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Com o rápido desenvolvimento da energia distribuída, os sistemas de armazenamento de energia residencial tornaram-se cada vez mais importantes para melhorar a eficiência de utilização da energia e aumentar a estabilidade do fornecimento elétrico. Como componente central dos sistemas de armazenamento de energia residencial, os conversores CC-CC bidirecionais desempenham um papel crucial na realização de um fluxo de energia bidirecional eficiente e flexível entre baterias, rede elétrica ou cargas. Entre os vários componentes dos conversores CC-CC bidirecionais, os indutores de potência de alta corrente desempenham um papel extremamente importante, e seu desempenho afeta diretamente a eficiência geral, estabilidade e confiabilidade dos conversores.
1- Visão geral do princípio de funcionamento dos conversores CC-CC bidirecionais em Casa Sistemas de armazenamento de energia
Conversores DC-DC bidirecionais podem transferir energia entre diferentes níveis de tensão contínua. No modo de carregamento, eles convertem a tensão mais alta da rede ou de fontes fotovoltaicas em uma tensão mais baixa adequada para o carregamento da bateria, armazenando energia. No modo de descarregamento, eles elevam a tensão mais baixa da bateria para uma tensão mais alta que atende aos requisitos da carga ou pode ser devolvida à rede. Tomando como exemplo o conversor DC-DC bidirecional do tipo Buck-Boost comum, no modo buck (redução de tensão), quando o interruptor de potência (MOSFET) está ligado, a fonte de entrada alimenta a carga através do indutor, aumentando a corrente no indutor e armazenando energia. Quando o interruptor é desligado, a corrente no indutor continua fluindo para a carga através de um diodo roda livre (ou retificador síncrono), liberando sua energia armazenada, permitindo assim o fornecimento contínuo de energia à carga durante os períodos em que o interruptor está desligado. No modo boost (elevação de tensão), quando o interruptor está ligado, a fonte de entrada carrega o indutor, que armazena energia. Quando o interruptor é desligado, o indutor e a fonte de entrada trabalham juntos para aumentar a tensão de saída.
Figura 1. Diagrama de cenário de aplicação de armazenamento residencial de energia
2- O Papel dos Indutores de Potência em Conversores DC-DC Bidirecionais
Os indutores de potência desempenham um papel crucial em conversores DC-DC bidirecionais como componentes-chave para armazenamento e transferência de energia. Durante a fase de ligação, a corrente no indutor aumenta gradualmente, e a energia elétrica é armazenada no indutor na forma de energia magnética. Quando o interruptor é desligado, a corrente no indutor diminui, e a energia magnética é convertida novamente em energia elétrica, garantindo a continuidade da corrente no circuito e permitindo a conversão de tensão com elevação ou redução. Como os indutores de potência em conversores DC-DC bidirecionais operam principalmente em ambientes de alta ondulação de corrente, o que resulta em perdas significativas, a redução da DCR do indutor e o aumento da frequência de operação podem ajudar a controlar essas perdas em condições de alta ondulação de corrente.
3- O Impacto dos Indutores de Potência em Conversores DC-DC Bidirecionais
3.1 Valor da Indutância
O valor da indutância afeta diretamente a relação de conversão de tensão, a ondulação da corrente e a velocidade de resposta dinâmica do conversor. Quando o valor da indutância é elevado, a ondulação da corrente é pequena, o que pode tornar a tensão de saída mais suave, beneficiando a melhoria da eficiência e estabilidade do conversor. No entanto, isso pode fazer com que a resposta dinâmica do conversor diminua, impedindo-o de ajustar rapidamente a tensão de saída quando a carga muda. Quando o valor da indutância é muito baixo, embora a resposta dinâmica seja rápida, a ondulação da corrente é grande, aumentando as perdas nos dispositivos de potência e reduzindo a eficiência do conversor, podendo inclusive causar oscilação no circuito, afetando o funcionamento normal do sistema. No projeto prático, é necessário considerar de forma abrangente o modo de operação do conversor, as características da carga e os requisitos de desempenho para selecionar com precisão o valor da indutância.
3.2 Corrente de Saturação
Quando a corrente através do indutor é muito alta, a densidade de fluxo magnético do núcleo atinge o valor de saturação, o indutor entra em um estado de saturação magnética e o valor da indutância cai acentuadamente. Em conversores CC-CC bidirecionais, a saturação magnética do indutor pode levar ao descontrole da corrente, um aumento significativo na ondulação e danos aos dispositivos de comutação de potência devido à sobrecorrente, afetando gravemente o funcionamento normal do conversor. Para evitar a saturação magnética, é necessário dimensionar adequadamente o material e o tamanho do núcleo, garantindo que o indutor não sature sob a corrente máxima de operação do conversor. Ao mesmo tempo, podem ser adotados métodos como o aumento de entreferros para ampliar a faixa de operação linear do indutor e melhorar a confiabilidade do conversor. Codaca desenvolveu independentemente várias séries de indutores de núcleo de pó magnético de alta corrente, utilizando núcleos de pó magnético com formulação patenteada para melhorar as características de saturação dos indutores.
3.3 Resistência Contínua (DCR)
A resistência DC refere-se à resistência interna da bobina do indutor em condições de corrente contínua. Quanto menor a DCR, menor será a perda de potência gerada quando a corrente flui, melhorando assim a eficiência geral.
Ao selecionar, priorize produtos com características de baixa DCR para reduzir as perdas por condução e melhorar a eficiência do conversor.
3.4 Frequência de Operação
Aumentar a frequência de comutação dos conversores CC-CC bidirecionais pode reduzir o tamanho de componentes passivos, como indutores e capacitores, aumentando a densidade de potência e a velocidade de resposta dinâmica do conversor. No entanto, quando os indutores operam em altas frequências, o impacto dos parâmetros parasitas intensifica-se, com os efeitos pelicular e de proximidade levando a um aumento significativo nas perdas do indutor. Materiais magnéticos tradicionais podem não atender aos requisitos, agravando problemas como o aquecimento induzido pelas perdas no núcleo. Portanto, a seleção de produtos indutores para aplicações de alta frequência é uma etapa crucial para garantir a operação estável do sistema.
3.5 Temperatura de Operação
Os sistemas de armazenamento de energia residencial operam em ambientes complexos, exigindo que os indutores de potência possuam excelentes propriedades físicas e adaptabilidade ambiental. O tamanho e o peso do indutor devem atender aos requisitos de design compacto dos equipamentos de armazenamento de energia residencial. Em ambientes adversos, como altas temperaturas e umidade, o indutor deve manter desempenho estável, com materiais do núcleo que não sejam facilmente afetados por temperatura e umidade, além de apresentar bom desempenho de dissipação de calor juntamente com resistência à umidade, mofo e corrosão. Ao selecionar, é preferível escolher indutores para operação em alta temperatura com baixas características de variação com temperatura e polarização DC, como produtos de núcleo de ferrite de alta corrente.
4- Soluções da Codaca para Conversores DC-DC Bidirecionais de Armazenamento de Energia Residencial
A Codaca forneceu múltiplas soluções de indutores adaptados para conversores DC-DC bidirecionais residenciais por meio de P&D independente e inovação tecnológica, contribuindo para o desenvolvimento verde e de baixo carbono. A CODACA lançou diversos modelos de indutores de potência de alta corrente, oferecendo várias características elétricas e designs de encapsulamento para atender aos requisitos de alto desempenho dos indutores para esta aplicação. Dentre eles, o indutor de potência de alta corrente desenvolvido independentemente pela Codaca, com núcleo de pó magnético, apresenta alta corrente de saturação, baixa perda, alta eficiência de conversão e alta temperatura de operação, atendendo às demandas do sistema conversor DC-DC bidirecional residencial quanto a alta corrente de operação, baixa perda e alta densidade de potência.
Figura 2. Indutor de Alta Corrente da Codaca
Como componente central dos conversores DC-DC bidirecionais residenciais, os indutores de potência desempenham um papel insubstituível no armazenamento e conversão de energia, bem como na supressão de ondulação de corrente. Seu desempenho impacta diretamente a eficiência, estabilidade e confiabilidade dos conversores. Com o avanço contínuo da tecnologia de armazenamento de energia residencial, os requisitos de desempenho para indutores de potência estão se tornando cada vez mais rigorosos, destacando-se como tendências principais o alto densidade de potência, operação em alta frequência e integração. Em resposta a esses desafios, a Codaca Electronics realiza pesquisas aprofundadas em áreas como o desenvolvimento de materiais magnéticos para núcleos e a otimização de design estrutural, aprimorando continuamente o desempenho dos indutores de potência, oferecendo suporte sólido para a melhoria de desempenho e inovação tecnológica nos conversores DC-DC bidirecionais residenciais. Isso ajuda a facilitar aplicações mais amplas e eficientes dos sistemas de armazenamento de energia doméstica no campo da energia distribuída.