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[테크플러스] 견고한 태양광 인버터 설계하기
박채균 기자  |  cgpark@it-b.co.kr
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승인 2017.09.12  14:36:43
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[아이티비즈 박채균 기자] 지독하게 더운 여름 날 대부분의 사람들은 더위를 피하기 위해 에어컨이 있는 집으로 숨는다. 하지만, 날씨가 선선해졌을 무렵 전기요금 고지서를 받고 지난 여름 에어컨이 제공한 일시적인 안락함을 위해 '이만큼의 비용을 지불해야만 하는가?'라고 자문하게 된다.

에어컨은 태양과 태양열을 피하기 위한 임시방편일 뿐이다. 이를 해결하기 위해 열을 이용한 해결책을 생각해보기로 했다. 비싼 전기 에너지를 대량으로 소비하기보다는 지붕 위에 태양광 패널을 설치하고 에어컨을 가동한다면 훨씬 더 효율적일 것이다.

이는 많은 사람들이 생각하고 있는 방법으로, 태양광 전력의 비용이 거의 전통적인 에너지원에 맞먹고 있다. 이점이 시사하는 바는 누구나가 이런 생각을 현실로 구현할 수 있게 되고 있다는 것이다.

현재 태양광 패널 자체에 대해 관심이 집중되고 있지만, 태양광 전력 에코시스템의 나머지 부분들에 대해서도 발전이 필요하다. 전력 반도체도 그러한 중요한 측면 중의 하나이다. 태양광 패널은 DC 전압을 발생시키는데 송전 및 배전 시스템은 AC로 이루어지므로 전력 인버터가 필요하다.

태양광 전력 시스템의 비용 요건을 충족하도록 하기 위해서 미국의 에너지부(DOE)에서는 ’선샷 이니셔티브(Sunshot Initiative)’라는 프로그램의 일환으로, ▲변환 효율: >98% ▲작동 수명: >25년 ▲전력 밀도: >100W/in3 ▲시스템 비용: <$0.10/W(전력회사), <$0.125/W(상업용), <$0.15/w (주거용). (이 비용은 전력 반도체 수명 전반에 걸친 비용으로서, 초기 자본 비용과 사용기간 동안에 드는 작동 및 유지보수(O&M) 비용을 포함) 등과 같은 요건을 제시했다:

선샷 이니셔티브에서 정의하고 있는 목표 요건들을 충족하는 것은 결코 쉽지 않다. 이러한 요건들을 충족하기 위해서는 핵심을 최적화해야 할 뿐만 아니라 모든 부분들을 신중하게 고려해야 한다.

신중한 설계로써 큰 영향을 미칠 수 있는 한 부분이 절연 경계이다. 저전압 DC와 위험한 고전압 AC 사이의 인버터 연결을 위해서는 갈바닉 절연을 필요로 한다. 이러한 경우에 전력 FET 또는 IGBT가 게이트 신호를 발생시키는 컨트롤러로부터 절연 장벽의 반대편에 자리잡을 수 있다.

TI의 UCC21520과 같은 강화 절연 게이트 드라이버는 다중의 기능들을 통합하고 절연 경계를 넘어 신호들을 전달할 수 있으며, 로직 게이트 신호를 여러 디바이스에서 단 하나의 실제 게이트 구동으로 변환할 수 있기 때문에 매우 유용하다.

UCC21520은 이와 같은 통합 측면의 이점뿐만 아니라 상단측과 하단측 사이의 전달 지연과 지연 매칭에 있어서도 앞선 성능을 자랑한다. 그럼으로써 더 빠르게 턴온하고 필요한 데드 타임을 줄이므로 스위치에 관련된 손실들을 줄일 수 있다. 데드 타임 때에 손실이 높은 다이오드가 전도하기 때문이다.

또한 이들 매개변수가 VDD에 대해서 덜 종속적이므로 그림 1의 시험 데이터에서 볼 수 있듯이, 시스템의 나머지 부분들에서 전압 허용오차에 대한 설계 마진을 완화할 수 있다. <그림 1>에서는 또한 UCC21520이 경쟁 제품에 비해서 VDD에 대해서 훨씬 더 선형적으로 동작한다는 것을 알 수 있다.

▲ <그림 1> TI의 UCC21520과 경쟁 제품의 VDD에 대한 상승/하강 전달 지연 비교

절연 경계를 건너야 하는 또 다른 디바이스는 보조 전원이다. 태양광 인버터가 AC 유틸리티 / 부하 또는 태양광(PV) 패널 상태와 상관 없이 '스마트'하게 작동되기 위해서는 인버터에 바이어스 전력을 공급하는 절연 전원 공급 장치가 필요하다. 이 스테이지가 절연 경계를 건너므로 절연 경계를 건널 수 있는 부품들을 필요로 한다. 옵토커플러가 아닌 일차측 컨트롤러를 기준으로 접지된 보조 권선을 통해서 출력을 레귤레이트하는 PSR (primary-side regulation)은 부품 수와 비용을 줄일 수 있는 좋은 방법이다.

또한, PSR은 서지 전압 동안 악명 높은 결함 지점을 제거하기 때문에 수명 연장이라는 부가적 이점을 UCC28700과 같은 일차측 플라이백 컨트롤러는 최소한의 외부 회로를 사용하여 향상된 알고리즘을 구현함으로써 제어 체계의 성능과 효율을 극대화한다. 더 나아가서 UCC28910은 700V 전력 FET과 컨트롤러를 단일 디바이스에 통합함으로써 바이어스 전원의 크기를 추가적으로 더 축소할 수 있다.

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