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글/ 케인 지아(Kane Jia), 온세미(onsemi) 애플리케이션 마케팅 엔지니어

배터리는 피크 시간대에 태양광, 풍력 등 재생가능한 자원에서 생산된 에너지를 저장할 수 있다. 이는 에너지 생산에 있어 환경 조건이 좋지 않을 때에 활용할 수 있다. 이 글에서는 주거용 및 상업용 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 토폴로지를 검토한다. 그리고 실리콘 MOFSET 또는 IGBT 스위치를 대체해 BESS의 성능을 향상시킬 수 있는 온세미의 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) 솔루션에 대해 알아본다.

그림 1. BESS 실행 개요

BESS 이점

가장 일반적으로 사용되는 에너지 저장 방법은 4가지로 전기화학, 화학, 열, 기계이다. 가장 잘 알려진 전기화학 저장 장치인 리튬 이온 배터리는 높은 전력 밀도, 효율성, 컴팩트한 폼 팩터, 모듈성을 자랑한다. 또한 리튬 이온은 성숙한 배터리 기술로 안정적이고 저렴하다. 리튬 이온 배터리의 가격이 지속적으로 하락하면서 에너지 저장 시스템에서 리튬 이온 배터리의 사용이 증가하고 있다. 온그리드 또는 오프그리드 태양광 인버터 시스템을 배터리 스토리지와 함께 사용하면 주거용 및 상업용 사용자들에게 다음과 같은 이점을 제공한다. 

• 가격: 유틸리티 공급업체의 전기 요금이 높을 때, 저장된 에너지를 사용하여 전기 비용을 절감할 수 있다.

• 자급자족: 에너지를 저장해두면 그리드에 대한 의존도를 줄이거나 없앨 수 있다.

• 백업 전원: 저장된 전기는 주 전원 정전 시 대안을 제공한다.

BESS 주요 빌딩 블록

BESS에는 일반적으로 다음과 같은 네 가지 주요 블록으로 구성된다.

• 충전식 배터리 모듈: 공칭 전압 범위가 50V에서 1000V 이상인 랙 마운트(rack-mounted) 배터리 셀로 구성된다.

• 배터리 관리 시스템(BMS, Battery management system): BMS는 충전식 배터리를 보호하고 관리하며, 안전한 작동 매개변수 내에서 작동하도록 보장한다. 

• 전력 변환 시스템(PCS, Power conversion system): PCS는 배터리 팩을 그리드 및 부하에 연결하며, BESS의 비용, 크기, 전체적인 성능에서 중요한 요소이다.

• 에너지 관리 시스템(EMS, Energy management systems): 해당 소프트웨어는 발전 또는 송전 시스템을 모니터링하고 제어하며 최적화한다. 

주거용 BESS

BESS와 함께 사용되는 PCS는 에너지 결합 방식(AC 또는 DC)과 전력 수준(주거용 또는 상업용)에 따라 분류된다. DC 결합 시스템 또는 하이브리드 인버터는 한 단계의 전력 변환 단계만 필요하다. AC 결합 에너지 저장은 기존 태양광 또는 풍력 발전 시스템을 쉽게 업그레이드할 수 있지만, 배터리를 충전 및 방전하려면 추가 전력 변환 단계가 필요하다. 따라서 잠재적으로 더 많은 전력이 손실될 수 있다. 예를 들어, 기존 태양광 인버터 시스템에 주거용 PCS를 추가하여 생성된 에너지를 백업 배터리나 전력 가전제품 충전에 사용할 수 있다.

그림 2. 주거용 AC 결합(왼쪽)과 DC 결합(오른쪽) ESS

양방향 DC-DC 컨버터는 배터리 팩과 DC 링크를 연결한다. 단상 시스템의 버스 전압은 일반적으로 600V 미만이며, 충전 및 방전 전력은 10kW를 초과하지 않는다. 여기서 벅-부스트(buck-boost) 컨버터는 구성요소가 적고 제어하기 쉽기 때문에 가장 일반적으로 사용하는 양방향 DC-DC 토폴로지다. 이러한 유형의 양방향 시스템에는 병렬 다이오드를 내장한 2개의 650V IGBT 또는 MOSFET의 사용이 적합하다. 예를 들어, SiC 다이오드가 통합된 온세미의 FGH4L75T65MQDC50 650 V FS4 IGBT는 이러한 애플리케이션에서 낮은 도통 손실과 스위칭 손실을 제공한다. 

그림 3. 양방향 DC-DC위한 벅 부스트 

절연은 BESS 사용자의 안전을 보장할 수 있으며, DAB(dual active bridge converter) 또는 CLLC 토폴로지는 BESS 위한 절연형 양방향 DC-DC 컨버터 솔루션에 사용한다. 캐스케이드 프론트-엔드 벅-부스트 회로는 배터리 전압이 크게 변동하는 경우, 더 넓은 범위의 입력 및 출력 전압을 제공하는 데 사용할 수 있다. 또한 이러한 접근 방식은 무효 전력을 낮추고, 소프트 스위칭 영역을 늘린다. NTP5D0N15MC 150 V N-Channel Shield Gate PowerTrench MOSFET는 이러한 토폴로지 사용에 있어 매우 이상적이다. 

3상은 전력 수요가 많은 상업용 및 업무용 건물과 가정의 표준 전원 공급 방식이다. 3상 애플리케이션의 전원 장치는 최대 15kW까지 공급할 수 있는 동작 전압과 전류를 견뎌야 하며, 주거용 설비보다 더 높은 DC 링크 전압(최대 1000V)을 견뎌야 한다. 이는 이전에 고려했던 650V 스위치를 3레벨 대칭 벅-부스트 토폴로지의 1200V 디바이스로 대체하여 구현할 수 있다. 이렇게 대체하면, 스위치와 다이오드에 출력 전압의 절반만 나타나므로 스위칭 손실이 줄어든다. 또한 더 작은 인덕터를 사용할 수 있고, 보다 향상된 EMI 성능을 나타낸다는 이점이 있다. 하지만 이 방식은 더 많은 구성 요소가 필요해서 설계 복잡성, 제어 및 시스템 비용이 증가한다.

상업용 BESS

상업용 에너지 저장 시스템의 입력 및 출력 전력 범위는 일반적으로 100kW에서 2MW 이다. 이러한 대규모 설비는 수십 킬로와트에서 100kW 이상에 이르는 여러 개의 3상 하위 시스템으로 구성할 수 있다. 이 때, 기존 태양광 시스템의 버스 전압이나 배터리 전압에 따라 달라지는 최대 DC 전압이 중요한 사양이다. 표준 상업용 태양광 인버터의 DC 버스 전압은 일반적으로 1100V이지만, 유틸리티 규모 시스템에서는 최대 1500V까지 사용한다. 주어진 전력 수준에서 DC 버스 전압을 높이면 전류가 감소하므로 상호 연결되는 케이블 비용을 낮출 수 있다.

AC 결합 시스템은 기존 설계에 쉽게 추가할 수 있기 때문에 상업용 BESS에서 일반적으로 더 많이 사용된다. 한편 DC 결합 시스템은 일반적으로 원래 시스템 내부에 있고 전압과 전류가 높은 DC 버스에 연결해야 하기 때문에 특히 상업용에서 전기 개조에 대한 요구 사항이 상대적으로 높다. 3 레벨 I-NPC는 고전력 산업용 애플리케이션에서 인버터와 함께 일반적으로 사용되는 토폴로지다. 여기에는 4개의 스위치, 4개의 인버스(inverse) 다이오드, 2개의 클램핑 다이오드가 있으며 항복 전압이 실제 DC 링크 전압보다 낮다. 즉, 1100V 시스템에서 650V 스위치는 충분하다. 

그림 4. 3상 I-NPC 토폴로지

3레벨 토폴로지를 사용하면 여러가지 이점이 있다. 첫째, 스위칭 손실이 낮다. 스위치와 다이오드에 적용되는 전압의 제곱에 비례하다. 둘째, 전류 리플이 더 낮고 피크 간 전압이 전체 출력의 절반이므로 더 작고 저렴한 인덕터를 사용해 필터링하기 쉽다. 마지막으로, 전류 리플과 연결된 전도 EMI는 방사 방출과 마찬가지로 감소된다. A-NPC 토폴로지로 업그레이드하면 클램핑 다이오드 2개를 저손실 활성 스위치 2개로 대체하기 때문에 성능이 더욱 향상된다. 그러나 이 배열에서는 드라이버 페어링과 지연 매칭이 중요하고, 이 부분은 일부 애플리케이션에서는 단점이 될 수 있다. 

SiC 솔루션으로 향상된 BESS 성능

SiC는 실리콘보다 더 넓은 밴드갭, 더 높은 항복 전계(breakdown field) 강도, 더 높은 열 전도율과 같은 우수한 특성을 제공한다. 이러한 특징 덕분에 SiC 디바이스는 인덕터 크기에 따른 출력 전력의 균형을 맞출 필요 없이 더 높은 주파수에서 동작할 수 있다. SiC를 사용하면 동작 효율성이 향상되어 상황에 따라 강제 공기 냉각 대신 자연 냉각의 사용이 가능해진다. 

온세미의 650 V NTH4L015N065SC1와 NTBL045N065SC1 엘리트 SiC MOSFET은 에너지 저장 시스템 애플리케이션에서 실리콘 기반 스위치를 대체하는 데 있어 탁월한 선택이다. 1200 V NXH40B120MNQ0 듀얼 부스트 모듈과 NXH010P120MNF1 2팩(2-Pack) 하프 브리지 모듈과 같은 엘리트 SiC 전력 통합 모듈은 유틸리티 규모 시스템에서 더 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다. 또한 온세미는 게이트 드라이버, 전류 감지 증폭기, MACPHY 이더넷 컨트롤러와 같은 여러 다른 구성 요소를 제공하여, BESS 애플리케이션에서 사용할 수 있다.