실리콘 카바이드가 친환경 대안을 선순환으로 이끕니다

태양이 태양광 성공에 빛을 비추다

국제에너지기구(IEA)는 2022년에 재생에너지 용량이 8% 증가하여 300GW를 초과할 것으로 추정합니다. 이 기구에 따르면 재생에너지 르네상스를 이끄는 것은 태양광 PV로, 글로벌 재생에너지 용량 증가의 60%를 차지할 것입니다. 이러한 성장은 일부 과제들이 점진적으로 해결되고 있는 것을 포함하여 여러 이유에 기인합니다.

패널에서 ESS 시스템 개요

태양광 아키텍처는 일반적으로 세 가지 구성으로 나뉩니다. 주거용 수준에서는 마이크로인버터가 1-4개의 패널 블록을 지원합니다. 스트링 인버터는 몇 킬로와트에서 약 50 kW까지의 패널 클러스터를 집계합니다. 50 kW에서 200 kW까지는 스트링이 통합되어 상업 및 산업 설치를 지원합니다. 메가와트 범위의 유틸리티 규모 설치는 대규모 중앙 집중식 시스템을 사용했지만, 이제는 설치 시간과 비용, 포인트 장애의 영향을 줄이고 전체 유지보수 비용을 절감하기 위해 분산 스트링 방식의 토폴로지를 선택하는 경우가 많습니다.

최대 전력 점 추적기(MPPT)는 DC-DC 부스트 회로로, 패널 배열에서 나오는 가변적인 전압을 받아 내부 버스에 일정한 높은 전압을 제공합니다(Figure 1). 보다 안정적인 DC는 인버터에 의해 그리드 표준 AC로 변환됩니다. ESS 구현에서는 양방향 DC-DC 버크-부스트 회로가 배터리 충전기로 작동합니다. ESS가 그리드에서 충전될 필요가 있다면, 인버터 또한 양방향으로 작동해야 합니다. 

실리콘 카바이드 기술 향상

실리콘 카바이드는 부스트/MPPT DC-DC, 양방향 인버터 또는 활성 프런트 엔드(AFE), ESS 충전/방전 회로에서 양방향 DC-DC 역할을 하여 낮은 1-kW부터 1-MW 이상의 구성까지 이 응용 분야에 적합합니다. 그리고 실리콘에 비해 다양한 장점을 제공합니다:

실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드는 오랫동안 MPPT 부스트 회로에서 효율성을 높이기 위해 사용되어 왔지만, 이제는 MOSFET이 포함된 전체 실리콘 카바이드 구현이 더 널리 채택되고 있습니다. 예를 들어, Wolfspeed의 CRD-60DD12N 15-kW-by-4-channel 부스트 컨버터 레퍼런스 디자인은 99.5%의 에너지 효율성과 78 kHz에서의 스위칭을 제공합니다. 실리콘을 사용할 때 달성 가능한 것과 비교할 때, 이 설계는 에너지 효율이 1~2% 더 높거나 손실이 약 70% 감소하며, 전력 밀도가 3배 증가하고 무게가 10배 줄어듭니다. 이 모든 성능이 더 낮은 시스템 구현 비용으로 제공됩니다.

실리콘 카바이드(Silicon Carbide)는 AFE 섹션에 유사한 영향을 미칩니다. 상대적으로 저렴한 비용과 단순성 때문에 일반적으로 여섯 개의 스위치를 사용한 실리콘 IGBT 구현이 사용됩니다(Figure 2). 그러나 스위칭 주파수는 최대 약 20kHz로 제한되며, 높은 전력 수준에서는 그보다 훨씬 낮아집니다. 실리콘 슈퍼 정션(Super Junction, SJ) 디바이스를 사용하는 다중 레벨 토폴로지는 고주파 스위칭과 우수한 시스템 효율성을 유지하면서 필요한 높은 전압 수준을 달성할 수 있지만, 추가적인 스위치 및 관련 디바이스 드라이버로 인해 복잡한 제어와 부품 수 증가 및 BOM 비용 증가를 감수해야 합니다. 이는 Wolfspeed의 CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 레퍼런스 디자인을 통해 입증되었습니다. 

ESS 분야에서 EV 시장은 배터리 팩을 200V부터 사용 가능하게 하고 잠재적으로 800-1000V로 이동하게 만드는 배터리 저장 트렌드에 영향을 미쳤습니다. 이러한 고전압은 양방향 DC-DC 컨버터에서 고전압 장치가 필요합니다. 설계자들은 일반적으로 650V SJ 디바이스를 복잡하고 다단계 공진 토폴로지에서 사용해왔으며, 실리콘의 경우 80kHz에서 120kHz 사이로 제한적인 스위칭을 수행할 수 있습니다. 대신, CRD-22DD12N 22-kW 양방향 DC-DC 충전기와 같은 간단한 전 실리콘 카바이드 구현은 부품 수와 전체 시스템 비용을 낮추면서 약 200kHz의 공진 주파수를 달성할 수 있습니다.

실리콘 카바이드 기반 양방향 AFE 및 DC-DC 충전기를 결합하면 여러 시스템 수준에서 이점이 발생합니다:

고출력 실리콘 카바이드로 구축된 미래

실리콘 카바이드 기반 시스템에 의해 여러 주요 단기 트렌드가 지원됩니다. 태양광 분야는 1500 V 버스로 이동하고 있으며, 이를 위해서는 2 kV 장치 또는 복잡한 다중 레벨 토폴로지가 필요합니다. 중앙 인버터 영역에서는 2 kV 이상의 범위에서 중~고전압 장치와 전력 모듈이 요구될 것입니다.

실리콘 카바이드는 오늘날의 중앙 인버터에서 사용되는 양극성 스위치와는 달리 단극성 스위치를 제공하여 동일한 효율성, 무게, 크기 및 비용상의 이점을 제공합니다. 이 새로운 기술은 또한 고체 상태 변압기, 풍력 발전, 견인 등 새로운 분야에도 영향을 미칠 것입니다.

다양한 실리콘 카바이드 디스크리트 장치와 전력 모듈이 현재의 요구를 충족하기 위해 제공되고 있지만, Wolfspeed는 미래 요구 사항을 충족하기 위해 새로운 제품을 시장에 선보이고자 R&D에 투자하는 전통을 계속 이어가고 있습니다.