배터리 에너지 저장 시스템의 응용 및 솔루션

에너지 저장 시스템(ESS)은 저탄소 세계를 구축하는 데 중요한 역할을 하며, 가장 빠르게 성장하는 산업 응용 분야 중 하나입니다. 이러한 성장을 촉진하는 주요 요인으로는 여러 국가의 탈탄소 목표에 부합하는 공격적인 정책, 태양광과 같은 재생 가능 에너지 원의 저장 및 제어에 대한 수요 증가, 리튬 이온 배터리의 지속적인 비용 하락 등이 있습니다. 이 기사에서는 ESS의 아키텍처 및 onsemi가 제공하는 제품과 솔루션을 소개합니다.

ESS는 널리 연구된 응용 분야로, 전기화학적 저장(배터리), 기계적 저장(압축 공기), 열 저장(용융염)과 같은 방법을 통해 에너지를 저장합니다. 이 기사에서는 태양광 인버터 시스템에 연결된 배터리 저장 시스템에 초점을 맞출 것입니다.

배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 주거 및 상업 부문에서 널리 사용되고 있습니다. 주거 애플리케이션에서 BESS는 예기치 못한 정전 방지 및 저가 기간에서 고가 기간으로 에너지를 이동하여 비용 절감에 기여하는 백업 전력원 역할을 할 수 있습니다. 더 큰 상업 시스템의 경우 BESS는 태양광 인버터가 생성하는 무료, 깨끗한 에너지를 효율적으로 저장하고 관리하여 저탄소 배출을 달성할 수 있습니다. 현재 BESS의 또 다른 주요 특징으로는 전기차 충전에 대한 수요 증가로 인한 전력망 압력을 완화하는 능력이 있습니다.

BESS는 배터리 팩, 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 변환 시스템(PCS), 에너지 관리 시스템(EMS)으로 구성되어 있으며 상업용 및 주거용 애플리케이션에 적합합니다. 배터리 팩은 배터리 셀로 구성되어 있으며, 랙 또는 뱅크에 고전압 모듈을 통합하여 더 높은 용량을 달성합니다. 일반적으로 충전 및 방전 전압 범위는 배터리 전압 및 회로 토폴로지에 따라 50V에서 1100V입니다. BMS는 충전식 배터리가 안전 작동 영역(SOA) 내에서 작동하도록 보장하고, 작동 상태를 모니터링하며, 실시간 데이터를 계산 및 보고하여 더 긴 운용 수명을 달성하는 전자 시스템입니다. PCS는 배터리 팩을 그리드 및/또는 부하에 연결하여 양방향 에너지 변환을 수행하는 또 다른 중요한 하위 시스템입니다. 이는 시스템의 비용, 크기 및 성능을 크게 결정합니다. EMS는 발전 또는 전송 시스템의 성능을 모니터링, 제어 및 최적화하기 위해 그리드 운영자가 사용하는 소프트웨어 기반 컴퓨터 지원 시스템입니다.

IGBT와 비교할 때, SiC 디바이스는 고전압, 고전류 애플리케이션에서 고주파 스위칭을 가능하게 하는 등 더 많은 장점을 갖추고 있습니다. IGBT는 여전히 BESS 설계의 선호되는 선택이지만, 특정 섹션에 SiC 디바이스를 결합하면 다른 스위칭 전략을 고려했을 때 뛰어난 성능을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, A-NPC를 사용하는 양방향 인버터에서 전용 스위칭 전략이 내부 스위치에 고주파 스위칭을 요구하는 경우, 스위칭 손실을 줄이기 위해 내부 부분에 SiC 디바이스를 선택할 수 있으며, 나머지 스위치는 비용을 관리 가능하게 유지하기 위해 낮은 VCE_(SAT) IGBT를 사용할 수 있습니다.

PCS에서 일반적으로 사용되는 양방향 토폴로지인 3레벨 I-NPC와 3레벨 ANPC는 증가하는 출력 전력에 맞추어 설계되었습니다. 2레벨 토폴로지와 비교하여, 3레벨 토폴로지는 더 많은 구성 요소, 구동 신호 및 더 복잡한 제어 구조가 필요합니다. 그러나 그 이점은 명확합니다: 3레벨 구성의 목표는 적용 전압을 절반으로 줄여 전력 손실과 전류 리플을 감소시키고, EMI 성능을 향상시키는 것입니다.

NXH800H120L7QDSG는 onsemi의 새로운 QDual3 1200 V 800 A 하프 브리지 IGBT 전력 모듈입니다. 통합된 Field Stop Trench 7 IGBT와 Gen.7 다이오드는 낮은 도통 손실과 스위칭 손실을 제공하여 설계자가 높은 효율성과 뛰어난 신뢰성을 달성할 수 있도록 지원합니다. 여러 QDual3 모듈을 병렬로 연결하면 3레벨 ANPC 모듈을 형성할 수 있으며, 시스템 출력 전력은 1.6 MW에서 1.8 MW에 도달할 수 있습니다.

DESAT(탈포화)는 고전력 변환에서 중요한 보호 기능 중 하나입니다. 이는 스위치를 가능한 한 빠르게 차단하여 단락으로 인해 IGBT/MOSFET이 손상되는 것을 방지합니다. NCD57000은 탈포화 감지 기능을 통합하며, V_CESAT 이 목표 값에 도달하면, 내부 STO(소프트 턴오프) MOSFET이 활성화되어 게이트 커패시터를 방전시키고, 높은 dV/dt로 인한 과도 전압 스트레스와 손실을 줄입니다. 추가로, 이 단일 채널 게이트 드라이버는 높은 소스/싱크 전류(4 A/6 A), 5 kVrms 갈바닉 절연, UVLO 및 액티브 밀러 클램프와 같은 다른 보호 기능을 특징으로 합니다.

다음은 배터리 에너지 저장 시스템 애플리케이션을 위한 onsemi의 주요 제품들입니다. 먼저, 보조 전원 공급 장치는 일반적으로 1차 측 조정이 있는 QR(Quasi-Resonant) 플라이백 토폴로지를 사용하여 설계됩니다. NCP1362는 저전력 오프라인 SMPS를 위한 1차 측 PWM 컨트롤러입니다. NCP1362를 사용하는 주요 이점은 옵토커플러 피드백을 필요로 하지 않아 전원 공급 장치의 신뢰성을 향상시킨다는 점입니다. 또한, VDS가 낮을 때 스위치를 끄는 기능을 통해 효율성을 개선하고 열을 줄입니다. NCP1362는 2차 피드백 회로가 필요 없는 1차 측 QR 플라이백 컨트롤러이며, 계곡 잠금 QR 피크 전류 모드 제어를 수행할 수 있고, 경부하 효율과 대기 성능이 최적화되어 있습니다.

분산 에너지 저장 시스템은 수백 개의 PCS와 제어 장치로 구성될 수 있습니다. 현대의 지휘 센터는 증가하는 노드와 컴퓨팅 수요를 충족하기 위해 더 복잡한 연결 솔루션이 필요합니다. onsemi의 NCN26010은 802.3cg 표준을 준수하는 시장 최초의 컨트롤러 중 하나입니다. 이 제품은 IEEE 802.3cg의 소음 면역 수준을 초과하는 뛰어난 소음 면역성을 제공하며, 50미터 이상의 범위를 지원하고 필요한 배선의 최대 70%를 줄임으로써 설치 비용을 최대 80%까지 절감하고 소프트웨어 유지 보수 비용을 낮춥니다.

EliteSiC 1200 V MOSFET는 고온 작동에 최적화된 1200 V M3S 평면 SiC MOSFET의 새로운 시리즈로, 고주파 작동을 위한 기생 용량이 개선되었습니다. V_GS = 18 V일 때, R_DS(ON) = 22 mΩ이며 초저 게이트 전하(Q_G(TOT)) = 137 nC를 제공합니다. 고속 스위칭, 낮은 용량(C_OSS = 146 pF)을 특징으로 하며, Kelvin Source를 사용하는 4핀 패키지를 사용합니다.

Field Stop VII 1200 V IGBT는 트렌치 좁은 메사와 양성자 이식 다중 버퍼를 갖춘 새로운 1200 V 트렌치 Field Stop VII IGBT 시리즈로, 빠른 전환 속도와 낮은 V_CE(SAT) 유형을 제공합니다. 이는 고주파 운영을 위해 기생 용량을 개선하며, 일반적인 패키지를 특징으로 합니다. 주요 대상 응용 분야는 에너지 인프라와 공장 자동화입니다.

Field Stop VII IGBT PIM NXH800H120L7QDSG는 Field Stop Trench 7 IGBT와 Gen.7 다이오드를 통해 높은 효율성과 제어 기능을 제공합니다. 이 제품은 1200 V, 800 A 2-in-1 하프 브리지 구성을 지원하며, 주요 경쟁 제품에 비해 10% 더 높은 전력 밀도와 10% 더 낮은 에너지 손실을 제공합니다. 또한 낮은 열 저항, 절연 베이스 플레이트, NTC 서미스터, 납땜 가능 핀, 필요 시 프레스 핏 핀, 그리고 낮은 인덕턴스 레이아웃을 특징으로 합니다.

게이트 드라이버를 선택할 때는 전류 구동 능력, 오류 감지, 노이즈 면역, 전파 지연, 호환성 등과 같은 요소를 고려하는 것이 중요합니다. 하지만 이러한 요소들이 모든 애플리케이션에서 똑같이 중요한 것은 아닐 수 있습니다. 예를 들어, IGBT와는 달리, SiC MOSFET의 출력 특성은 가변 저항과 더 유사하며 포화 영역이 없어서 일반적인 디세튜레이션 감지 원리가 작동하지 않습니다. 한 가지 해결책으로 과전류를 감지하기 위해 전류 센서를 사용하거나 비정상적인 온도를 감지하기 위해 온도 센서를 사용할 수 있습니다.

NCP51561은 4.5A/9A 소스/싱크 피크 전류를 가지는 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버입니다. 이 드라이버는 36 ns의 일반적인 전파 지연 시간과 최대 5 ns의 지연 매칭을 특징으로 하며, ANB를 통해 단일 또는 듀얼 입력 모드를 지원합니다. 5 kV 갈바닉 절연을 지원하며, CMTI는 ≥ 200 kV/μs입니다. SOIC-16WB 패키지로 제공되며, 크리프 거리(거리지)는 8mm입니다.

NCD57080 / NCD57090은 6.5A 소스/싱크 피크 전류를 갖춘 단일 채널 절연 게이트 드라이버입니다. 이 드라이버는 분리된 출력 활성 밀러 클램프 또는 네거티브 바이어스 버전을 제공하며, 3.3V, 5V 및 15V 로직 입력을 지원하고, 3.5 kV 갈바닉 절연을 제공합니다. 이들의 CMTI는 ≥ 100 kV/μs입니다. NCD57080은 4mm 크리프 거리의 SOIC-8 패키지로 제공되며, NCD57090은 8mm 크리프 거리의 SOIC-8WB 패키지로 제공됩니다.

NCD57100은 7A 소스/싱크 피크 전류, UVLO, DESAT 보호 기능을 갖춘 단일 채널 절연 게이트 드라이버입니다. 이 제품은 음의 VEE를 포함한 넓은 바이어스 전압 범위를 지원하며, 3.3V, 5V, 15V 로직 입력과 호환됩니다. 또한 3.5 kV의 갈바닉 절연을 제공하며 CMTI가 ≥ 100 kV/μs입니다. 드라이버는 8mm의 크리피지 거리를 가진 SOIC-16WB 패키지로 제공됩니다.

일반적인 양방향 AC-DC 컨버터의 토폴로지에서 삼상 풀 브릿지 컨버터는 간단한 회로, 쉬운 제어, 그리고 적은 부품 수를 특징으로 합니다. 그러나 스위치는 전체 버스 전압과 스파이크를 견뎌야 하며, 높은 용량의 변압기를 필요로 하여 비용과 최종 시스템 크기를 증가시킬 수 있습니다. THD와 인덕터 크기를 줄이기 위해 광대역 갭 부품이 선호됩니다.

단상/삼상 토템폴 컨버터는 효율성, EMI 및 THD를 개선하고, 사이클당 스위칭 이벤트의 수를 줄일 수 있습니다. 스위치 수가 적고 전력 밀도가 높지만, 복원 손실을 최소화하기 위해 광대역갭 부품이 필요합니다. 또한 영교차점 노이즈와 공통 모드 노이즈를 나타냅니다.

삼상 삼레벨 컨버터는 삼레벨 구성으로 채택되며, 특정 스위치의 THD와 전압 스트레스를 줄일 수 있습니다. 더 많은 게이트 드라이버와 더 복잡한 제어가 필요하지만 더 나은 효율성과 높은 비용을 제공하며, 태양광 인버터 설계에서 입증된 구성입니다.

일반적인 양방향 DC-DC 토폴로지에서, 벅-부스트 컨버터는 충전/방전 전압 범위를 확장하여 배터리 활용도를 향상시킬 수 있습니다. 충전 및 방전 시 양방향 전력 변환을 달성할 수 있으며, 더 적은 부품을 사용하고 제어가 용이합니다. 부품 선택은 배터리 전압에 따라 달라질 수 있습니다.

듀얼 액티브 브리지 컨버터는 높은 부하에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하기 위해 위상 이동 변조로 작동할 수 있습니다. 두 단계에서의 전류 불균형은 예기치 않은 손실을 초래할 수 있습니다. 예상 효율을 달성하기 위해서는 위상 이동, 변압기 및 주파수에 대한 복잡한 설계가 요구됩니다. 고주파/고전압 동작에서는 와이드 밴드갭 부품이 선호되며, 이는 출력 전류 리플을 감소시켜 출력 커패시터 크기를 최소화합니다. 이는 고출력 응용 분야에서 안전을 위한 격리형 변환을 지원하는 선호 선택입니다.

CLLC 공진 컨버터는 하나의 커패시터를 추가하여 LLC 기반의 양방향 변환을 달성할 수 있습니다. 복잡한 주파수 조정과 수동 선택을 통해 양방향 모두에서 높은 효율을 달성합니다. 넓은 출력 범위를 달성하기 위해 추가 DC-DC 변환이 필요하며, 이는 우수한 효율을 보장합니다. 전체 부하 범위에서 DAB보다 더 나은 효율을 제공하며, 안전을 위한 절연 변환을 지원합니다.

onsemi는 양방향 AC-DC 및 양방향 DC-DC 컨버터, 절연 게이트 드라이버, 전력 관리, 신호 조절 및 제어, 로직 및 메모리, 인터페이스 등 배터리 에너지 저장 시스템을 위한 완전한 제품 라인을 제공하여 고객의 원스톱 쇼핑 요구를 충족합니다.

배터리 에너지 저장 시스템은 현대 에너지 구조에서 중요한 역할을 합니다. 이는 재생 가능 에너지의 활용 효율을 효과적으로 높일 뿐만 아니라, 전력망의 안정성과 전기의 유연성을 위해 신뢰할 수 있는 지원을 제공합니다. 지속적인 기술 혁신으로 에너지 저장 시스템의 안전성, 수명 및 비용 효율성이 지속적으로 향상되고 있으며, 주거, 상업, 산업 및 대규모 전력 인프라 등에서의 광범위한 적용을 촉진하고 있습니다. onsemi는 배터리 에너지 저장 시스템 설계에 필요한 완전한 제품 라인을 제공하여 관련 애플리케이션 제품의 설계 속도를 가속화하고 시장 기회를 확보할 수 있도록 돕습니다.