگرهای قدرت با خواص فیزیکی عالی و سازگاری مناسب با محیط هستند. اندازه و وزن القاگر باید الزامات طراحی فشرده تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی خانگی را برآورده کند. در محیط‌های سخت‌گیرانه مانند دمای بالا و رطوبت، القاگر باید عملکرد پایداری داشته باشد، به‌گونه‌ای که مواد هسته تحت تأثیر دما و رطوبت قرار نگیرند و همچنین عملکرد مناسب در زمینه دفع حرارت، مقاومت در برابر رطوبت، قارچ و خوردگی را نشان دهند. هنگام انتخاب، ترجیح داده می‌شود از القاگرهای کار در دمای بالا با مشخصات کم‌دمایی و بایاس DC پایین استفاده شود، مانند محصولات هسته فریت با جریان بالا.

4- راه‌حل‌های کوداکا برای مبدل‌های DC-DC دوطرفه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خانگی

کوداکا از طریق تحقیق و توسعه مستقل و نوآوری فناوری، راه‌حل‌های متعددی از سیم‌پیچ‌های اصلاح‌شده را برای مبدل‌های DC-DC دوطرفه مسکونی ارائه کرده است و به توسعه سبز و کم‌کربن کمک کرده است. کوداکا مدل‌های متعددی از القاگرهای توان جریان بالا را عرضه کرده است که مشخصات الکتریکی و طراحی بسته‌بندی متنوعی دارند تا نیازهای عملکرد بالای القاگرها در این کاربرد را برآورده کنند. در میان این محصولات، القاگر توان جریان بالای توسعه‌یافته توسط خود کوداکا با هسته پودر مغناطیسی، دارای جریان اشباع بالا، تلفات کم، راندمان تبدیل بالا و دمای کاری بالا است و نیازهای سیستم مبدل DC-DC دوطرفه مسکونی به جریان کاری بالا، تلفات کم و چگالی توان بالا را برآورده می‌کند.

شکل ۲. القاگر جریان بالای کوداکا

به‌عنوان جزء اصلی در مبدل‌های DC-DC دوطرفه مسکونی، سیم‌پیچ‌های توان نقشی جایگزین‌ناپذیر در ذخیره و تبدیل انرژی و همچنین در کاهش نوسانات جریان دارند. عملکرد آن‌ها به‌طور مستقیم بر بازده، پایداری و قابلیت اطمینان مبدل‌ها تأثیر می‌گذارد. با پیشرفت مداوم فناوری ذخیره‌سازی انرژی مسکونی، الزامات عملکردی برای سیم‌پیچ‌های توان روزبه‌روز سخت‌گیرانه‌تر شده و چگالی توان بالا، کار در فرکانس بالا و یکپارچه‌سازی به‌عنوان روندهای کلیدی توسعه ظهور کرده‌اند. در پاسخ به این چالش‌ها، شرکت الکترونیک کوداکا تحقیقات عمیقی در زمینه‌هایی مانند توسعه مواد هسته مغناطیسی و بهینه‌سازی طراحی ساختاری انجام می‌دهد تا به‌طور مداوم عملکرد سیم‌پیچ‌های توان را بهبود بخشد و پشتیبانی محکمی برای ارتقای عملکرد و نوآوری فناوری در مبدل‌های DC-DC دوطرفه مسکونی فراهم کند. این امر به گسترش کاربردهای وسیع‌تر و کارآمدتر سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خانگی در حوزه انرژی توزیع‌شده کمک می‌کند.