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신뢰할 수 있는 견고한 태양광 인버터 설계하기
정환용 기자 | 승인 2017.09.12 10:28

[EPNC=정환용 기자] 지독하게 더운 여름, 대부분의 사람들은 더위를 피하기 위해 에어컨이 있는 집으로 숨는다. 하지만 날씨가 선선해졌을 무렵 전기요금 고지서를 받으면, 에어컨이 제공한 일시적 안락함을 위해 이만한 비용을 지불해야만 하는지 자문하게 된다.

에어컨은 태양과 태양열을 피하기 위한 임시방편일 뿐이다. 엔지니어로서 이를 해결하기 위해 열을 이용한 해결책을 생각해보기로 했다. 비싼 전기 에너지를 대량으로 소비하기보다는, 지붕 위에 태양광 패널을 설치하고 에어컨을 가동한다면 훨씬 더 효율적일 것이다. 다행히 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 부분에 대해서도 발전이 필요하다. 전력 반도체도 중요한 측면 중의 하나다. 태양광 패널은 DC 전압을 발생시키는데, 송전·배전 시스템은 AC로 이뤄지므로 전력 인버터가 필요하다.

태양광 전력 시스템의 비용 요건을 충족하기 위해, 미국의 에너지부(Department of Energy, DOE)에서는 ’선샷 이니셔티브’(Sunshot Initiative)란 프로그램의 일환으로 다음과 같은 요건을 제시했다.
▲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 비용으로, 초기 자본 비용과 사용기간 동안에 드는 작동·유지보수 비용을 포함한다)

선샷 이니셔티브에서 정의하고 있는 목표 요건들을 충족하는 것은 결코 쉽지 않다. 이런 요건들을 충족하기 위해서는 핵심을 최적화해야 할 뿐만 아니라, 모든 부분들을 신중하게 고려해야 한다. 신중한 설계로써 큰 영향을 미칠 수 있는 한 부분이 절연 경계다. 저전압 DC와 위험한 고전압 AC 사이의 인버터 연결을 위해서는 갈바닉 절연을 필요로 한다. 이런 경우에 전력 FET 또는 IGBT가 게이트 신호를 발생시키는 컨트롤러로부터 절연 장벽의 반대편에 자리를 잡을 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 종속적이다. [그림 1]의 시험 데이터에서 볼 수 있듯, 시스템의 나머지 부분들에서 전압 허용오차에 대한 설계 마진을 완화할 수 있다. 또한, [그림 1]에선 UCC21520이 경쟁 제품에 비해 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 상관없이 스마트하게 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 제공한다. 

UCC28700과 같은 일차측 플라이백 컨트롤러는 최소한의 외부 회로를 사용해 향상된 알고리즘을 구현함으로써 제어 체계의 성능과 효율을 극대화한다. 나아가 UCC28910은 700V 전력 FET과 컨트롤러를 단일 디바이스에 통합함으로써, 바이어스 전원의 크기를 추가적으로 더 축소할 수 있다.

 

작성: 에릭 패러키(Eric Faraci), 텍사스인스트루먼트

#태양광#인버터#TI

정환용 기자  hyjeong@epnc.co.kr

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