반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

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

가정용 태양광 시스템은 향후 5년간 확산될 전망이다. 이를 통해 가전제품에 전력을 공급하고, 전기차를 충전하고, 전력을 그리드로 다시 전송하는 등 안정적이고 깨끗한 친환경 에너지원을 제공해 사용자는 많은 혜택을 누릴 수 있다. 본 기고에서는 가정용 태양광 시스템의 주요 구성 요소에 대해 알아보고자 한다. 그리고 태양광 시스템을 보다 효율적, 안정적, 저비용으로 만드는 온세미의 다양한 전력 솔루션의 특징에 대해서 설명한다.

가정용 태양광 인버터 시스템 개요

가정용 태양광 인버터 시스템은 가변 DC 전압을 생성하는 태양광(photovoltaic, PV) 패널 어레이로 구성된다. DC-DC 부스트 컨버터는 낮 시간 동안 햇빛의 강도와 방향에 따라 포집된 에너지를 최적화하는 MPPT(maximum power point tracking)라는 기술을 사용해 생성된 전압을 DC 링크 동작 레벨로 높인다. 마지막으로 단상 DC-AC 인버터는 DC-DC 부스트 컨버터의 DC 링크 전압(일반적으로 600 VDC 미만)을 부하 또는 전력망에 연결되는 AC 전압(120~240V)으로 변환한다. 

그림 1. 가정용 태양광 인버터 시스템 블록 다이어그램

가정용 태양광 인버터에는 여러 가지 유형이 있지만, 가장 일반적으로는 마이크로(micro) 인버터와 스트링(string) 인버터가 있다. 마이크로 인버터 태양광 시스템은 각각 하나의 태양광 패널에 연결된 여러 개의 DC-AC 인버터를 사용해 일반적으로 최대 1kW의 출력을 생산한다. 각 패널의 전압 레벨을 개별적으로 추적하기 때문에 효율적인 접근 방식이다. 또한, 마이크로 인버터 시스템은 필요한 에너지 용량에 맞게 쉽게 확장할 수 있다. 반면, 스트링 인버터 시스템은 직렬로 연결된 여러 태양광 패널의 입력을 결합해 수백 볼트를 제공한다. 그러나 여러 개의 태양광 패널을 연결하면, 마이크로 인버터 시스템보다 효율이 떨어질 수 있다. 예를 들어, 한 패널이 직렬로 연결된 다른 패널보다 빛을 덜 받으면 전체 시스템 출력에 영향을 미친다. 그러나 스트링 인버터 시스템은 일반적으로 각 패널마다 인버터가 필요한 마이크로 인버터 시스템보다 저렴하다. 

그림 2. 마이크로 인버터 시스템(좌), 스트링 인버터 시스템(우) 블록 다이어그램

MPPT가 통합된 DC-DC 컨버터인 파워 옵티마이저는 스트링 인버터 시스템의 효율을 높일 수 있다. 이는 PV 패널의 가변 DC 전압을 고정 DC 전압으로 변환하므로, 개별 패널의 낮은 PV 출력이 전체 시스템 효율에 영향을 미치지 않는다.

배터리 에너지 저장 시스템

배터리 에너지 저장 시스템(battery energy storage system, BESS)은 가정용 태양광 시스템의 또 다른 필수 구성 요소다. 태양광 시스템은 거주자가 일하는 낮 시간과 같이 에너지가 가장 적게 필요한 시간에 에너지를 수집한다. 리튬 이온 또는 납축 배터리를 사용해 이 에너지를 저장하면 가족이 집에 있는 저녁 시간과 같이 에너지가 필요할 때 유연하게 전력을 사용할 수 있다. 양방향 컨버터는 BESS를 태양광 시스템에 연결한다. 태양광 패널이 전력을 생산하면 컨버터가 배터리 어레이를 충전한다. 패널이 에너지를 생산하지 않는 밤에는 양방향 컨버터가 배터리에서 저장된 에너지를 방출해 부하를 구동한다. 또한, 로컬에 에너지를 저장하면 전력 부족이나 전력망 정전 시 백업 전원을 확보할 수 있어 더욱 안심할 수 있다. 모듈식 에너지 저장 시스템은 기존 시스템을 크게 수정하지 않고도 쉽게 추가할 수 있다.

DC-DC 부스트 컨버터

단일 부스트 DC-DC 컨버터는 가정용 시스템에서 가장 일반적인 비절연 토폴로지이며, 플라이백 컨버터는 절연이 필요한 경우에 널리 사용된다. 두 토폴로지 모두 비용이 저렴하고 폼 팩터가 좁다.

DC-AC 인버터

가정용 시스템에 사용되는 인버터는 다양한 토폴로지를 사용해 구성할 수 있다. 예를 들면, 온세미 NXH75M65L4Q1 IGBT 모듈이 탑재된 HERIC H6.5 컨버터가 있다. 이는 변압기가 필요하지 않아 전체 시스템의 무게, 크기, 비용을 줄일 수 있다. 또한, PV 어레이의 기생 용량에 작용하는 공통 모드(common mode, CM) 전압으로 인한 누설 전류를 완화하는 데에도 도움이 된다. 그리고 H-브리지 기반 접근 방식보다 더 높은 효율을 제공한다. 일반적으로 이와 같은 3레벨 토폴로지는 왜곡을 최소화하고 더 부드러운 출력 전압을 제공하기 위해 단상, 3상 애플리케이션 모두에 권장된다.

그림 3. H6.5 토폴로지는 가정용 태양광 인버터에 적합하다

양방향 DC-DC 컨버터

양방향 DC-DC 컨버터는 에너지 저장 시스템에서 배터리를 충전하고 방전한다. 일반적으로 공진형 CLLC 또는 듀얼 액티브 브리지 벅-부스트 절연 토폴로지를 사용한다. 이는 넓은 입출력 전압 범위를 지원하며 제로 전압 스위칭(ZVS)을 사용해 효율을 향상시킨다. 또한, 배터리 팩을 PV 패널에서 분리해 안전성을 제공하는 이점도 있다.

가정용 태양광 시스템 위한 IGBT

온세미는 가정용 태양광 시스템에 적합한 600V, 650V 정격 실리콘 IGBT를 제공한다. 이러한 IGBT는 좁은 메사(mesa), 넓은 트렌치 폭을 가지는 필드 스톱 4 (FS4) 기술을 통합해 래치 내성과 더 작은 게이트 커패시턴스를 제공한다. 필드 스톱 레이어는 차단 기능을 높이고 드리프트 레이어 두께를 줄여 전도와 스위칭 에너지 손실을 30μJ/A 미만으로 낮춘다. 더 얇은 IGBT 칩은 열 저항을 낮추고 좁은 메사는 전력 밀도를 높여, 동일한 전류의 IGBT를 더 작은 패키지에 구현할 수 있게 한다. FS4 IGBT 설계는 필드 스톱 3(FS3) 설계를 사용하는 컨버터보다 4kW 부스트 컨버터에서 더 나은 경부하 전력 효율을 제공하며, 성능은 다른 경쟁 디바이스와 동등하다.

그림 4. 4kW 부스트 컨버터에서의 필드 스톱 4(FS4) 효율

실리콘 카바이드, 가정용 태양광 성능 향상

실리콘 카바이드(SiC) 디바이스는 실리콘 기반 디바이스보다 더 나은 성능을 제공하면서 가정용 태양광 시스템에서 더 작은 인버터를 사용할 수 있다. 실리콘 IGBT에 비해 고주파 스위칭 시 턴온(Eon)과 턴오프(Eoff) 손실이 현저히 감소한다. 또한, SiC는 더 넓은 온도 범위에서 IGBT보다 우수한 안정성을 나타내므로 더욱 신뢰할 수 있다. SiC 디바이스는 빠른 스위칭 주파수에서 수퍼정션(Super Junction, SJ) MOSFET보다 EMI를 적게 발생시킨다. 고주파 동작 시 열 성능이 향상되고 스위칭 손실이 낮아 전체 시스템 풋프린트가 줄어들고, 더 가벼운 인버터 설계가 가능하다. 온세미 650V SiC 개별 MOSFET은 V_GS와 온도 모두에서 R_DS(ON)이 낮고, 음의 게이트 전압을 사용해 구동할 수 있다. 따라서 브리지 토폴로지에서 사용할 때 노이즈 내성이 향상되고 잘못된 턴온을 방지할 수 있다.

가정용 태양광 시스템 설계 가속화

온세미는 SECO-HVDCDC1362-40 W-GEVB 40W SiC 고전압 보조 전원 공급 장치와 같은 레퍼런스 설계를 포함해 태양광 시스템의 부품 선택을 간소화하는 광범위한 제품과 툴 포트폴리오를 제공한다. 여기에는 제품 개발 속도를 높이는 데 필요한 모든 문서(사용자 설명서, 자재 명세서, 거버(Gerber) 파일 등)가 포함된다. 또한, 온세미는 고급 시스템 평가와 개발을 수행하고자 하는 시스템 설계자를 위한 SPICE 모델도 제공한다. 이러한 SPICE 모델은 회로, 모듈, 다이 수준에서 스위칭 디바이스의 역회복 동작과 기생 효과를 조사하는 데 도움이 될 수 있다. 그리고 자체 발열 효과를 탐색하기 위한 열 시뮬레이션도 지원한다.

가정용 태양광 시스템, 지속 가능하고 신뢰할 수 있는 에너지원 제공

태양광 에너지의 생성과 저장은 주거 환경에서 탄소 배출을 줄이고 지속 가능한 에너지원을 구축하는 데 도움이 되는 필수 기술이다. 온세미의 실리콘, SiC 디바이스를 사용하면, 이러한 시스템은 더 낮은 비용으로 사용자의 요구를 충족하는 데 필요한 효율성과 신뢰성을 제공할 수 있다.