户储双向DC-DC变换器功率电感的选型

分布式能源是一种正在迅速崛起并广泛应用的新型能源模式。它不仅是全球能源转型的重要方向，也是我国实现“双碳”目标的关键抓手之一。随着分布式能源的快速发展，户用储能系统在提升能源利用效率、增强供电稳定性等方面的重要性日益凸显。户储双向DC-DC 变换器作为储能系统中不可或缺的核心功率转换部件，承担着实现电池与电网或负载之间高效、灵活能量双向流动的关键任务。而在双向DC-DC变换器的众多元件中，功率电感，尤其是大电流功率电感扮演着极为重要的角色，其性能优劣直接影响变换器的整体效能、稳定性及可靠性。

一、户储双向DC-DC变换器工作原理

双向DC-DC变换器能够在不同直流电压等级间双向传输能量。在充电模式下，其将电网或光伏等电源的较高电压转换为适合电池充电的较低电压，以存储电能；放电模式时，则把电池的较低电压提升至满足负载需求或可回馈电网的较高电压。以常见的Buck-Boost型双向DC-DC变换器为例，在Buck降压模式下，通过控制功率开关器件MOSFET的导通与关断，电感储存能量，当开关断开时电感释放能量，实现电压降低；而在Boost升压模式中，电感先储能，开关断开后电感与输入电源共同作用提升输出电压。

图1. 户用储能应用场景图

二、功率电感在双向DC-DC变换器中的作用

1. 能量存储与转换

功率电感在双向DC-DC变换器中充当能量存储与传递的关键角色。在开关导通阶段，电感电流逐渐增大，电能以磁能形式存储于电感中；开关断开时，电感电流减小，磁能又转化为电能释放，保障电路中电流的连续性，实现电压的升降转换。

2. 电流纹波的抑制与平滑

电流纹波会增加系统损耗、影响设备寿命及性能稳定性，功率电感可有效抑制电流纹波。电感的感抗特性使其对电流变化产生阻碍，当电流波动时，电感产生反向电动势抑制电流突变。在双向DC-DC变换器中，选择合适的电感值能使电流纹波控制在合理范围内，保障变换器高效、稳定运行。

三、功率电感对双向DC-DC变换器的影响

1. 电感值（Inductance）

电感值大小直接影响变换器的电压转换比、电流纹波及动态响应速度。电感值较大时，电流纹波小，可使输出电压更平滑，利于提高变换器效率与稳定性，但会导致变换器动态响应变慢，在负载突变时不能迅速调整输出电压。电感值过小时，虽动态响应快，但电流纹波大，增加功率器件损耗，降低变换器效率，甚至可能引发电路振荡，影响系统正常工作。在实际设计中，需综合考虑变换器工作模式、负载特性及性能指标要求，精准选择电感值。

2. 饱和电流（Saturation Current）

当电感通过的电流过大，磁芯磁通密度达到饱和值时，电感进入磁饱和状态，电感值急剧下降。在双向DC-DC变换器中，电感磁饱和会导致电流失控、纹波大幅增加，引发功率开关器件过流损坏，严重影响变换器正常运行。为避免磁饱和，需合理设计磁芯材料与尺寸，确保在变换器最大工作电流下电感不饱和，同时可采用增加气隙等方法拓宽电感线性工作范围，提高变换器可靠性。

3. 直流电阻（DCR）

直流电阻是指电感器绕组线圈在直流条件下的内阻。DCR越低，通入直流时产生的功耗越小，从而提高整体效率。在选型时，应优先选择具有低DCR特性的产品，降低导通损耗，提高变换器效率。

4. 工作频率（Operating Frequency）

提高双向DC-DC变换器的开关频率，可减小电感、电容等无源元件尺寸，提升变换器功率密度与动态响应速度。但电感在高频工作时，寄生参数影响加剧，趋肤效应、邻近效应导致电感损耗大幅增加，传统磁性材料可能无法满足需求，会加剧磁芯损耗带来的发热等问题。因此，选择高频应用的电感器产品是保证系统稳定运行的重要环节。

5. 工作温度（Operating Temperature）

户储系统工作环境复杂，功率电感需具备良好的物理特性与环境适应性。电感的尺寸与重量需满足户储设备紧凑化设计要求；在高温、潮湿等恶劣环境下，电感应具有稳定的性能，磁芯材料不易受温度、湿度影响，具备良好的散热性能与防潮、防霉、防腐蚀能力。在选型时，应优先选择高工作温度，直流偏置特性受温度影响小的磁粉芯大电流产品。

可见，户储双向DC-DC变换器对功率电感的电感值、饱和电流、直流电阻、磁芯损耗、工作频率、工作温度及产品的可靠性等都提出了较高的需求。用户在设计方案时，需根据项目实际情况合理选择电感厂商及电感解决方案。

四、户储双向DC-DC变换器电感解决方案

科达嘉电子通过自主研发和技术创新，为户储双向DC-DC变换器系统提供了多种适配的功率电感解决方案，包括大电流电感、一体成型电感、贴片功率电感等，助力储能行业绿色低碳发展。针对户储双向DC-DC变换器对大功率、高饱和电流等电感产品的性能需求，科达嘉推出了多个系列磁粉芯大电流电感，提供不同的电气特性及封装设计，满足该系统对电感器的高性能需求。

科达嘉大电流功率电感具有高饱和电流、低损耗、高效率、高工作温度、紧凑型设计等特点，饱和电流最高达422A，工作温度-55℃～+155℃，转换效率高，满足户储双向DC-DC变换器系统高工作电流、低损耗、高功率密度等需求。

图2. 科达嘉大电流电感

功率电感作为户储双向DC-DC 变换器的核心元件，在能量存储与转换、电流纹波抑制等方面发挥着不可替代的作用。其性能直接关乎变换器的效率、稳定性与可靠性。随着户储技术的不断发展，对功率电感的性能要求日益严苛，高功率密度、高频化、集成化成为其重要发展趋势。

面对这些趋势带来的挑战，科达嘉电子从磁芯材料研发、结构设计优化等方面深入研究，不断丰富功率电感产品型号，提升功率电感性能，为户储双向DC-DC变换器的性能提升与技术创新提供坚实支撑，助力户用储能系统在分布式能源领域实现更广泛、高效的应用。