태양광 인버터의 개발 동향 및 솔루션

전 세계적으로 녹색 에너지 촉진 및 탄소 감축 목표를 달성하기 위한 노력이 진행되는 가운데, 태양광 기술이 급속히 발전하여 재생 가능 에너지의 핵심 축으로 자리 잡았습니다. 이러한 기술 중에서 태양광 인버터는 태양광 패널에서 생성된 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 데 사용하는 핵심 장비로, 전체 발전 시스템의 효율성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 글에서는 태양광 인버터의 최신 개발 동향과 미래 에너지 전환 및 스마트 그리드의 과제를 해결하기 위해 onsemi가 도입한 혁신적인 솔루션에 대해 살펴봅니다.

문명이 지속적으로 발전하고 인구 밀도가 증가함에 따라 CO₂ 배출률을 제어하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 탄소 배출로 인한 지구 온난화는 기후 악화를 초래하며, 필연적으로 우리의 지구에 해를 끼칠 것입니다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위해 바람 및 태양광 에너지와 같은 청정 에너지원을 채택해야 합니다.

태양광 및 풍력 발전과 같은 재생 가능 에너지원은 탄소 배출을 줄이는 가장 효율적인 방법 중 하나입니다. 풍력 발전과 달리, 태양광 인버터는 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 오늘날 에너지 저장 시스템과 결합하여 사람들은 이 무료 에너지를 제어하고 저장할 수 있습니다. 태양광 인버터의 핵심은 고출력 변환 단계, DC-DC 승압 컨버터 및 DC-AC 인버터로 구성되어 있습니다. 전력 스위치의 발전과 최종 제품에서의 새로운 요구 사항과 함께 많은 새로운 토폴로지가 등장했습니다.

태양광 에너지의 주요 장점은 태양광 인버터 시스템이 설치되면 "무료" 에너지 원이라는 점입니다. 이 과정은 배출물이 없고 풍부하고 지속 가능한 자원인 태양에 의존하기 때문에 환경 친화적입니다. 태양광 에너지를 활용하면 기후 변화에 대처하고 화석 연료 의존도를 줄이며 신뢰할 수 있는 에너지원을 제공합니다. 또한, 전기 요금을 낮춤으로써 개인과 기업에게 장기적인 비용 절감 효과를 주는 경우가 많습니다.

태양광 인버터는 유형(중앙, 스트링, 마이크로) 또는 최종 용도(주거용, 상업용, 대규모 유틸리티)에 따라 다양한 카테고리로 구분됩니다. 현재 스트링 인버터는 유연성과 설치 용이성으로 인해 가장 인기 있는 유형입니다. 전력 장치의 지속적인 반복으로 인해 단일 인버터의 전력 수준/밀도가 증가하는 동시에 단가와 크기가 감소하여 태양광 인버터 시장에서 주류 선택으로 자리 잡고 있습니다.

중앙 태양광 인버터는 일반적으로 초고용량의 유틸리티 규모의 시설에 설치됩니다. 하지만 설치 위치의 제약으로 인해, 최근 몇 년간 중앙 인버터의 신규 설치 용량이 스트링 인버터에 의해 추월되었습니다. 주거용 전력 생산을 위해 사용되는 마이크로 태양광 인버터는 가로등과 교통 신호등과 같은 도시 인프라에 전력을 공급하기 위해서도 널리 배치되고 있습니다.

에너지 변환 효율성과 고출력에 대한 수요가 증가함에 따라 실리콘 카바이드(SiC)가 기존의 반도체를 대체하는 추세가 나타나고 있습니다. SiC는 효율성을 향상시키는 데 도움을 줍니다. 기존의 실리콘 기반 MOSFET/IGBT와 비교할 때, SiC 디바이스는 고전압 응용 분야에 더 적합합니다. 고전압 디바이스는 다단계를 필요로 하지 않아 회로의 구조를 간소화시킬 수 있습니다. SiC 인버터 솔루션은 IGBT 솔루션보다 손실이 적으며, SiC MOSFET은 더 빠르게 스위칭이 가능하여 특히 인덕터와 같은 수동 부품의 크기를 줄입니다. 이러한 두 가지 요소는 전력 밀도를 증가시켜 동일한 크기와 무게를 가진 장비에서 더 높은 출력을 가능하게 합니다. 그러나 제품 설계 과정에서 비용과 성능 간의 균형을 고려해야 하며, 가장 적합한 솔루션을 결정하기 위해 실제 요구 사항을 이해해야 합니다.

한편, SiC 다이오드 교체는 특히 DC-DC 단계에서 점점 더 일반화되고 있습니다. 이는 비용 감소, 회로 설계에서 필요한 최소한의 변경, 그리고 무엇보다 시스템 성능의 상당한 향상이 그 이유입니다. 추가적으로, 더 높은 주파수는 수동 소자의 크기를 줄일 수 있습니다.

고출력 제품(약 200kW 이상)의 경우, IGBT는 높은 전류 조건에서 우수하게 작동하고 시스템이 매우 높은 스위칭 속도를 요구하지 않기 때문에 선호되는 선택입니다. 이는 IGBT의 느린 턴오프 속도가 큰 문제가 되지 않음을 의미합니다. 반면, 전체 SiC 시스템은 완전히 새로운 시스템 설계를 필요로 하며, 이는 상당한 비용을 수반합니다. 예를 들어, IGBT 기반 변환기의 구동 회로는 SiC 기반 시스템과 호환되지 않습니다. 또한 SiC 부품은 IGBT에 비해 단락 회로 견딤 시간(SCWT)이 짧기 때문에 새로운 보호 방법도 고려해야 합니다.

높은 전력에 대한 수요가 증가함에 따라, 1100 V 문자열 대신 1500 V 문자열을 사용할 경우 전류가 낮아져 주어진 전력 수준에서의 연결 비용이 줄어듭니다. 이러한 추세를 충족하기 위해 더 높은 전압 스위치가 개발되었습니다. 고전압 스위치를 사용하든 다단계 토폴로지를 사용하든 태양광 인버터의 동작 전력을 크게 향상시킬 수 있습니다.

게다가, 3레벨 태양광 인버터는 최적화된 EMI 성능, 스위칭 손실, 그리고 인덕터 전류 리플로 인해 고전력 태양광 인버터에 종종 선호되는 선택입니다. 그러나, 이들은 또한 PCB 설계와 스위칭 스킴에 대한 도전 과제를 제기합니다. SiC의 발전과 함께 동작 전압이 ≥ 2000 V인 전력 모듈과 개별 전력 장치들이 개발되고 배치되었습니다. 대량 생산에 앞서 (다른 부품/액세서리에 대한 더 높은 요구와 같은) 몇 가지 격차가 여전히 존재하지만, 1500 V의 2레벨 시스템은 설계 및 제어 복잡성을 크게 줄이면서 최종 제품의 크기를 축소할 수 있습니다.

새롭게 떠오르는 또 다른 기회는 주로 주거용으로 사용되는 하이브리드 태양광 인버터로, 태양광 인버터의 버스에 연결된 추가 DC-DC 컨버터를 특징으로 합니다. 외부 DC-DC 컨버터는 배터리 팩과 연결되어 백업 에너지를 제공하거나 에너지 차익 거래를 가능하게 합니다. 이 새로운 시스템은 기존의 주거용 태양광 인버터와 유사한 형태의 케이스에 통합되어 있습니다.

시스템 구현 측면에서, 스트링 인버터 시스템의 주요 구성 요소는 태양광 패널 어레이, DC 링크 커패시터, 그리고 인버터(DC/AC 변환기)를 포함합니다. PV 스트링과 DC 링크 사이에는 종종 DC-DC 부스트 스테이지가 사용됩니다. 이 시스템은 주로 두 가지 기능을 수행합니다: PV 스트링의 출력 전압을 DC 링크 작동 수준으로 상승시키는 것과, 다양한 환경 및 태양광 조건에서 최대 전력 생산을 위해 최대 전력점 추적(MPPT) 기능을 구현하는 것입니다. PV 스트링이 DC 링크 작동 전압에 도달하면, 효율을 극대화하기 위해 DC/DC 컨버터가 (낮은 V_F 다이오드를 통해) 바이패스됩니다.

전력 및 전압 수준과 관련하여 인버터 단계는 단상 및 삼상 구성으로 제공됩니다. 단상 시스템은 지역에 따라 1 kW 미만에서 최대 10 kW까지 정격화되며, DC 링크 전압은 일반적으로 300 V에서 600 V 범위입니다. 삼상 시스템은 경상용 애플리케이션에 적합한 15 kW부터 유틸리티 규모 애플리케이션에 적합한 300 kW 이상까지 넓은 전력 범위를 포괄합니다. DC 링크 전압은 일반적으로 1100 V(주거, 상업 및 유틸리티) 또는 1500 V(상업 및 유틸리티)에서 작동합니다.

토폴로지 설계 측면에서 전력 반도체 솔루션은 전력 및 전압 수준의 다양한 범위에 걸쳐 다르게 나타납니다. 고전력 응용 분야에서는 IGBT, SiC MOSFET 및/또는 SiC/하이브리드 솔루션이 포함된 전력 집적 모듈(PIM)이 종종 선호됩니다. 고 버스 전압 시스템에서는 멀티 레벨 토폴로지가 고려되어야 합니다. 2레벨 시스템은 시스템 및 제어 복잡성 측면에서 이점을 제공하지만 전력 스위치에 대한 더 높은 요구를 제기합니다.

디스크리트 소자와 전력 모듈 중에서 선택할 때, 많은 요소가 고객의 결정에 영향을 미칩니다. 그러나 고출력 제품의 경우 여러 개의 디스크리트 MOSFET/IGBT를 병렬로 사용할 때 특히 모듈 솔루션을 강력히 추천합니다. 모듈 솔루션은 전류 및 열 분배의 불균형으로 인해 발생하는 장기 성능 불균형, 스위칭 타이밍, 배선 연결과 같은 문제를 간소화합니다.

onsemi는 시스템 전력 밀도와 효율성을 향상시키기 위해 디스크리트 SiC 및 IGBT 소자, 전력 모듈, 절연 게이트 드라이버, 전력 관리 컨트롤러를 포함한 다양한 태양광 인버터 솔루션을 제공합니다.

다음은 onsemi의 솔루션 중 몇 가지 주요 사항입니다. 첫째, 새로운 EliteSiC 1200 V M3S 평면형 SiC MOSFET 시리즈는 고속 스위칭 애플리케이션과 고온 작동을 위해 최적화되었습니다. 평면 기술은 음성 게이트 전압 구동에서 안정적인 성능을 보장하며 게이트 스파이크를 억제합니다. 이 시리즈는 18 V 게이트 드라이브에서 최적의 성능을 제공하며, 15 V에서도 잘 작동합니다. 향상된 기생 용량 특성으로 인해 고주파 작동에 적합하며, R_DS(ON) = 22 mΩ @ V_GS = 18 V, 초저 게이트 전하(QG_(TOT) = 137 nC), 낮은 용량(C_OSS = 146 pF), 고속 스위칭 기능을 제공합니다. 이 제품은 Kelvin 소스를 포함한 4핀 TO-247-4L 패키지를 특징으로 하며, 100% 애벌랜치 테스트를 거쳤고, 할로겐 프리 및 RoHS 준수 제품입니다.

새로운 1200 V Trench Field Stop VII IGBT 시리즈는 트렌치 좁은 메사와 양성자 이식 멀티 버퍼를 특징으로 하여 고속 스위칭과 낮은 V_CE(SAT) 타입을 제공합니다. 개선된 기생 커패시턴스는 고주파 작동을 지원하며, 일반적인 패키지로 제공됩니다. 주요 적용 분야는 에너지 인프라 및 공장 자동화입니다.

onsemi의 광범위한 풀-SiC 전력 집적 모듈(PIM) 포트폴리오에는 하프 브리지, 풀 브리지 및 기타 더 큰 토폴로지 구성 요소가 포함됩니다. 이러한 모듈은 낮은 열 저항, 내장된 NTC 서미스터, 높은 전압에서 낮은 R_DS(ON), 높은 효율 및 전력 밀도, 유연하고 높은 신뢰성을 가진 열 인터페이스 솔루션을 제공합니다.

세계적인 에너지 전환이 가속화됨에 따라, 태양광 인버터 기술과 응용은 계속해서 더 높은 효율성, 지능성, 및 모듈화로 발전하고 있습니다. 다양한 응용 시나리오와 까다로운 작동 환경에 직면하여, 제조업체들은 설계 아키텍처를 지속적으로 최적화하고, 열 관리 및 보호 메커니즘을 개선하며, 고급 전력 반도체 및 제어 알고리즘을 채택해야 합니다. onsemi의 태양광 인버터 솔루션은 보다 친환경적이고 저탄소 에너지 변환 시스템 개발을 지원하며, 미래의 녹색 에너지 생태계에서 중요한 역할을 수행하고 지속 가능한 개발 실현을 촉진할 수 있습니다.