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Avec le développement rapide des énergies distribuées, les systèmes de stockage d'énergie domestiques sont devenus de plus en plus importants pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie et renforcer la stabilité de l'alimentation électrique. En tant que composant central des systèmes de stockage d'énergie domestiques, les convertisseurs DC-DC bidirectionnels jouent un rôle essentiel dans la réalisation d'un flux d'énergie bidirectionnel efficace et flexible entre les batteries, le réseau ou les charges. Parmi les différents composants des convertisseurs DC-DC bidirectionnels, les inductances de puissance à forte intensité jouent un rôle extrêmement important, et leurs performances influencent directement l'efficacité globale, la stabilité et la fiabilité des convertisseurs.
1- Aperçu du principe de fonctionnement des convertisseurs DC-DC bidirectionnels dans À la maison Systèmes de stockage d'énergie
Les convertisseurs DC-DC bidirectionnels peuvent transférer de l'énergie entre différents niveaux de tension continue. En mode de charge, ils convertissent la tension plus élevée provenant du réseau ou des sources photovoltaïques en une tension plus basse adaptée à la charge de la batterie pour stocker de l'énergie. En mode décharge, ils élèvent la tension plus basse de la batterie à une tension plus élevée répondant aux besoins de la charge ou pouvant être réinjectée dans le réseau. Prenons l'exemple courant du convertisseur DC-DC bidirectionnel de type Buck-Boost : en mode abaissement (Buck), lorsque l'interrupteur de puissance (MOSFET) est activé, l'alimentation d'entrée fournit de l'énergie à la charge via l'inductance, ce qui augmente le courant dans l'inductance et stocke de l'énergie. Lorsque l'interrupteur est désactivé, le courant dans l'inductance continue de s'écouler vers la charge à travers une diode de roue libre (ou redresseur synchrone), libérant ainsi son énergie stockée, permettant ainsi une alimentation continue de la charge pendant les périodes où l'interrupteur est ouvert. En mode élévateur (Boost), lorsque l'interrupteur est activé, l'alimentation d'entrée charge l'inductance, qui stocke de l'énergie. Lorsque l'interrupteur est désactivé, l'inductance et l'alimentation d'entrée agissent ensemble pour augmenter la tension de sortie.
Figure 1. Schéma du scénario d'application du stockage d'énergie résidentiel
2- Rôle des inductances de puissance dans les convertisseurs DC-DC bidirectionnels
Les inductances de puissance jouent un rôle essentiel dans les convertisseurs DC-DC bidirectionnels en tant que composants clés pour le stockage et le transfert d'énergie. Pendant la phase de mise sous tension, le courant dans l'inductance augmente progressivement et l'énergie électrique est stockée dans l'inductance sous forme d'énergie magnétique. Lorsque l'interrupteur est coupé, le courant dans l'inductance diminue, et l'énergie magnétique est reconvertie en énergie électrique, assurant ainsi la continuité du courant dans le circuit et permettant une conversion de tension montante ou descendante. Étant donné que les inductances de puissance dans les convertisseurs DC-DC bidirectionnels fonctionnent principalement dans des environnements à courant ondulé élevé, ce qui entraîne des pertes importantes, la réduction de la DCR de l'inductance et l'augmentation de la fréquence de fonctionnement peuvent aider à maîtriser ces pertes dans des conditions de fort courant ondulé.
3- Impact des inductances de puissance sur les convertisseurs DC-DC bidirectionnels
3.1 Valeur de l'inductance
La valeur de l'inductance affecte directement le rapport de conversion de tension, l'ondulation du courant et la vitesse de réponse dynamique du convertisseur. Lorsque la valeur d'inductance est élevée, l'ondulation du courant est faible, ce qui permet d'obtenir une tension de sortie plus stable, améliorant ainsi l'efficacité et la stabilité du convertisseur. Toutefois, cela peut ralentir la réponse dynamique du convertisseur, l'empêchant d'ajuster rapidement la tension de sortie en cas de variation de la charge. Lorsque la valeur d'inductance est trop faible, bien que la réponse dynamique soit rapide, l'ondulation du courant est importante, ce qui augmente les pertes des dispositifs de puissance, réduit l'efficacité du convertisseur et peut même provoquer des oscillations dans le circuit, nuisant au fonctionnement normal du système. Dans la conception pratique, il est nécessaire de prendre en compte de manière globale le mode de fonctionnement du convertisseur, les caractéristiques de la charge et les exigences de performance afin de sélectionner précisément la valeur d'inductance.
3.2 Courant de saturation
Lorsque le courant traversant l'inductance est trop élevé, la densité de flux magnétique du noyau atteint la valeur de saturation, l'inductance entre dans un état de saturation magnétique et sa valeur chute brusquement. Dans les convertisseurs DC-DC bidirectionnels, la saturation magnétique de l'inductance peut entraîner une perte de contrôle du courant, une augmentation importante des ondulations et endommager les dispositifs de commutation en raison d'un courant excessif, affectant gravement le fonctionnement normal du convertisseur. Pour éviter la saturation magnétique, il est nécessaire de concevoir de manière appropriée le matériau et les dimensions du noyau afin de garantir que l'inductance ne sature pas sous le courant de fonctionnement maximal du convertisseur. Par ailleurs, des méthodes telles que l'augmentation des entrefer peuvent être adoptées pour élargir la plage de fonctionnement linéaire de l'inductance et améliorer la fiabilité du convertisseur. Codaca a développé indépendamment plusieurs séries d'inductances à noyau de poudre magnétique haute intensité, utilisant des noyaux de poudre magnétique formulés par brevet pour améliorer les caractéristiques de saturation des inductances.
3.3 Résistance continue (DCR)
La résistance continue désigne la résistance interne de la bobine de l'inductance en régime continu. Plus la DCR est faible, moins il y a de pertes de puissance lors du passage du courant, ce qui améliore ainsi l'efficacité globale.
Lors de la sélection, privilégiez les produits présentant des caractéristiques de faible DCR afin de réduire les pertes par conduction et d'améliorer l'efficacité du convertisseur.
3.4 Fréquence de fonctionnement
L'augmentation de la fréquence de commutation des convertisseurs DC-DC bidirectionnels permet de réduire la taille des composants passifs tels que les inductances et les condensateurs, améliorant ainsi la densité de puissance et la rapidité de réponse dynamique du convertisseur. Toutefois, lorsque les inductances fonctionnent à haute fréquence, l'impact des paramètres parasites s'intensifie, et l'effet de peau ainsi que l'effet de proximité entraînent une augmentation significative des pertes dans l'inductance. Les matériaux magnétiques traditionnels peuvent ne pas répondre aux exigences, aggravant des problèmes tels que le chauffage dû aux pertes dans le noyau. Par conséquent, le choix des inductances pour des applications haute fréquence constitue une étape cruciale pour garantir le fonctionnement stable du système.
3.5 Température de fonctionnement
Les systèmes domestiques de stockage d'énergie fonctionnent dans des environnements complexes, ce qui exige des inductances de puissance dotées d'excellentes propriétés physiques et d'une bonne adaptabilité environnementale. La taille et le poids de l'inductance doivent répondre aux exigences de conception compacte des équipements domestiques de stockage d'énergie. Dans des environnements difficiles tels que les températures élevées et l'humidité, l'inductance doit conserver des performances stables, avec des matériaux de noyau peu sensibles à la température et à l'humidité, tout en offrant une bonne dissipation thermique ainsi qu'une résistance à l'humidité, aux moisissures et à la corrosion. Lors du choix, il est préférable de sélectionner des inductances fonctionnant à haute température, présentant de faibles caractéristiques de dérive en température et sous polarisation continue, telles que des produits à noyau ferrite à forte intensité.
4- Solutions de Codaca pour les convertisseurs DC-DC bidirectionnels de stockage d'énergie domestique
Codaca a fourni plusieurs solutions d'inducteurs adaptés pour les convertisseurs DC-DC bidirectionnels résidentiels grâce à la R&D indépendante et à l'innovation technologique, contribuant ainsi au développement vert et à faible teneur en carbone. CODACA a lancé plusieurs modèles d'inductances de puissance à fort courant, offrant diverses caractéristiques électriques et conceptions de boîtiers afin de répondre aux exigences hautes performances des inductances pour cette application. Parmi eux, l'inductance de puissance à fort courant développée indépendamment par Codaca, dotée d'un noyau en poudre magnétique, se distingue par son courant de saturation élevé, ses faibles pertes, son rendement élevé et sa température de fonctionnement élevée, répondant ainsi aux exigences du système de convertisseur DC-DC bidirectionnel résidentiel en termes de courant de fonctionnement élevé, de faibles pertes et de forte densité de puissance.
Figure 2. Inductance à fort courant Codaca
En tant que composant central des convertisseurs DC-DC bidirectionnels résidentiels, les inductances de puissance jouent un rôle irremplaçable dans le stockage et la conversion d'énergie, ainsi que dans la suppression des ondulations de courant. Leur performance influence directement l'efficacité, la stabilité et la fiabilité des convertisseurs. Avec les progrès constants de la technologie de stockage d'énergie domestique, les exigences de performance pour les inductances de puissance deviennent de plus en plus strictes, la haute densité de puissance, le fonctionnement à haute fréquence et l'intégration émergeant comme des tendances clés de développement. Face à ces défis, Codaca Electronics mène des recherches approfondies dans des domaines tels que le développement de matériaux magnétiques pour noyaux et l'optimisation de la conception structurelle afin d'améliorer continuellement les performances des inductances de puissance, offrant ainsi un soutien solide à l'amélioration des performances et à l'innovation technologique des convertisseurs DC-DC bidirectionnels résidentiels. Cela contribue à faciliter des applications plus larges et plus efficaces des systèmes de stockage d'énergie domestique dans le domaine de l'énergie distribuée.