双向功率转换模块和混合逆变器解决方案

住宅储能市场虽然现在处于起步阶段，但正位于爆炸式增长的边缘。自 2018 年第一季度以来，仅在美国，该市场就同比增长了 232％，而能源存储在 2019 年第一季度的部署中占比为 46％。如今，住宅储能领域的规模比公用事业部署的规模要小。预计全球住宅储能市场将从 2019 年的 60 亿美元增长到 2024 年的 175 亿美元；复合年增长率为 22.88％（根据最新的 Wood Mackenzie 美国能源存储监控器。

随着具有各类背景和专业知识的新参与者进入市场，全球公司开始看到储能的未来增长潜力。

储能开发人员要克服的关键设计挑战在于系统集成，以最终实现更低的系统成本、更小的外形尺寸以及更少的组件和子系统数量。对于能量存储来说，系统集成意味着通过从单向功率转换阶段转向双向功率转换阶段，将电池充放电的两条独立路径合二为一。

转向双向功率因数校正（PFC）和逆变器功率级

储能市场的兴起可归因于方法和创新，这些方法和创新使设计人员能够克服系统集成和成本等重大挑战。在出现更新的技术和解决方案之前，单向 AC/DC、单向 DC/AC 和 DC/DC 功率级是传统系统解决方案。图 1 说明具有单向功率因数校正（PFC）和逆变器功率级的典型系统。

图 1：具有单向 PFC 和逆变器级的电网级系统图

然而，但这种单向方法为实现系统集成设置了不可避免的障碍。系统会需要更多的功率级、组件和控制器，这将导致更高的系统成本。本质上讲，能量相对于电池双向流动，要么流入电池进行充电，要么流出电池进行放电。如果可压缩这些功率级，则可减少组件、模块和子系统的数量，最终降低系统物料清单（BOM）成本。

这些挑战的潜在解决方案是 AC/DC、DC/AC 和 DC/DC 功率转换级的双向功能。为进一步提高系统集成度、降低系统物料清单和减小外形尺寸，涉及能量存储的电网系统正在朝着图 2 所示的双向电源转换模块发展。

图 2：具有双向 PFC 和变频器级的电网级系统图

C2000™MCU 的最新参考设计中实现了双向功率变换。具有 GaN 的双向交错式 CCM 图腾柱无桥 PFC 参考设计基于 TMS320F280049C 实时控制器系列。

混合逆变器

由于希望在储能市场中进一步提高系统集成度，因此出现了另一个市场趋势：混合动力或储能逆变器的部署。逆变器简单来说是将直流电转换为交流电的功能。但当有多个直流电源时会发生什么？在电网基础设施环境中，常规逆变器会将太阳能电池板的直流电转换为交流电。混合逆变器补充了具有能量存储的太阳能逆变器系统，因此同一逆变器可逆变来自太阳能光伏（PV）面板或充电电池的直流电。实际这是太阳能光伏制造商利用储能来发展业务并保持领先地位的一种方式。储能解决方案是必然趋势，而对于太阳能系统设计人员而言，混合逆变器是实现无风险且面向未来解决方案的关键。

需求与解决方案

双向储能解决方案，包括混合逆变器在内的双向储能解决方案要求高功率效率、性能和设备紧凑性。这些需求转而要求实现更高级的电源拓扑、更低的总谐波失真、更快的瞬态响应、更高的控制环路频率和更高的脉宽调制（PWM）频率，而这些只有通过支持以下功能的实时控制器才能实现更复杂的 PWM 方案、高分辨率 PWM、高模数转换器（ADC）速度和高处理能力。

C2000 实时控制器产品组合不仅为储能系统还为许多数字电源应用提供了这些优势：

可实现高效的最大功率点跟踪、升压、AC/DC、DC/DC 和 DC/AC 子系统的低成本解决方案。

能够集成多个子系统的高端选择，为混合逆变器提供了一条途径。

双浮点内核（中央处理单元和控制律加速器）实现复杂的数字信号处理算法。

一种与实时处理外设紧密耦合的设备架构，可提供确定的性能。

内置的可配置逻辑块，能够提供扩展的保护和监控功能，从而消除了现场可编程门阵列 / 复杂的可编程逻辑器件。

高速（最高 200 Mbps）快速串行接口（FSI）可在功率级之间进行快速互连，无需进行隔离。

模拟前端、16/12 位 ADC、比较器、数模转换器和 sigma-delta 滤波器模块简化了隔离和非隔离的电流和电压检测。

增强的 PWM 和捕获模块使配置功率级更具灵活性。

表 1 列出具有 C2000 器件的参考设计，结合了 AC/DC 和 DC/DC 功率级的双向实现以及先进而复杂的 PWM 方案。

表 1：TI 储能系统参考设计

储能解决方案逐渐兴起，电网基础设施设计人员也正在投资以跟上竞争对手和市场步伐。双向功率转换模块和混合逆变器解决方案可减少组件、模块和子系统，并最终降低系统 BOM 成本。用于实时控制的 C2000™器件专门为满足设计人员的需求而设计，并有助于持续发展储能市场。
编辑：hfy