[사진 = Dreamstime ]

태양광발전에 대한 관심이 높아지고 산업 영역이 확산되면서 고효율 솔라 애플리케이션에 대한 수요도 늘어나고 있다. 태양광 인버터는 높은 발전 효율을 위한 핵심부품이기 때문에 에너지 소비가 적으면서도 효율이 높은 제품 생산을 위해 지속적으로 연구 개발되고 있다.

3레벨 토폴로지 기술의 장점은 높은 효율과 필터의 감소 두 가지가 있다. 몇몇의 멀티 레벨 토폴로지는 이미 태양광 인버터 시장에서 활용 중에 있다. 이글에서는 새로운 대안인 H6.5 토폴로지를 제시하고 작동원리, 효율 및 비용에 대해 H-bridge, HERIC, H6.5에 대한 벤치마크를 논의하고자 한다. 또한, 새로운 FlowSOL H6.5 모듈의 기능에 대해서도 소개한다.

3레벨 토폴로지에 대한 아이디어
태양광 인버터에 의해 발생된 정현파 전류는 그리드에 공급된다. 여기에서 펄스폭변조(PWM) 및 출력필터는 정현파 출력 전류를 생성한다. 이 2레벨의 주요 단점은 비교적 큰 출력 필터가 요구되고 프리휠링 동안 DC 캐패시터로 다시 에너지가 재생되는 것이다. 이 재생에너지는 인버터에 두 번 전달되는데 이는 효율을 떨어뜨리는 원인으로 지적되고 있다. 

H6.5 같은 3레벨 토폴로지는 반대로 필터링에 대한 노력과 스위칭 손실을 줄여준다. 3레벨 동작에 대한 아이디어를 보여주는 그림 1을 살펴보면, 두개의 스위치가 켜지고 에너지는 유효전력에서 출력으로 흐른다. 그 다음 프리휠링동안 두개의 다이오드를 통해 DC 캐패시터로 다시 흐르게 돼 시스템의 손실을 만든다. H6.5 및 HERIC와 같은 3레벨 토폴로지는 전체 손실을 줄이기 위해 프리휠링 단계에서 AC 출력과 DC 캐패시터를 분리하게 한다.

[그림1.] 3레벨 동작에 대한 아이디어

6.5, H5 및 HERIC 토폴로지 벤치마킹
HERIC 토폴로지는 3레벨 동작에서 낮은 정적손실과 유효전력 출력모드에서 전압손실이 2절연게이트형 양극성 트랜지스터(IGBT)에 불과하다는 장점을 갖고 있다. 또한, 프리휠링에서 전압손실은 1IGBT와 1다이오드(Diode)를 더한 값에 불과하며, 무효전력보드에서 전압손실은 2Diode 정도 된다. 다만 6IGBT와 6Diode가 결합된 복잡한 구조라는 것과 특허 등록돼 있다는 단점이 있다. 

H5 토폴로지는 스위치 사용이 비교적 적고, 5IGBT와 5Diode가 결합된 구조라는 장점이 있다. 하지만 높은 정적손실이 이뤄지고 유효전력출력모드에서 전압 손실이 3IGBT가 된다는 단점이 있다. 그 밖에 프리휠링에서 전압손실이 1IGBT+1Diode이며, 무효전력모드에서 전압손실은 3Diode에 달한다. 그리고 5th 스위치는 별도의 동작 전원이 필요하다는 것도 단점으로 인식되고 있다. 

H6.5 토폴로지의 장점은 3레벨 동작에서 낮은 정적손실을 보인다는 것과 유효전력출력모드에서 전압손실이 2 IGBT에 불과하다는 것이다. 또, 프리휠링에서 전압 손실이 1IGBT+1Diode 밖에 되지 않는다. 반면, 6IGBT와 56Diode 결합 구조라는 것과 무효전력모드에서 3Diode의 전압손실이 이뤄지는 것은 H6.5 토폴로지의 단점이다.

[그림2] 사진 왼쪽부터 HERIC토폴로지, H5토폴로지, 혁신적인 H6.5 토폴로지

1개 다이오드 적게 사용해 비용적 측면 유리
H6.5와 HERIC은 명확하게 역율 1에서 동일한 효율을 나타낸다. 역율 0.8에서 단지 0.02%의 차이가 발생하지만 H6.5는 HERIC보다 1개의 다이오드가 적게 사용되기 때문에 비용적인 측면에서 유리해 그 차이가 보상된다. H6.5와 H-bridge는 4kHz에서 0.14%의 효율차이를 보이고 스위칭 속도가 증가하면서 점점 더 큰 효율 차이를 보인다. 1/2 정격에서는 더 큰 차이를 나타낸다.

[그림3.]비용 벤치마킹

토폴로지 이용에 대한 벤치마킹 확인
태양광 시장은 가격 주도적이기에 한 구성 요소 비용에 대한 작은 변화조차도 시스템 비용에 큰 영향을 줄 수 있다. 이들 토폴로지의 경제성을 더쉽게 이해하기 위해 각각의 토폴로지 비용에 대한 벤치마킹 결과를 그림 3에서 확인할 수 있다. H-bridge 토폴로지는 단지 각각 4개의 IGBT와 다이오드가 필요하기 때문에 가장 낮은 가격대를 보인다. HERIC은 각각 6개의 구성요소가 사용돼 H6.5보다 약 5% 정도 비싼 가격대를 나타낸다. Fraunhofer-Gesellschaft는 HERIC에 대한 특허를 보유하고 있기 때문에 로열티도 고려해야한다.

이는 16~20kHz 주파수에서 더 의미가 있다. H-bridge는 고주파스위칭에서 손실이 더 증가하기 때문에 이를 해결하기 위해서 더 크고 비싼 전력반도체가 사용돼야 한다.

[그림 4] H6.5 동작원리

H6.5 토폴로지를 활용한 파워모듈에 필요한 요구사항
전력반도체를 직접 사용하는 파워모듈에는 여러 가지 요구사항이 수반된다. MPP 추적을 위해 1개 또는 2개의 Boost가 필요하며 새로운 H6.5 토폴로지 통합을 요구한다. 높은 스위칭 주파수가 요구되는 대신, 낮은 인덕턴스와 DC 스너버 캐패시터가 요구된다. 또한, 온도센서와 우수한 방열그리스도 갖춰야 한다. H6.5 토폴로지는 프리휠링 패스를 위해 공통 컬렉터 방식 또는 이미터 방식 두 가지로 구현될 수 있다. 

프리휠링 경로에서 공통 컬렉터를 사용할 경우 H-bridge 하이사이드 IGBT와 공통이므로 추가적인 전원 공급이 필요하지 않다. 이는 H-bridge와 같은 수의 드라이브 전원이 사용되는 것이다.  H6.5는 단상 태양광 인버터를 위한 새로운 3레벨 토폴로지로 특허된 솔루션의 대안이다. 이 새로운 토폴로지는 유효전력 및 무효전력모드 모두에 적합할 것으로 전망된다. 

빈코텍코리아 박 노 성 기술지원팀장

[솔라투데이 (st@infothe.com)]

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