맞춤형 시스템 반도체 기술로 완성

루피노 올레이(Rufino Olay) 마이크로세미 시장솔루션 수석 부장

필자는 무수한 FPGA 중심의 설계를 개발하면서 하드웨어 엔지니어로 경력을 쌓기 시작했고 FPGA의 응용과 마케팅을 담당해왔으며 무선 인프라와 태양광 산업에서 활약해왔다. 그는 산호세 주립 대학에서 BSEE(전기공학 학사학위)를 받고 산타클라라밸리 IEEE의 회장으로 활동한 바 있다.

최근 신재생에너지 시장에서의 화두는 태양광 용량과 생산량을 충족하는데 필요한 혁신적인 해결책을 개발하는 것이다. 이를 위해 점점 그 수가 많아지는 태양광 업체들의 핵심 능력을 이용하고 그 능력을 신장시키고자 한다. 그리드 패리티(화석연료 발전단가와 태양광 에너지와 같은 신재생에너지 발전단가가 같아지는 지점)를 달성하고 그 이상으로 시장을 성장시키기 위해 제조업체들은 신기술과 기기, 생산방법들을 이용하거나 개발해 전반적인 효율을 높이고 전력 소비와 비용을 줄이려는 노력을 아끼지 않고 있다.

현재 태양광발전 시스템 하드웨어 비용 중 태양광 인터버 비용은 약 7~10%를 차지한다. 모듈 비용은 빠른 속도로 인하될 것으로 예상되며 이로 인해 인버티 비용 비율은 2015년까지 시스템 하드웨어의 12%까지 오를 전망이다1). 그로 인해 태양광 인버터 설계자들은 다양한 시그널 부품들을 최신 IC(저전력 통합 회로)와 함께 보다 높은 수준의 기능과 알고리즘을 통합하기 위해 반도체 업체들과 협력함으로써 이 도전적인 상황에 대처하고 있다.

태양광 인버터의 기능

지난 30년간 스트링 인버터는 우세한 인버터 형식이었고 지금도 여전히 많은 설치물에 현실적인 솔루션으로 기능하고 있다. 최근에는 무수한 신규 인버터 형식이 스트링 인버터에 대한 대안으로 출시되기 시작했다. 그 예로 마이크로인버터, 전력 최적화 기기, 미니 인버터, 인버터 축소 전력 시스템 등이 있다.

이렇듯 시스템 모니터링을 비롯해 웹 연결, 도난 경보에 이르기까지 인버터의 다양한 부가가치 기능들은 보증확대에 대한 요구와 더불어 고효율성이 점점 경쟁이 치열해지고 있는 시장에서 기업과 제품 차별화를 이룰 수 있는 관건이 되고 있다.

그러나 인버터의 주된 목표는 직류(DC) 형식으로 수확된 소중한 에너지를 최대한 많이 교류(AC) 형식으로 변환시키고, 이를 후에 사용할 수 있도록 계통 연계된 저장 시스템이나 독립형 직류 저장 시스템에 저장할 수 있는 능력을 갖추는 것이다. 이는 앞서 설명한 부수적인 기술들과는 상관이 없다.

태양광 인버터의 주요 부품은 전원스위치, 그리드와 온도 감지, 데이터 로깅, 디스플레이, 통신 인터페이스, 배터리 충전관리, 팬 제어와 같은 기능을 위한 시스템 관리 내에서 이용되는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러이다. 다양한 전력 제어 알고리즘이 펄스 폭 전압 제어(PWM), 최대 전력 지점 추적(MPPT), 전력 효율 교정(PFC)을 비롯해 다양한 시스템 업무를 수행하기 위해 다양한 전력 제어 알고리즘이 사용된다. 대부분의 경우 설계자들은 제품 경쟁력을 높이기 위해 자신들의 전문성을 이용해 다양한 수준의 설계 방법을 사용해 알고리즘을 배치한다.

태양광 인버터 설계자들마다 특정하게 부여되는 요구의 충족

역사적으로 설계자들은 다양한 구성, 다양한 비트 폭, 다양한 처리 능력, 그리고 내장된 애플리케이션에 대한 다양한 메모리와 주변부에서 실시간 마이크로컨트롤러에 접근할 수 있었다. 반도체 제조업체들은 태양전지 설계자들의 요구를 잘 알고 있으며 따라서 차세대 태양전지 제품을 출시하기 위해 전력 효율성을 갖춘 프로세싱 플랫폼을 개발해왔다.

태양전지 중심의 마이크로컨트롤러 플랫폼은 시간이 갈수록 나날이 발전하는 통신 표준을 맞추기 위한 연결 인터페이스뿐만 아니라 아날로그 디지털 변환기(ADC), 디지털에서 아날로그로 변환하는 변환기(DAC), PWM 채널, 전압 온도 모니터와 같은 종합적인 시그널 속성들을 포괄적으로 사용하면서 싱글 코어 내지는 듀얼 코어의 최적화된 계산 장치를 추가하고 있다. 이러한 탄력적이고 유연한 플랫폼은 신규 업체와 전통적인 마이크로컨트롤러 업체들, 프로그램 가능 논리 소자 업체들을 비롯해 다양한 곳에서 사용되고 있다.

맞춤형 반도체 시스템의 진화

보증을 확대하려는 태양광 산업계의 움직임과 더불어 무수한 요소에 사용되는 각 장치에 대한 세부적인 연구가 필요하다. 높은 수준의 시스템 통합이 이루어지고 있지만 제품의 충분한 수명 보증과 회사가 높은 신뢰도를 제공하고 있다는 확신 또한 기기 선택에서 고려할 사항이다.

시스템을 강화하고 소수의 부품 내지는 IC 내에서 여러 기능을 지원함으로써 통합을 통해 신뢰도가 높아지고 비용이 절약된다는 사실은 이미 잘 알려진 이야기다. 과거 십년 동안 PLD 제조업체들은 하드웨어/내장된 CPU 혹은 소프트 CPU 안에 계산 장치를 포함시키고자 지속적으로 제품 포트폴리오를 개선해왔다(그림 1). PLD 발전의 다음 단계는 그것이 태양광 인버터의 경우처럼 전력 소비 절감 애플리케이션이든 아니면 무선 인프라에서 필요한 높은 연산능력 플랫폼이든 상관없이 특정한 목적을 위해 최적화된 완벽하게 통합된 시그널 플랫폼이다. 두 경우 모두 적합한 부품 선택이 전력과 성능의 이상적인 균형을 맞추는 데 있어 매우 중요하다.

개별 반도체를 하나의 칩 안에 통합한 반도체 시스템(cSoC) 개념은 무수한 부품들이 하나로 통제되는 독립 IC 혹은 일괄적인 IC 안에 통합하는 것을 의미한다. 이를 통해 하드웨어와 소프트웨어는 그 시스템에서 각자가 담당하는 부분을 공동 개발하고 그 결과를 단일한 플랫폼 IC에 배치한다. 하나의 접근법인 플래시 중심의 맞춤형 반도체 시스템(그림 2)은 이 개념을 더욱 심화시켜 ‘프로세싱’, ‘센서 & 콘트롤’, ‘구성 가능 논리’의 세 가지 하위 범주를 포함한다.

이러한 접근법의 이점은 비단 통합 비용 절약만이 아니다. 신뢰도 증대와 전력 예산 절감 또한 이 접근법의 큰 장점이다. 이 일반적인 플랫폼 덕분에 설계팀은 게이트 논리 사용을 극대화하고, 하향 상태의 기계나 오프칩 스위치 부품을 제어하기 위해 생산량을 관리해 하드웨어 가속화나 시간 분배를 다양하게 하는 등 연산 집약형 알고리즘의 비율을 분할하는 것과 같은 시스템 배치 균형을 이루면서 반도체 시스템 자원을 최대한 활용할 수 있게 된다. 플래시 중심의 아키텍처 덕분에 전반적으로 전력 소비 절감이 이루어지고 전원을 켜자마자 바로 작동하는 ‘즉각적인 전원 작동’ 기능을 활용할 수 있다. 밤에 일부의 사용 예에서는 계통 연계된 인버터는 에너지 보존을 위해 수면 모드로 전환된다. 전원을 켜면 즉시 작동하는 원리 덕분에 즉각적인 시스템 작동이 가능하며 이로 인해 이른 아침 태양이 비추는 조건 하에서 태양광 시스템 생산량은 극대화된다.

프로세싱

ARM은 스마트폰, 태블릿, 셋톱박스, TV를 비롯해 다양한 기기들과 시장에서 ARM 기반 프로세서 선적량이 엄청나게 늘면서 주요 IP 공급업체가 되었다. 2010년의 선적량만 하더라도 62억 달러에 달한다2).

ARM 프로세서 IP 포트폴리오에 포함되는 제품은 에너지 효율성을 갖춘 프로세서인 코텍스-M(Cortex-M)이 있다(그림 3). 전력 민감형 애플리케이션용으로 설계된 코텍스-M 제품 시리즈는 산업용 제어, 스마트 미터, 자동차, 백색 가전제품, 소비자 제품, 의료용을 비롯해 다양한 용도에서 사용되는 내장형 통합 시그널 장치에 아주 적합하다. 40개 이상의 업체가 코텍스-M 제품 시리즈의 장점을 인정했으며 마이크로컨트롤러 애플리케이션에서 에너지 효율성을 확보하기 위해 ARM과 파트너 업체로 협력하고 있다.

ARM 코텍스-M3을 cSoC 플랫폼에 접목시키면 다양한 칩 주변부에 AHB 버스를 통해 타이밍 준수가 가능하다. 정상적인 제어판 처리 기능뿐만 아니라 태양전지에 특정하게 적용되는 알고리즘이 고객의 라이브러리에서 이미 검증된 코텍스-MS로 복사된다. 예컨대 MPPT 알고리즘은 최적의 효율을 보장하는데, 흐린 날씨나 노후화로 인한 품질 저하 상황에서도 태양광 모듈에서 최적의 효율이 얻어진다. 그 결과로 얻어지는 전류와 전압 불일치는 에너지 전달을 극대화하기 위해 변동 임피던스(교류회로에서 전압과 전류의 비)를 도입함으로써 MPPT 알고리즘을 통해 보완된다.

무수한 IEEE 전문지에서 전력비교법(P&O), 증가하는 전도도(INC), 정전압 방법 혹은 이 방법들을 다양하게 변용하는 방법들을 포함해 여러 가지 방법들이 소개되었다. MPPT는 대응 시간 요건에 따라, 특히 빠르게 변화하는 조건 때문에 프로세싱 지체 오류를 피하기 위해 단일 주기나 현재 진행 중인 프로세싱을 위해 구성 가능 논리 조직으로 분할 가능하다. 태양광 인버터 회사들은 자체적으로 MPPT 버전을 갖고 있고 대응시간과 효율성 면에서 제품 차별화의 중요한 핵심을 갖고 있다고 할 수 있다.

감지와 제어

작동 조건을 모니터링하고 평가하는 것이 태양광 시스템의 최고 성능을 유지하는 데 있어 관건이다. 이를 통해 최종 사용자들과 공익사업체는 사고가 일어난 후에 뒤늦게 대응하기보다는 사고가 일어나기 전에 미리 잠재적인 실패를 예측할 수 있게 된다. PLL 측정과 고압 쌍극 모니터와 같은 통합 반도체 시스템 자원은 그리드 공급과 인버터 출력 간의 주파수, 위상각도 차이를 측정하고 이를 보상한다. 그리드 전압 양극성은 각각의 cSoC ADC 계기에서 표본화되며 신호기 전체에서 0으로 맞춰져 등록된다.

구조물 또는 태양광모듈 온도 모니터링은 주위의 작동 조건을 탐지하며, 데이터는 데이터 저장 요건의 길이에 따라 온칩(반도체 칩 위에 회로를 집적한) 메모리 혹은 오프칩(반도체 칩 밖의) 메모리에 저장할 수 있다. 뿐만 아니라 실시간 데이터 전송 혹은 계획한 데이터 전송은 내장된 통신 인터페이스를 통해 일정의 한계가 있거나 처리 대역폭이 변동될 경우 조정 가능하다.

독립형 태양광 시스템은 배터리 충전 관리 문제에서 특히 특별한 문제가 있다. 꾸준한 모니터링과 조정 가능한 충전기가 최적의 배터리 성능에 필요한 기능이다. 충전 능력 이상으로 배터리에 스트레스를 주지 않는 것과 정해진 작동 능력 수준 이상으로 배터리를 사용하지 않는 것이 중요하다. 이렇게 했을 때만이 조기에 교체하는 일을 미연에 방지하고 계획에 없던 유지 관리 비용을 줄일 수 있게 된다. 개별적인 배터리 전지는 노후화로 인해 충전 저항에 변동이 있는지 체크해야 한다. 균등화 기법은 불균형 전지를 복구하고 충전 수입성을 증대시킨다. 배터리 충전 온도 체크는 1/4℃ 해상도에서 신호 처리 블록(SNBC)을 통해 가능하다.

구성 가능 논리

PLD는 하드웨어 가속 데이터 연산 처리량을 늘릴 수 있는 현실적인 방법으로 간주되어 왔다. 본질적으로 연산 동시 처리는 고 주파수 전환 능력(일반적으로 300MHz 이상)과 FPGA(현장에서 프로그램화할 수 있는 게이트 배열) 패브릭의 병렬 구조를 통해 가능하다.

데이터 처리를 극대화하는 설계 기술은 논리 소자나 메모리/RAM 이용 가능성에 좌우된다. 예컨대 다양한 단계의 증폭기를 통해 높은 처리량이 보장되지만, 이는 불필요할 수도 있고 시스템의 처리 요구에 따라 달라지기도 한다. 역으로 극도로 빠른 증폭기는 저주파 상태의 수많은 기계에 사용될 수 있다. 따라서 논리소자 사용은 최소한으로 유지된다.

빠른 증폭기를 도입하는 또 다른 기법은 온칩(반도체 칩 위에 회로를 집적한) 듀얼포트로 구성된 RAM(ROM처럼 구성)의 사용이다3). 이 증폭기의 예측 결과는 RAM에 배치되고 그 결과는 다른 곳에서 읽을 수 있다. 계수기와 가변 증폭관은 이런 방식으로 개발 가능하고 주소 포인터는 산술 연산자처럼 기능한다.

인버터 출력 전압 파형의 FFT는 전고조파(THD)에 대한 신호 자질 분석을 수행한다. 그 다음의 결과는 그리드 파형과 비교되고 이에 따라 조정이 이루어진다. FFT 알고리즘 실행은 코텍스-M3이나 설정 가능 논리에서도 가능하다. 일반적으로 하드웨어 실행은 마이크로컨트롤러 내에서 실행될 때 수십 마이크로초 대 수백 마이크로초 내에서 이루어진다. 두 경우 모두 현실화 경로는 설계에 따라 달라진다. 따라서 하드웨어나 소프트웨어 도입을 선택해야 하며 서로 대립되는 요소 사이의 균형을 맞추는 것이 유리하다.

PWM은 IGBT와 MOSFET 같은 전력 스위치 부품들을 효율적으로 제어하는 데 필요하다. 대안적인 PWM 도입이 가능하며 이는 다시 시스템 요건에 따라 달라진다.

한 가지 예를 들자면, 공간 제약 때문에 최대한 좁은 공간을 요구하는 시스템이 있다고 하자. 이 시나리오에서는 자원 공유 기술이 사용된다. 이 기술을 이용하면 고성능 PWM 상태의 기계가 다양한 MHz 범위 내의 주파수에서 작동한다. PWM의 입력은 인버터 출력 대 그리드 공급 파형의 분석을 통해 피드백 회로에서 제어된다. 고주파 PWM 출력은 그 후 다양한 KHz 스위치 요소들을 제어하는 FIFO에 배치된다(IGBT 혹은 MOSFET). 이러한 설계 기법은 미니 인버터처럼 단일 장치가 다양한 스위치 부품들을 제어하는 용도에서도 적합하다(단일 패키지 내에 다양한 마이크로인버터가 포함되어 있을 경우).

역으로 전력 예산이 넉넉치 않은 시스템에서는 PWM 기기를 다양한 온칩 저 프로세싱(KHz) PWM 채널로 통합하는 것도 한 방법이다. 이 방법은 즉시 오프칩 전력 공급 요구량을 줄여주며 설계자들은 PWM 채널의 정확한 수와 시스템마다 필요한 스위치 특성을 맞춤형으로 설계할 수 있다.

반도체의 발전 덕분에 태양광 인버터 설계자들은 고효율, 높은 신뢰도, 저비용, 보증 기간 연장이 가능한 차별화된 제품들을 개발할 수 있게 되었다. 맞춤형 반도체 시스템과 같은 IC는 탄력적으로 운용되는 플랫폼 개발을 가능하게 했다(그림 4). 이러한 플랫폼 환경에서는 하드웨어와 소프트웨어 아키텍처 모두 그리드 패리티 달성에 필요한 알고리즘과 시스템 기능을 함께 개발할 수 있다.

참고 자료

1) IMS Research, ‘The World Market for Photovoltaic Inverters, 2011 Edition’ p.30

2) Gartner, ‘Market Share Analysis: Semiconductor Intellectual Property, Worldwide, 2010(2011.3.30)’ p.5

3) ‘Using Fusion, IGLOO, and ProASIC3 RAM as Multipliers’ Application Note AC241, Microsemi, 2008

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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