주거용 에너지 저장 솔루션으로 에너지 효율성 향상

주거용 에너지 저장 시스템(ESS)은 산업 및 전력 생산 환경에서만 적용되는 것이 아니라, 현재의 응용 및 시장 동향을 반영하여 주거 부문에서도 중요한 역할을 하고 있습니다. 주거용 ESS 솔루션은 더 낮은 전력을 요구하지만, 효율성과 안전성에 대한 요구는 산업용 응용과 비슷한 수준을 유지합니다. 이 글에서는 주거용 ESS 솔루션의 시장 동향과 Arrow와 Rohm이 소개한 SiC 관련 솔루션의 기능적 특징에 대해 알아봅니다.

전기 에너지를 저장하고 관리하기 위한 주거용 ESS 애플리케이션

주거용 ESS(에너지 저장 시스템)는 주거 환경에서 사용하도록 설계된 에너지 저장 솔루션입니다. 주된 목적은 전기에너지를 저장하고 관리하여 에너지 효율성을 개선하고, 에너지 비용을 절감하며, 에너지 공급의 안정성을 향상시키는 것입니다. 주거용 ESS 애플리케이션은 일반적으로 태양광 발전 시스템(광발전 시스템)과 연관되며, 태양광 패널은 보통 주택의 지붕이나 적합한 장소에 설치되어 햇빛을 직류(DC) 전기에너지로 변환합니다.   ESS는 또한 충전 컨트롤러를 필요로 하며, 이는 태양광 발전 시스템의 출력을 모니터링하고 에너지가 ESS로 흐르는 과정을 제어하는 역할을 합니다. 이를 통해 태양광 발전으로 생성된 전기에너지가 배터리에 저장되도록 보장합니다. 배터리는 ESS의 핵심 구성 요소로, 태양광 발전으로 낮 동안 생성된 전기에너지를 저장하여 밤이나 흐린 날에 공급할 수 있도록 합니다. 일반적으로 사용되는 배터리 기술로는 리튬이온 배터리(Li-ion)와 납축전지가 있습니다.   ESS는 또한 배터리에 저장된 직류(DC)를 가정 내 가전제품 및 조명에 사용할 교류(AC)로 변환하는 인버터가 필요합니다. 또한, 에너지 관리 시스템(EMS)은 가정의 에너지 소비 현황, 기상 예보, 전기 요금 등의 정보를 모니터링하고 이를 바탕으로 에너지의 사용 및 저장을 최적화하는 역할을 합니다. 이 시스템은 충전 및 방전 과정을 자동으로 제어하여 최적의 에너지 효율성을 보장합니다.   주거용 ESS는 전력망과 연계될 수도 있으며, 이를 통해 가정은 필요할 때 전기를 구매하거나 과잉 에너지를 전력망에 되팔 수 있습니다. 이런 양방향 에너지 흐름은 "양방향 계량(bidirectional metering)"이라 불립니다. 모니터링 시스템을 통해 주택 소유자는 에너지 시스템의 실시간 운영 상태를 확인할 수 있고, 에너지 생성 및 소비를 추적하며 운영을 원격으로 조정할 수 있습니다. 여기에는 ESS의 운영 모드 변경이나 충전 및 방전 시간 설정 등이 포함됩니다.   주거용 ESS의 구조는 특정 요구사항과 기술에 따라 조정되어 최적의 성능과 효율성을 보장할 수 있습니다. 이 시스템은 에너지 자립, 에너지 절약, 배출 감축을 달성하는 데 기여하며, 전력망이 중단될 경우 백업 전원으로도 작동합니다.   주거용 ESS 애플리케이션은 산업용 애플리케이션과는 요구사항이 다릅니다. 주거용 ESS는 일반적으로 10kW 미만의 전력을 필요로 하는 낮은 전력 수요를 가지며, 양방향 전력 변환을 지원해야 합니다. 또한, 고효율 AC/DC 토폴로지와 높은 전자기 적합성(EMC) 특성을 갖춰야 하고, 고효율 및 고안전 사양의 DC/DC 토폴로지를 자주 사용합니다. 주거용 ESS는 광범위한 버스바 전압(360V-550V)을 지원해야 하며, 보통 배터리는 DC 쪽에 위치합니다. 시스템 효율은 일반적으로 90%를 초과해야 하며, 신뢰할 수 있는 시스템 안정성이 필수적입니다. 크기와 무게를 줄이기 위한 높은 전력 밀도의 달성이 중요하며, 비용 절감도 고려해야 합니다. 또한 안전 기준, EMC, 소음 특성에 대한 높은 요구사항이 있습니다.

SiC 소자는 실리콘 소자보다 우수한 성능을 나타냅니다

위에서 언급한 요구 사항을 충족하기 위해 전력 변환에서는 일반적으로 실리콘 카바이드(SiC)를 사용합니다. 이는 SiC 장치가 높은 전류 및 고온 조건에서 시스템 효율성을 향상시키는 중요한 이점을 제공하기 때문입니다. SiC 소재의 높은 항복 전기장은 SiC 장치가 더 높은 전압에서 동작할 수 있게 하며, 이는 실리콘 장치와 비교할 때 더 높은 전압 허용치를 제공합니다. 이로 인해 SiC 장치는 전력 변환 응용에 특히 유용합니다.   추가적으로, SiC 장치는 더 높은 전자 이동도를 가지고 있어 고주파 응용에 우수합니다. 고주파 컨버터 및 전력 증폭기와 같은 응용의 경우, SiC 장치는 더 나은 성능을 제공합니다. SiC의 열전도율은 실리콘 장치의 세 배로, 크기와 무게를 줄이고 전력 밀도를 증가시키며 시스템 비용을 최적화할 수 있습니다. 단위 부피당 비용이 감소함에 따라 에너지를 양방향으로 안전하고 신뢰성 있게 변환할 수 있습니다. 이는 볼륨을 50% 줄이고 와트당 단위 비용을 감소시키는 목표를 달성할 수 있음을 의미하며, 같은 전력 수준에서 SiC 장치는 더 작은 부피와 더 가벼운 무게를 가집니다.   SiC 소재는 화학적으로 안정적이며, 부식성 물질에 의한 부식에 대한 민감성이 매우 낮습니다. 이러한 특성은 극한 환경 응용에서 SiC 장치를 더욱 적합하게 만듭니다. SiC 장치의 높은 이동도는 더 빠른 스위칭 속도를 가능하게 합니다. 이는 스위칭 손실을 줄이고 변환 효율성을 향상시키며, 장치 동적 특성을 개선하는 데 유리합니다.   SiC 에너지 저장 솔루션을 채택하면 제품의 크기를 작게 만들고 무게를 줄일 수 있습니다. 이는 더 높은 스위칭 주파수를 가능하게 하며, 더 작은 자기 장치의 사용으로 인해 더 작은 변압기/인덕터를 사용할 수 있습니다. 이에 따라 손실이 줄어들고 열 방출장치 성능이 향상됩니다. 동일한 전력을 실리콘 IGBT에 비해 더 작은 외함에 수용할 수 있습니다. 실리콘 IGBT와 비교했을 때, SiC는 전력 밀도(W/kg)가 두 배로 높아 고전력 밀도를 달성합니다. 더 적은 루프 제어를 가지는 간단한 양방향 컨버터 토폴로지를 활용할 수 있어 더 높은 효율을 제공합니다.   SiC 장치는 단위 부피당 낮은 온저항을 특징으로 하여 도통 손실을 줄일 수 있습니다. 또한 턴오프 시 낮은 도통 손실을 보여 전류 꼬리 현상을 제거하고 스위칭 손실을 낮춥니다. 바디 다이오드의 복구 손실도 매우 작으며, SiC 장치는 자재 명세서(BOM)를 줄이는 데 도움을 줍니다. 시스템은 견고하며 내구성이 뛰어나고 더 높은 신뢰성을 제공합니다.   500V 버스바 전압을 가지는 DC-DC 하이사이드 설계를 예로 들면, 고전압 측에서 1200V SiC와 IGBT를 조합하여 사용할 수 있습니다. 구동 전압은 15V/-2.5V이고 스위칭 주파수는 30kHz입니다. 회로의 다른 쪽에서는 650V SiC와 IGBT를 구동 전압 15V/-2.5V, 스위칭 주파수 76kHz로 사용할 수 있습니다. 고전압 측에서 SiC 장치를 사용할 경우 더 높은 효율을 얻을 수 있습니다. SiC 전력 장치는 15V 구동으로 작동하며 IGBT 전력 장치 솔루션과 호환됩니다.

양방향 DC/DC 전력 변환기의 설계 과제와 해결책

ESS(에너지 저장 시스템)을 위한 양방향 DC/DC 전력 변환기를 설계할 때는 다양한 과제를 해결해야 합니다. 예를 들어, 방전 모드에서는 정상 상태에서의 동작과 무부하 조건에서 저측 MOS의 Vds 스트레스 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 하나의 해결책은 변압기의 1차 측 유도 값을 200µH로 증가시키는 것입니다. 이 방법은 전압 스트레스를 25% 감소시키고 효율을 6%에서 7%까지 향상시킬 수 있습니다.   또한, 방전 모드 및 기동 시 Vds 전압 스트레스 문제를 해결해야 할 필요가 있습니다. 해결책은 입력 포트에서 PWM+PFM 하이브리드 제어를 사용하는 것입니다. 이를 통해 전압 스트레스를 27% 감소시킬 수 있으며, Vmax가 80V에서 124V에 도달합니다. 마찬가지로 방전 모드에서는 공진 커패시터 온도가 지나치게 높아지는 문제(96°C@2100W)가 발생할 수 있습니다. 커패시터 모델을 mkp21224/400VDC로 변경하면 공진 커패시터의 온도를 65°C@3000W로 낮출 수 있습니다.

다른 한편, 방전 모드에서는 작동 주파수가 갑자기 약 180kHz로 변할 수 있어 이득 곡선에 불안정을 초래할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해, SRMOS의 고정 도통 시간 주파수 지점을 180kHz보다 낮게 조정하여 이득 곡선의 안정성을 확보할 수 있습니다.

SiC MOSFET 제품은 DC-DC 설계 요구 사항을 충족합니다

Shenzhen Winchen Electronics와 Arrow가 지원하는 6600V 48V 양방향 고주파 절연 DC-DC 레퍼런스 디자인은 하나의 예를 제공합니다. 충전 섹션에서는 DC 버스바 충전 범위가 380-480 VDC, 충전 전류 ≤16A, 출력 전압이 40-60 VDC, 출력 전류 ≤140A, 최대 출력 전력이 6.6kW입니다. 충전 효율은 420V에서 95%에 도달할 수 있으며, 충전 전류 리플 계수는 1%입니다. 방전 섹션에서는 배터리 측의 전압 범위가 40-60 VDC, 배터리 측 전류 ≤140A, DC 버스바 전압 범위가 380-480 VDC, 최대 출력 전력이 6.6kW입니다. 방전 효율은 54V에서 94%에 도달할 수 있고, 버스바 전압 리플 계수는 1%입니다.   이 레퍼런스 디자인에서는 Buck_Boost 레귤레이터가 없는 경우 저전압 측 작동 범위는 43V-57V, 풀파워 작동 범위는 49V-57V, 최대 안정 출력 전류는 142A, 최대 단기 출력 전류는 150A (Vin = 420V, 저항 부하)입니다. Buck_Boost 레귤레이터가 있는 경우 저전압 측 작동 범위는 43V-57V, 풀파워 작동 범위는 49V-60V, 최대 안정 출력 전류는 145A, 최대 단기 출력 전류는 150A (Vin = 420V, 저항 부하)입니다. 이 레퍼런스 디자인은 Rohm의 SCT3030AR TO-247 패키지 SiC MOSFET 8개와 BM61S41RFV-C 게이트 드라이버 및 RJ1P12BBDTLL 파워 MOSFET을 사용합니다.   Rohm의 SCT3030AR은 650V Nch 4핀 패키지 SiC MOSFET으로, 서버, 태양광 인버터, 전기차 충전소와 같은 고효율을 요구하는 애플리케이션에 적합합니다. 이 제품은 열적 게이트 구조 SiC MOSFET으로 4핀 패키지에 독립된 전원 핀과 드라이버 소스 핀을 제공하며, 특히 고속 스위칭 성능을 최대화하고 전도 손실을 크게 개선합니다. 기존 3핀 패키지(TO-247N)와 비교하여 전체 전도 및 스위칭 손실을 약 35% 줄일 수 있습니다.   Rohm의 SCT3030AR은 낮은 온 저항, 빠른 스위칭 속도, 신속한 역복구, 쉬운 병렬 연결 및 간단한 드라이브를 특징으로 합니다. Pb-free 도금을 사용한 RoHS 표준 준수 패키지로 태양광 인버터, DC/DC 컨버터, 스위치모드 전원 공급 장치, 유도 가열, 모터 구동 등 다양한 애플리케이션에 적합합니다.   BM61S41RFV-C는 절연 전압이 3750 Vrms, 최대 게이트 드라이브 전압이 24V, 최대 I/O 지연 시간 65ns, 최소 입력 펄스 폭 60ns, 출력 전류 4A인 게이트 드라이버입니다. 저전압 잠금(Undervoltage Lockout, UVLO) 및 능동 Miller 클램프 기능을 갖추고 있으며 AEC-Q100 표준을 준수하며 SSOP-B10W 패키지로 제공됩니다. RJ1P12BBD는 낮은 온 저항과 소형 몰드 패키지에서 높은 전력을 제공하는 Nch 100V 120A 파워 MOSFET입니다. Pb-free 도금을 사용하며 RoHS 표준을 준수하고 할로겐 프리이며 UIS 테스트를 통과하였습니다.

결론

녹색 에너지가 국제 사회의 점차 많은 주목을 받으면서 주거용 ESS 애플리케이션의 급속한 발전을 촉진하고 있습니다. 이는 상당한 수의 전자 부품과 솔루션을 포함하며, 방대한 시장 기회를 나타냅니다. Arrow는 고객이 ESS 애플리케이션을 위한 DC-DC 솔루션을 개발할 수 있도록 지원할 수 있습니다. Rohm의 SiC MOSFET 및 관련 제품은 DC-DC 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 자세한 내용은 Arrow에 직접 문의하시기 바랍니다.