솔라 인버터 전용 파워 모듈, 고효율 태양광 애플리케이션을 위한 혁신적 토폴로지

편집자 주

IGBT와 융합된 병렬 스위치 구조의 MOSFET

이 조합은 효율에서 두 가지 개선점을 나타낸다.

첫 번째는 중부하 범위에서 효율을 증가시키기 위해 스위치의 정적 손실을 IGBT로, 동적 손실을 MOSFET에 인가되도록 구성하는 것이고, 두 번째는 경부하 범위에서 효율을 증가시키기 위해 정적 손실 및 스위칭 손실을 MOSFET에 인가되도록 구성하는 것이다.

스위칭 손실이 MOSFET에 인가될 수 있도록 스위치를 빨리 턴-온 시키고 턴-오프 시 지연시킨다. MOSFET은 저전력(경부하) 시 전류를 담당하며, 따라서 IGBT의 하나의 p-n 접합부 전압 강하를 제거해주는 반면 IGBT는 최대 부하 조건에서 그 대부분을 감당하게 된다. 경부하 조건에서 IGBT는 도통되지 않으므로 결국 전 부하 영역에서 후미전류(Tail Current) 손실을 무시할 수 있다. 따라서 이러한 토폴로지를 적용하면 전 부하 및 최대 부하의 효율 증가가 가능하게 된다.

그림 1. MOSFET-IGBT 병렬 구성. 스위칭 손실이 MOSFET에 인가될 수 있도록 스위치를 빨리 턴-온 시키고 턴-오프 시 지연시킨다.

게이트 제어

스위치 온 시, MOSFET이 더 빨리 스위칭 되고 스위칭 손실을 부담할 수 있도록 MOSFET의 게이트 단자는 IGBT의 게이트 단자와 직접 병렬로 연결되어 있다. 그러나 스위치 오프 시, MOS-FET는 IGBT에 스위칭 오프 손실이 인가되지 않도록 지연되어야 한다. 이 타이밍을 위해 다음과 같은 상이한 가능성이 존재한다.

그림 2. 분리된 게이트 구조의 드라이버. 하나의 드라이버로 게이트 신호를 분리하면 단순 회로로 최고의 성능을 낼 수 있다.

두 개의 드라이버로 게이트 신호를 분리한다.

두 개의 게이트에 대한 독립적인 게이팅 동작은 손실저감을 위해 유연성을 제공하고, 이로 인해 최적의 결과를 얻을 수 있도록 해준다. MOSFET에 인가되는 턴-오프 구동신호를 지연시키는 것은 스위치의 최대 장점을 이용하는 것이다.

하나의 드라이버로 게이트 신호를 분리한다.

그림 2와 같은 단순 회로로 최고의 성능을 낼 수 있다.

단일 게이트 연결

표준 스위치로 핀 호환성을 제공하는 것은 전력 모듈 측면에서 장점을 갖는다. 이런 경우 추가적인 게이트 핀들이 있어서 단점을 초래한다. 이러한 접근방법은 그림 3의 게이트 제어 회로로 구성된다. MOSFET 게이트 저항은 파워 모듈에 포함되어 있다. 동적 특성은 게이트가 분리된 구조에 비해 크게 나쁘지 않다.

그림 3. 단일 게이트 구조의 드라이버. 이런 경우 추가적인 게이트 핀들이 있어서 단점을 초래한다. 이러한 접근방법은 그림의 게이트 제어 회로로 구성된다.

직접 연결

게이트에 직접 연결하는 것도 가능하다. 나머지 두 가지 가능성이 여기에 있다. 표준 게이트 드라이버 회로에서 우리는 스위치 온 손실만을 감소시킬 것인데, 전체 동적 손실을 상당히 감소시킬 수 있다. 그러나 게이트 전압이 3-레벨이 될 수 있고, 이는 더 높은 문턱전압의 IGBT를 사용해야 한다는 의미이기도 하다. IGBT는 2차-레벨 전압에서 이미 스위치-오프 될 것이기 때문에 MOSFET은 게이트 전압이 0V가 되기 전에 스위치-오프되어 전류를 담당하게 될 것이다. 이 아이디어의 단점은 임계 전압의 범위가 상대적으로 높아야 한다는 것이다.

그림 4. 부스트 컨버터 + 혼합형 인버터 브리지. 태양광 애플리케이션에서는 그림과 같은 토폴로지가 흥미로울 수 있다.

새로운 토폴로지를 위한 아이디어

토폴로지를 토대로 모든 IGBT에 사용될 수 있다는 비슷한 종류의 생각은, 중대한 정적 손실이 있는 모든 MOS-FET 토폴로지에서 스위칭 손실은 의미 있는 수준으로 높다는 것이다. 태양광 애플리케이션에서는 특히 그림 4와 같은 토폴로지가 흥미로울 수 있다.

NPC 토폴로지는 7kW 이상의 용량 및 DC 전압 600V 이상인 시스템에서 중요한 역할을 할 것이다. 한 가지 예는 통합 파워 모듈로서 가능한 그림 5와 같은 토폴로지이다.

MOSFET Body 다이오드의 고유의 특성이 상실되기 때문에 1,200V급 다이오드의 사용은 무효 전류를 흐르게 한다. 고압 FRED에 연결된 서프레서 다이오드는 MOSFET의 기생 커패시터가 스위치 오프 시 충전될 때 역전류로부터 IGBT를 보호한다. 그림 6은 P965-F(45mΩ) CoolMOSTM(실선) 모듈과 병렬 구성된 P969-F(99mΩ) CoolMOS을 16kHz의 스위칭 주파수 및 10kW 전력 조건에서 비교한 결과를 나타낸다.

그림 7과 같은 3-레벨 인버터 토폴로지는 고압 스위치를 사용해 더 높은 효율을 획득할 수 있다. 이와 같은 회로를 이용하면 중부하 조건에서 최고 99% 이상의 효율 획득도 가능한데, 그 이유는 중성점의 클램핑을 통해 MOSFET을 항복전압 가까이 사용할 수 있기 때문이다. 무효전력은 MOSFET의 Body 다이오드로 인해 제한된다. 이를 극복하기 위해서 그림 8과 같은 회로를 대안으로 추천한다. 중성점 클램프용으로 사용되는 스위치는 MOS-FET 또는 IGBT 모두 적용 가능하다.

그림 5. P969-F 파워 모듈에 통합된 NPC 토폴로지. NPC 토폴로지는 7kW 이상의 용량 및 DC 전압 600V 이상인 시스템에서 중요한 역할을 할 것이다.

효율 향상 위한 무효전력 대체 능력 가시화

MOSFET과 IGBT의 병렬 구성을 통해 전 부하영역에서 일정하게 최고 수준의 효율을 달성하는 것이 가능하다. 이미 잘 알려져 있는 병렬 기술에 대한 개발은 복잡한 반도체 기술 선정 기준, 게이트 드라이브 기술 및 개별 소자의 기생 부유 인덕턴스를 초래하는 레이아웃 결과에 대한 의존에 의해 적극적으로 개발되지 못했다. 진보된 파워 모듈 기술 덕분에 이와 같은 구조의 활용은 더욱 경제적이다. 이 아이디어가 지원하는 파워 모듈은 표준 제품으로서 제작 가능하거나, 맞춤식 부품으로서 규정될 수 있다. 즉, 효율 향상을 위한 무효전력 대체 능력은 이미 구체화되고 있다고 할 수 있다.

그림 6. 효율 비교 : 혼합 NPC(실선) vs. 혼합 병렬 NPC(점선). 그림은 P965-F(45mΩ) CoolMOSTM(실선) 모듈과 병렬 구성된 P969-F(99mΩ) CoolMOS을 16kHz의 스위칭 주파수 및 10kW 전력 조건에서 비교한 결과를 나타낸다.