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글 / 브랜든 베커(Brandon Becker), 온세미(onsemi) 와이드 밴드갭 제품 라인 매니저 

소비자, 산업체 및 정부는 모두 재생에너지 사용을 늘리기 위한 조치를 취하고 있다. 즉 전력 생산 및 분배 시스템을 중앙 집중화된 휠 앤 스포크(wheel-and-spoke) 아키텍처에서 지역화 된 발전 및 소비의 메시 기반 접근 방식으로 재편하고 있다. 이 접근 방식은 원활한 공급과 수요를 위해 스마트 그리드 상호 연결로 지원한다.

국제에너지기구(IEA)의 2019년 10월 보고서에 따르면, 재생 가능 전력 용량은 2024년까지 50% 증가할 것이고 한다. 이는 현재 미국의 설치된 용량과 맞먹는 약 1200GW의 전력 용량이다. 보고서에서는 이 성장의 60%가 태양광 발전(PV) 설치의 형태가 될 것으로 전망했다.

그림 1. 기술별 재생 가능 용량 증가율, 2019년~2024년

또한, 이 보고서는 소비자, 상업용 건물 및 산업 시설이 자체 전력을 생산하기 시작하면서 분산형 PV 발전 시스템의 중요성을 강조한다. 총 분산 PV 발전 용량은 2024년까지 두 배 이상 증가하여 500GW를 넘어설 것으로 예측된다. 이는 분산된 PV 발전이 전체 태양광 PV 성장의 거의 절반을 차지한다는 것을 의미한다.

그림 2. 2007년~2024년 부문별 분산 PV 용량 증가

태양광의 장점

태양광 발전이 재생 에너지 용량의 성장에 왜 주도적인 역할을 할까? 분명한 이유 중 하나는 태양이 우리 모두를 비추기 때문에 그 에너지를 매우 광범위하게 이용할 수 있다는 것이다. 이것은 발전을 소비에 가깝게 함으로 분배 손실을 줄이고, 전기를 독립된(off-grid) 위치로 공급하는 데 특히 유용하다.

다른 이유로는 태양 에너지가 굉장히 많다는 것이다. 지구가 태양으로부터 얼마나 많은 에너지를 받는지 계산하는 데에는 많은 차이가 있지만, 한 계산에 따르면 맑은 날 해수면에서 평균 평방미터당 1kW 또는 낮과 밤 주기, 입사각, 계절성 등을 고려할 때 하루에 평방미터당 6kWh이다.

태양 전지는 광자의 흐름에 따르는 광전 효과를 사용하여 지구에 전달된 입사 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 광자는 도핑된 실리콘과 같은 반도체 물질에 의해 흡수되며, 광자의 에너지는 분자 또는 원자 궤도에서 전자를 자극시킨다. 이러한 전자는 여분의 에너지를 열로서 방출하고 궤도로 돌아가거나, 전극으로 이동해 전류의 일부가 되어 전극 간의 형성된 전위차를 중화할 수 있다.

모든 에너지 변환 과정과 마찬가지로 태양 전지에 입력된 모든 에너지가 원하는 전기적 형태로 출력되는 것은 아니다. 사실, 단결정 실리콘 태양 전지의 효율은 수 년 동안 20~25% 사이를 맴돌았다. 그러나 태양광 PV의 기회는 매우 크기 때문에, 연구팀은 NREL의 도표에서 볼 수 있듯이 점점 더 복잡한 구조 및 재료를 사용해 수십 년 동안 셀 변환 효율을 높이기 위해 노력해왔다.

그림 3. 전 세계 최고의 연구 태양 전지 변환 효율성 – 1976년 ~ 2020년(NREL)  (출처: 미국 국립 재생 에너지 연구소, Golden, CO.)

표시된 더 높은 효율성은 일반적으로 여러 가지 다른 재료와 더 복잡하고 비용이 많이 드는 제조 기술을 사용하는 비용으로 달성된다.

많은 태양광 발전 설비는 다양한 형태의 결정성 실리콘 또는 실리콘 박막, 카드뮴 텔루라이드 또는 구리 인듐 갈륨 셀레나이드에 의존하며 변환 효율은 20% ~ 30% 사이이다. 셀은 설치자가 태양광 PV 발전 시스템을 구축할 때 기본 단위로 설계된 모듈로 구성된다.

효율성 문제

PV 변환은 지구 표면의 각 평방미터에 입사되는 태양 에너지 킬로 와트를 200W ~ 300W의 전기 에너지로 변환한다. 이는 물론 이상적인 조건이다. 셀 표면에 퇴적된 비, 눈, 먼지, 반도체 물질의 노후화, 초목의 생장이나 신축 건물에 따른 그늘 증가 등의 환경 변화에 의해 변환 효율이 저하될 수 있다.

따라서 실용적인 현실은 태양 에너지가 무료이지만, 유용한 전기 에너지를 생성하기 위해 태양 에너지를 사용하려면 포집, 저장 및 전기 에너지로 변환하는 모든 단계를 신중하게 최적화해야 한다는 것이다. 효율성 향상을 위한 가장 큰 기회 중 하나는 직접 소비 또는 전기 그리드를 통한 전송을 위해 태양 셀 어레이나 배터리 저장소에서 DC 출력을 AC 전류로 전환하는 인버터 설계에 있다.

인버터는 DC 입력 전류의 극성을 전환하여 AC 출력에 근접하도록 작동한다. 스위칭 주파수가 높을수록 변환 효율성이 높아진다. 단순 스위칭은 구형파(square wave) 출력을 생성하는데, 이는 저항 부하를 구동하는 데 적합하지만 순수한 사인파(sine-wave)로 구동되도록 설계된 복잡한 전자 장치의 경우, 이 장치를 손상시킬 수 있는 고조파를 가지고 있다. 따라서 인버터 설계는 효율성, 작동 전압 및 전력 용량을 높이기 위해 스위칭 주파수를 높이는 것과 구형파를 부드럽게 하기 위해 사용되는 보조 부품의 비용을 최소화하는 것 사이에서 균형을 맞추는 작업이다.

SiC의 장점

태양 에너지 관리에 있어, 실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘(Si) 대비하여 밴드갭(전자가 전기를 전도할 수 있도록 만드는 데 필요한 에너지의 양)의 여러 물질적 이점을 가지고 있으며, 이는 실리콘의 약 세 배 높다. 이것은 SiC 디바이스가 고장 나기 전에 실리콘보다 약 10배의 전기장을 유지하여 SiC 디바이스가 실리콘에 내장된 유사한 구조보다 훨씬 더 높은 전압에서 효율적으로 동작할 수 있음을 의미한다. 또한 SiC 디바이스는 실리콘보다 ON 저항, 게이트 전하 및 역 회복 전하 특성이 훨씬 낮고, 열전도율도 더 높다. 이러한 특성은 SiC 디바이스가 열 축적을 보다 효과적으로 관리하면서 실리콘 등가물보다 더 높은 전압, 주파수 및 전류에서 스위칭 할 수 있음을 의미한다.

SiC는 실리콘에서 실용적이지 않은 디바이스를 만드는 데 사용된다. MOSFET은 소수 캐리어를 사용하지 않는다는 의미인 유니폴라 디바이스이기 때문에 스위칭 애플리케이션에서 선호된다. 다수 캐리어와 소수 캐리어를 모두 사용하는 실리콘 바이폴라 디바이스는 실리콘 MOSFET보다 높은 전압에서 작동할 수 있지만 전환 시 전자와 정공이 재결합할 때까지 기다려야 하고 재결합 에너지를 방출해야 하므로 전환 속도가 느려진다.

실리콘 MOSFET은 최대 약 300V의 스위칭 애플리케이션에 널리 사용되며, 그 이상에서 디바이스의 ON 저항은 설계자가 더 느린 바이폴라로 대안으로 전환해야 하는 지점까지 상승한다. SiC의 높은 항복 전압은 저 전압 실리콘 디바이스의 빠른 스위칭 속도 이점을 유지하면서 실리콘에서 가능한 것보다 훨씬 더 높은 전압 MOSFET을 구축하는 데 사용할 수 있음을 의미한다. 스위칭 성능은 또한 상대적으로 온도와 무관하므로 시스템이 가열될 때 일관된 성능을 제공한다.

전력 변환 효율은 스위칭 주파수와 직접적인 관련이 있기 때문에, SiC는 실리콘보다 더 높은 전압을 처리할 수 있고 높은 변환 효율을 보장하는 데 필요한 고속으로 스위칭 할 수 있다는 점에서 두 개의 이점을 가지고 있다.

또한 SiC는 실리콘보다 열전도율이 세 배 높기 때문에 더 높은 온도에서 동작할 수 있다. 실리콘은 약 175C에서 반도체 역할이 멈추고 약 200C에서 전도체가 되는 반면, SiC는 약 1000C에 도달할 때까지 이런 일이 발생하지 않는다. SiC의 열 특성은 두 가지 방식으로 활용할 수 있다. 첫째, 동등한 실리콘 시스템보다 냉각이 덜 필요한 전력 변환기를 만들 수 있다. 더불어 더 높은 온도에서 SiC의 일관된 작동 사용은 공간이 중요한 차량 및 셀룰러 기지국과 같은 상황에서 매우 조밀한 전력 변환 시스템을 만들 수 있다.

그림 4. 태양광 부스트 회로의 효율성을 높이기 위한 SiC 디바이스(사진 제공: 온세미) 

태양광 변환을 보다 효율적으로 만드는 전력 부스터 회로에서 이러한 이점이 작용하는 것을 볼 수 있다. 이 회로는 가장 효율적인 변환을 위해 인버터에 필요한 입력 임피던스에 입사광 수준에 따라 달라지는 태양열 어레이의 출력 임피던스를 일치시키도록 설계됐다.

실리콘 다이오드와 MOSFET을 사용하는 가장 낮은 비용 접근 방식은 맨 왼쪽 다이어그램에 나와 있다. 중앙 다이어그램에 표시된 첫 번째 최적화는 실리콘 다이오드를 SiC 버전으로 교체하여, 회로의 전력 밀도 및 변환 효율을 높이고 시스템 비용을 줄이는 것이다. 실리콘 MOSFET을 SiC 등가물로 대체하면, 가장 오른쪽 다이어그램에 표시된 것처럼 설계자가 스위칭 주파수를 더 폭넓게 선택할 수 있어 회로의 변환 효율 및 전력 밀도가 더욱 향상된다.

TO220 및 TO247 패키지에서 최대 1200V 및 20A 정격을 지닌 온세미의 SiC 쇼트키(Schottky) 다이오드가 있다. 이는 또한 모듈 빌더를 위해 최대 1200V 및 50A 정격의 베어 다이를 제공한다.

D2PAK 및 TO247 형식의 광범위한 1200V SiC MOSFET도 있으며, 일반적인 RDS On 수치는 20mΩ까지 낮다.

온세미는 이러한 전력 통합 모듈과 같이 실리콘 IGBT 및 SiC 다이오드를 결합한 하이브리드 모듈을 제공한다. 40A/1200V IGBT 2개, 15A/1200V SiC 다이오드 2개, IGBT용 25A/1600V 안티패럴(anti-parallel) 다이오드 2개로 구성된 이중 부스트 스테이지가 있다. 추가적으로 2개의 25A/1600V 바이패스 정류기는 돌입 전류를 제한하며, 모듈은 서미스터에 의해 보호된다.

태양광 PV 설치에서 SiC를 활용하려는 사람들을 위해 온세미는 태양광 인버터용 2채널 또는 3채널 SiC 전용 부스트 모듈도 개발하고 있다.

SiC 전력 디바이스는 높은 전압과 고속, 낮은 손실 및 우수한 열 성능으로 전류를 전환하는 기능을 포함해 실리콘 대안보다 많은 이점을 제공한다. 현재 실리콘 대안이 사용 가능한 경우 유사 기준에서 실리콘 등가물보다 비용이 더 많이 들 수 있지만, 시스템 내 성능은 냉각 복잡성에서 이를 보상하는 것 이상으로 절약할 수 있다. 또한 효율성 논쟁이 있는데, 만약 IEA가 2024년까지 설치될 것으로 예상하는 모든 분산형 태양광 PV 시스템의 전력 변환 효율이 2%만 향상되도록 SiC를 배치하면, 10GW의 추가 용량이 생성될 것이다.