싱글 솔라 인버터 위한 고효율 기술
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  • 승인 2016.05.16 05:01
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효율 향상 도모하는 태양광 인버터의 디자인 목표

고효율 태양광 인버터 디자인
고효율 솔라 애플리케이션을 위한 접근은 기존 전력장치의 디자인을 대체하는 효율을 위한 디자인을 실행하는 것으로, 전력·전자 디자인의 전통적인 목표는 단위 금액당 최고의 전력
을 발생시키는 것이다. 이 목표는 최대 출력에서의 전력 판매뿐만 아니라, 다양한 출력상태(유로 효율)에서 역시 전력을 판매하기 때문에 솔라 인버터 애플리케이션에 있다고 할 수 있다. 유로 효율에서는 빛의 강도에 따라 가중치가 달라진다(그림 1). 가장 높은 동작모드는 정격의 50% 상태다.

▲ 그림 1. 유로 효율 가중치
태양광 인버터를 위한 유로 효율을 만족시키기 위해서는 정격에서의 손실만 줄이는 것으로는 충분하지 않다. 다양한 부하에서의 효율 역시 상당히 중요하다. 이 부분을 계산하기 쉽게 정략적인 가치로 표현한다면 다음과 같다.
kW당 100만원의 설치비를 가정해보자. 3kW 정격에서 1% 효율은 3만원의 이득을 가져올 수 있다. 이 말은 솔라 패널 ㎡에 비용을 지불하는 것보다 전력장치에 ㎟에 비용을 지불하는 것이 훨씬 효과적이라는 것이다.

파워모듈의 선택
최고 효율에 대한 새로운 디자인 목표는 사용되는 소자를 선택하는 새로운 기준을 만든다. 인버터에서 가장 중요한 것은 IGBT이다. IGBT가 최대전력에서 효율 및 비용을 이끄는 가장 중요한 핵심 부품이다. IGBT의 비선형 온 전압은 최대 출력에서 이익을 제공하지만, 다양한 출력에서는 오히려 손해다.
▲ 그림 2. 부스터-인버터 기능을 가진 단상
트랜스포머리스 인버터B
반면에 MOSFET의 선형 특성은 부분 출력에서 더 좋은 결과를 이끌어낼 수 있다. 그리고 우수한 스위칭 특성은 더 높은 스위칭 주파수의 사용을 가능케 한다. 효율로 인한 직접적인 자금회수는 SiC Diode 같은 더욱 비싼 소자의 사용을 가능하게 하고, SiC Diode(600V)는 트랜지스터의 턴온시 손실을 줄이고 EMC를 최소화한다.

태양광 인버터의 디자인 목표
트랜스포머리스 인버터의 디자인 목표는 다음과 같다.
- 최대 입력전격을 위한 입력전압 방향을 위한 솔라 패널의 최대 전력점(MPP) 추적
- 최대 유로 효율 인버터
- 낮은 EMC
MPP에서 인버터를 동작시키기 위해 회로는 전류상태에 따른 입력전압을 조정할 수 있어야 한다. MPP는 일반적으로 오픈 루프 전압의 70%이지만, 패널의 선택에 의존하고 입력전압은 부스트 회로와 함께 다양하게 조정돼야 하며, 2차에서 DC 전압은 사인 형태의 그리드 전압으로 호환돼야만 한다.

그림 3. flowSOL0-
BI 부스트 + 인버터 flowSOL-BI 모듈의 데이터
트랜스포머리스 인버터를 위한 토폴로지
이 토폴로지 역시 태양광 인버터의 정격출력에 의존한다. 3kW 단상 인버터의 DC 전압은 일반적으로 최대 500V다.
부스트는 MPP에서 입력전압에 의존하고 인버터 출력은 전력 그리드에 사인 형태의 출력을 생성한다. 상단의 IGBT는 출력 인버터에서 EMC와 손실을 줄이기 위해 60Hz와 함께 양극성 스위치로 사용하고 하단 IGBT 또는 MOSFET은 PWM 주파수로 동작한다. 부스트 인덕터의 수동소자와 출력필터를 작게 유지하기 위해서는 16kHz 이상의 주파수가 필수적이다.

이 토폴로지의 파워반도체의 집적은 다음 이득을 제공한다.
- 쉽고 신뢰성 있는 조립
- 빠른 디자인 사이클
- 확실한 모듈 디자인으로 인한 효과적인 전기적인 동작 수행
결정적인 모듈 디자인을 위해선 다음의 사항이 필수적이다.
- DC에서 낮은 인덕턴스 : 이 목표를 달성하기 위해 와이어 본딩, 레이아웃, 모듈 핀 등에 의해 초래되는 내부 인덕턴스를 최소화해야 한다. 이것은 부스트 및 인버터 회로에서 DC+와 DC- 핀이 규격이 허용하는 범위 내에서 가깝게 배치돼야 한다는 것을 의미한다.
- 고속 스위칭 전력 트랜지스터를 위한 센스 핀 접촉 : IGBT or MOSFET 같은 스위치를 온/오프하기 위한 와이어 본드의 기생 인덕턴스는 게이트 신호를 줄이며, 이는 트랜지스터의 오실레이션을 초래하거나 최소한 스위칭 손실을 증가시킨다. 에미터 또는 소스에 직접 부착된 전류가 없는 센스 와이어는 이 문제를 제거할 수 있다. 이는 모듈 기술 내에서만 가능하다.

▲ 그림 4. 부스트 회로를 위한 시뮬레이션 결과
유로 효율 99.6%
그림 3에 나타난 빈코텍의 표준 모듈 ‘flowSOL-BI(P897E)’은 위에 언급된 이득을 반영한 제품이다.
- MOSFET(600V/45mΩ) 부스트 회로 + SiC 부스트 다이오드
- 최대 전력을 위한 바이패스 다이오드
- 풀 브릿지 상단 : 75A/600V IGBT + SiC 정류 다이오드
- 풀 브릿지 하단 : MOSFET(600V/45mΩ)
- 온도센서

파워모듈 트랜스포머리스 ‘flowSOL0 BI’를 위한 효율 계산
이는 전력 반도체만을 위한 손실을 계산한 것이다. 수동소자에 대한 계산은 고려되지 않았다. 이 회로에 대한 측정값을 기반으로 한 시뮬레이션 결과는 그림 4 및 그림 5와 같다.
부스트를 포함한 유로 효율은 98.8%이고 이 효율에 수동소자를 포함하면 거의 98%에 도달한다. 이 솔루션은 부분적인 부하에서 떨어지는 순수 IGBT 솔루션에 대한 대체 가능성을 보여준다.

다음 세대의 토폴로지를 위한 아이디어
여러 종의 전력 반도체를 이용한 풀 브릿지 토폴로지는 이미 매우 높은 레벨의 효율을 제공하고 있다. 여기에서는 효율 무효전력, 그리고 양방향 컨버터 모드에 대한 고효율 등 파트에서의 성능에 대한 기준 개선 아이디어를 밝힌다.

단상 인버터 토폴로지
첫 번째 초점은 여러 종의 전력반도체를 사용한 풀 브릿지에 대한 효율 개선이다(그림 6).
그림 6에서는 IGBT가 그리드상의 주파수로 스위칭된다(60Hz). 그리고 아래 상의 MOSFET은 계통에 사인형태의 출력을 공급하기 위한 16kHz 이상의 높은 주파수에서 스위칭된다. 시뮬레이션을 통해 2kW 정격에서 99.2%의 유로 효율이 가능함을 알 수 있다. MOSFET은 느린 보디 다이오드의 특성으로 인해 상단 스위치에 사용될 수 없다. 또한, 하단에 MOSFET을 사용함으로써 50kHz 이상의 고속 스위칭도 가능해진다.
상단의 스위칭은 60Hz이다. 이것은 필터를 필수적으로 동반하지 않는다. 이는 오직 고주파 시그널만 필터링하는 오픈 에미터 토폴로지를 통해 달성될 수 있고, 출력필터에서 발생하는 손실을 줄일 수 있다(그림 7).

▲ 그림 6. 태양광 인버터단
그림 8에서 토폴로지의 동작을 살펴보면, 아래 상의 MOSFET이 스위칭하는 동안 상단 IGBT는 역병렬 다이오드와 함께 이용되지 않음을 알 수 있다. 이것은 상단에 MOSFET을 사용 가능하게 한다. 느린 보디 다이오드는 필터 인덕터에 의해 이용되지 않고, 낮은 출력에서 효율을 개선시킨다. 시뮬레이션을 통해 2kW 정격에서 0.2%의 효율이 개선돼 99.4%의 효율을 확인할 수 있다. 심지어 더 높은 효율도 기대할 수 있는 것은 이 시뮬레이션이 125℃의 소자 온도에서 이뤄졌기 때문이다. 낮은 출력에서는 온도가 더 낮아지며, 이는 MOSFET의 Rds-on 값을 낮춘다.

▲ 그림 7. 상단의 오픈 에미터를 사용해 개선된
트랜스포머리스 솔루션
무효전력에서는 어떨까? 이는 FRED-FET를 사용함으로써 가능해진다. 다만, 이 소자는 더욱 높은 Rds-on값을 가지게 된다. 또 다른 단점은 여기의 나쁜 역회복 특성으로 인해 cos() 보상 및 양방향 동작에서 나쁜 특성을 가진다는 것이다. 만약 회선 임피던스의 측정과 특정 상황에서 소자를 보호하는 것이 필수적이지 않다면 다음 포톨로지(그림 9)에서 이에 대한 이슈를 개선할 수 있다.

이 회로는 완전한 무효전력 상황을 허락하고 계통에 대한 cos()보상 사용을 확대해 고효율의 배터리 차저 같은 양방향 컨버터 애플리케이션을 지원한다. 만약 여기에 SiC 다이오드를 사용한다면 더 완벽한 효율 레벨을 달성할 수 있다.
그럼 MOSFET 대신 SiC MOSFET을 사용하면 어떨까? 아직까지 SiC MOSFET 1,200V 소자로는 600V MOSFET의 효율을 따라 올 수 없다. 시뮬레이션을 통해 확인한 결과에 따르면, 1,200V SiC MOSFET으로 구성한 일반 풀 브리지 구조는 겨우 98%의 효율을 나타낸다. 이는 소자뿐만 아니라 토폴로지가 왜 중요한지를 나타내는 요소라고 볼 수도 있다. 적절한 토폴로지와 소자의 사용이 가장 효율적인 인버터를 구성할 수 있는 기반이다.

인버터 효율 증가 위한 새로운 토폴로지
새로운 토폴로지들은 인버터에 대한 효율 증가에 대한 가능성을 열 수 있다. 최고 효율은 약 0.4k에서 달성되고, 이것은 모듈에 대한 병렬 사용을 통해 개선될 수 있다. 무효전력을 처리하는 것은 새로운 기능과 애플리케이션을 위한 cos()보상 고효율 및 양방향 배터리 차저(ESS, 전기차), 고효율 및 고속 모터 드라이브 등의 기술을 통해 실현할 수 있을 것이다.

박노성
빈코텍코리아 기술지원팀장

SOLAR TODAY 편집국(st@infothe.com)

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