Wolfspeed SiC가 태양광 에너지 인프라를 변화시키다

전 세계적으로, 사회는 이용 가능한 곳에서 재생 에너지원으로 점점 더 전환하고 있습니다. 소비자 및 크고 작은 기업들은 태양광 에너지를 실용적이고 깨끗하며 편리한 에너지원으로 간주하고 있습니다. 태양광 패널을 사용한 태양광 에너지 수확은 소형 주택 지붕 설치부터 상업용 사무실 위와 같은 대규모 설치까지 확장 가능한 재생 가능 접근 방식을 제공합니다. 이 기사에서는 Wolfspeed SiC가 태양광 에너지 인프라를 어떻게 혁신하는지 살펴보겠습니다.

고효율 전력 변환의 중요성

태양 에너지를 수확하여 표준 AC 그리드 전압으로 변환하는 과정에는 여러 단계가 포함되며, 각 단계에서 손실이 발생합니다. 에너지 변환 손실은 폐열과 전압 감소와 같은 다양한 형태로 나타나지만, 전체적으로 변환 비효율을 초래합니다. 즉, 투입한 에너지보다 얻는 에너지가 적습니다.

효율적인 에너지 변환 아키텍처를 설계하는 것은 매우 중요합니다. 손실을 줄이기 위해서는 손실이 발생하는 지점을 정확히 이해하는 것이 필요합니다. 여기에는 I²R 도체 손실, 반도체 도통 손실, 관련 수동 부품에서 발생하는 손실이 포함됩니다. 열은 일반적으로 에너지 손실의 결과로 발생하며, 열 싱크나 강제 공기 냉각을 사용해 열을 방산해야 합니다. 이는 추가적인 무게와 비용을 발생시키며 전체적인 공간을 확대합니다. 또한 전자 부품을 고온에서 작동시키면 시스템의 신뢰성이 낮아져 비용이 많이 드는 가동 중단과 잠재적인 수익 손실로 이어질 수 있습니다.

실리콘 기반 반도체는 초기부터 지배적인 역할을 해왔지만, 더 작고 효율적이며 저비용의 전력 변환에 대한 필요성이 새로운 반도체 기술 연구를 촉진시켰습니다. 실리콘과 비교했을 때, 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 광대역갭 소재는 더 높은 스위칭 주파수와 더 높은 전압에서 작동하며, 더 넓은 작동 온도 범위를 가지고 있어 더 작고 더 컴팩트한 디자인과 시스템 수준에서 더 높은 전력 밀도를 제공합니다.

태양광 인버터 사용 사례 비교

실리콘 기반 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 역사적으로 태양광 및 에너지 저장 시스템에 사용되는 인버터 내부의 고전력 스위칭 트랜지스터로 사용되어 왔습니다. 그러나 Wolfspeed의 650 V 및 1200 V SiC MOSFET과 관련된 SiC 다이오드는 시스템 손실을 70%까지 줄이고, 60 kW 인버터의 경우 80%까지 경량화할 수 있으며, 시스템 비용을 최대 15%까지 절감하는 등 상당한 이점을 제공합니다. 또한, Wolfspeed의 SiC MOSFET는 온도에 따른 업계 최고의 Rds(on) 특성을 가지며 실리콘 대비 30% 낮은 최고 역회복 전류를 자랑합니다.

그림 1은 60kW 태양광 인버터 및 에너지 저장 시스템의 상위 수준 아키텍처를 보여줍니다. 800V 출력 MPPT 부스트, 400VAC 3상 인버터, 그리고 400V 배터리 충전/에너지 저장 시스템(ESS)으로 구성된 세 가지 기능 단계는 스위칭 반도체를 필요로 합니다. IGBT와 비교했을 때, Wolfspeed SiC MOSFET과 SiC 다이오드를 결합한 접근 방식은 전체 시스템 효율을 3% 개선하며, 이는 시스템 손실을 70% 감소시키는 것을 나타냅니다.

그림 2는 각 단계에서 효율성 증가, 전력 밀도 향상, 그리고 전력 손실 감소를 상세히 보여줍니다. 예에서는 Wolfspeed SiC MOSFET이 45kHz로 작동하는 반면, IGBT는 16kHz로 작동합니다.

Wolfspeed의 SiC MOSFET, 예를 들어 C3M0040120K 1200V 소자는 그림 2에 표시된 30kW 부스트 섹션에서 사용되며, IGBT보다 훨씬 높은 스위칭 주파수로 작동할 수 있어 더 작은 인덕터 및 커패시터 부품을 사용할 수 있게 합니다. 이로 인해 인버터의 크기 감소에 기여하게 됩니다. Wolfspeed의 SiC MOSFET을 보완하는 SiC 다이오드 중 하나인 C4D30120H는 1200V 쇼트키 다이오드로서 효율적인 페어 조합을 제공합니다. Wolfspeed의 SiC MOSFET와 SiC 다이오드를 사용해 설계된 인버터는 IGBT 기반 유닛보다 최대 80% 더 가볍습니다. 예를 들어, 60kW IGBT 인버터는 173kg(380.6파운드)인 반면, Wolfspeed 실리콘 카바이드 기반 인버터는 33kg(72.6파운드)입니다. 이러한 무게 감소는 설치 과정에서 큰 이점을 제공합니다. IGBT 시스템을 설치하려면 크레인과 여러 명의 인력이 필요하지만, SiC 인버터의 무게 감소 덕분에 설치 및 가동에 필요한 인원이 줄어들며 전체 구현 비용을 절감할 수 있고 과정이 훨씬 더 생산적으로 이루어집니다.

Wolfspeed의 SiC MOSFET을 사용하여 60 kW 삼상 태양광 인버터를 구축할 경우 얻을 수 있는 이점은 주택용 태양광 설치에 사용되는 소형 단상 인버터에도 동일하게 적용됩니다. 주택용 인버터에서 SiC는 인버터 설계를 간소화하며, Wolfspeed SiC MOSFET의 낮은 역회복 손실 속성으로 인해 80% 이상의 손실 감소 효과를 얻을 수 있습니다.

그림 4는 단상 7kW 주거용 인버터의 최대 전력 점 추적(MPPT) 부스트 컨버터 및 인버터 단계를 보여줍니다. 부스트 기능은 태양광 인버터 설계의 핵심 요소로, 패널에서 입력되는 전압이 날씨 변화에 따라 하루 동안 상당히 변동될 수 있기 때문입니다. 입력 전압을 일정한 400V로 부스트하여 인버터로 전달함으로써 시스템의 효율성을 높이고 인버터는 신뢰할 수 있는 220VAC 출력을 제공할 수 있습니다. Heric 토폴로지 인버터는 IGBT 장치를 사용하는 것보다 손실을 17% 줄일 수 있도록 650V SiC MOSFET인 Wolfspeed C3M0045065K 네 개를 사용합니다. 부스트 기능에는 Wolfspeed C6D16065D 650V SiC 쇼트키 다이오드를 사용합니다. 여타 실리콘 다이오드와 비교했을 때 Wolfspeed 다이오드는 역회복 변화를 전혀 보이지 않아 초고속 스위칭이 가능하며, 온도에 따른 최저 순방향 전압 강하 특성을 가지고 있으며 온도에 독립적인 스위칭 동작 특성을 제공합니다.

단상 태양광 인버터 개발을 가속화하기 위해 Wolfspeed는 60 kW 부스트 컨버터 참조 디자인을 제공합니다. CRD-60DD12N 참조 디자인에는 회로도, PCB 레이아웃, BOM이 포함되어 있으며, Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET 및 Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC 슈트키 다이오드를 사용합니다. 이 60 kW 디자인은 최대 78 kHz의 스위칭 주파수로 작동할 수 있으며 최대 99.5%의 피크 효율로 작동할 수 있습니다.

Wolfspeed SiC 설계 자료

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