태양광발전용고효율 3kW 급 DC/DC 컨버터설계기술지원 2008. 11. 한국전개연굴원 ( 주 ) 맥스컴 지식경제부
제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 태양광발전용고효율 3kW급 DC/DC 컨버터설계기술지윈 ( 지원기 간 : 2007. 11. 01~2008. 10. 31) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다. 2008. 11. 30. 지원기관 : ( 기관명 ) 한국전기연구원 ( 대표자 ) 유태환 지원기업 : ( 기업명 ) ( 주 ) 맥스컴 ( 대표자 ) 박경선 지원책임자 ː 민병덕 참여연구원 ː 이종필 ː 류강열 ː 강덕형 ː 김정호 - 2 -
기술지원성과요약서 과제고유번호연구기간 2007. 11. 1 2008. 10. 31 (12 개월) 연구사업명 부품소재종합기술지원사업 지원과제명태양광발전용고효율 3kW급 DC/DC 컨버터설계기술지원 지원책임자민병덕지원연구원수 총 내부 외부 : 3명 : 3명 : 0명 총 사업비 정부: 100,000천원 기업: 100,000천원 계: 200,000천원 지원기관명한국전기연구원소속부서명전력연구단 지원기업기업명 : ( 주) 맥스컴기술책임자 : 강덕형 요약( 연구결과를중심으로개조식 500 자이내) 보고서 면수 본연구에서는태양광발전용고효율 3kW급 DC/DC 컨버터를개발하였다. 새로운고효율컨 버터 topology를적용하여태양광발전용 PCS 의전체효율의저하를최소화하였다. 고효율컨 버터는태양전지의출력이온도/ 광량에따라크게변화하는특성을최대한이용할수있으며 PCS 용량의 20% 정도만의정격용량으로전체용량을감당할수있는특징을가지고있다. 따 라서본과제에서개발된 3kW급컨버터는 10kW급태양광발전용 PCS 에적용할수있다. 컨 버터설계에대한기술적설계방법이외에태양전지의고유특성, 계통연계형 PCS의기본이 론을전수하였다. 색인어 ( 각 5 개이상) 한글태양전지, 전력변환, 계통연계, DC/DC 컨버터, 효율 영어 Photovoltaic, PCS, Grid-donnected, DC/DC converter, efficiency - 3 -
기술지원성과요약문 1. 사업목표 태양광발전용 PCS의핵심부분인고효율 3kW급 DC/DC 컨버터설계기술을 지원 - 10kW급태양광발전용 PCS에적용가능한컨버터 topology 개발 - 전부하영역에서고효율달성가능기술지원 < 게부개발목표> - 입력전압 : 350~700V - 컨버터용량 : 3kW - 컨버터출력전압 : 650V 이상 - 컨버터최대효율 : 98% 이상 - 컨버터효율 (10% 부하, 350V 입력) : 94% 이상 2. 기술지원내용및범위 기존의컨버터의문제점을분석하고고효율의특성을얻을수있는비절연 형 DC/DC 컨버터 topology 에대한기술을지원요청한다. 태양광발전용 고효율 래와같다. DC/DC - 고효율컨버터 Topology 기술 컨버터설계기술지원과관련된기술지원요청사항은아 - DSP 를이용한컨버터제어기술 - 고주파스위칭패턴발생을위한 FPGA 설계기술 - - 고주파트랜스포머설계기술 고주파필터인덕터설계기술 3. 지원실적 지원항목 기술지원前 지원내용 기술지원後 비고 20% 부하시최저효율 85% 94% 이상 최대효율 94% 98% 이상 컨버터용량 10kW 3kW 10kW PCS 적용시 - 4 -
4. 기술지원성과및효과 1) 해당기술적용제품 o 적용제품명 : 태양광발전용계통연계형 PCS o 모델명 : Solanger BST series 2) 품질및가격 구분 경쟁제품 해당기술적용제품 지원전 지원후 비고 경쟁제품대비컨버터용량경쟁제품대비가격 다쓰테크 10kW PCS 10kW 3kW 다쓰테크 10kW PCS 120% 100% 3) 원가절감효과 구분절감금액비고 원부자재절감 9.8 백만원/ 년(10%) 인건비절감 4.5 백만원/ 년(20%) 계 14.3 백만원/ 년 (7%) 4) 적용제품시장전망 ( 매출성과 ) 구분당해연도매출차년도예상매출 전년대비 증가비율 비고 내수 - 백만원/ 년 1,000 백만원/ 년 - % 수출 - 천달러/ 년 - 천달러/ 년 - % 계 - 백만원/ 년 1,000 백만원/ 년 - % - 5 -
5) 수입대체효과 모델명당해연도수입액차년도수입액수입대체금액비고 SMA Sunny boy 계 - 천달러/ 년 1,000 천달러/ 년 1,000 천달러/ 년 - 천달러/ 년 1,000 천달러/ 년 1,000 천달러/ 년 6) 해당기술의기술력향상효과 컨버터효율을부하에관계없이고효율을얻을수있어일반컨버터적용시 보다 European 효율을증대시킬수있다. 7) 기술적파급효과 - 고효율 DC/DC 컨버터의새로운 topology 기술확보 - - 전부하영역에서획기적인효율증대기술확보 고주파스위칭및자기소자설계기술확보 - 태양광발전용 PCS의전체시스템효율의극대화 - UPS 시스템에고효율컨버터기술응용 5. 적용기술인증, 지적재산권획득여부 1) 규격, 인증획득 - 6 -
2) 지적재산권 6. 세부지원실적 항기술정보제공시제품제작양산화개발공정개선품질향상시험분석 목 지원 건수 지원성과 5건 PCS 관련정보및국내기술개발동향 4건 3kW급컨버터관련부품 건 건 1건 3kW급컨버터효율향상 5건 DC/DC 컨버터특성시험분석지원 수출및해외바이어발굴 교육훈련 건 14건이론및기술전수교육 기술마케팅/ 경영자문건 정책자금알선논문게재및학술발표사업관리시스템지원실적업로드회수지원기업방문회수기타 건 2건 SCI 게재 22 건 22건 ( 주) 맥스컴기술연구소 0건 ( 부록참조) 7. 종합의견 태양광 PCS의중용량시장에대응하기위해필수적인비절연 PCS의핵심 기술인고효율 지 DC/DC 컨버터기술의전수로대용량제품에서부터중용량까 PV PCS 의라인업을갖추게되어시장에서경쟁력을갖추게되었다. - 7 -
연구과제 ( 세부과제성과 ) 1. 과학기술연구개발성과논문게재성과 논문게재세부사항 (9) 게재 년도 (10) 논문명 주저자 (11) 저자교신저자 공동 저자 (12) 학술지명 (13) Vol (No.) (14) 국내외 구분 (15) SCI 구분 2008 A Novel Grid- Connected PV PCS with New High Efficiency Converter 민병덕 송의호 이종필, 김종현, 김태진, 유동욱 Journal of Power Electronics 8 국내 ESCI 2008 A Novel Topology for Photovoltaic DC/DC Full Bridge Converter with Flat Efficiency under Wide PV Module Voltage and Load Range 이종필유지원민병덕, 유동욱 IEEE Transaction on Industrial Electronics 국제 SCI 2. 사업화성과 특허성과 o 출원된특허의경우 o 등록된특허의경우 - 8 -
사업화현황 주11) 사업화업체개요의사업화형태는 1. 연구책임자창업, 2. 기술이전에의한창 업, 3. 창업지원, 4. 기존업체에서상품화중에서선택하여번호기입 고용창출효과 주9) 창업의경우는 2. 사업화성과 에서사업화현황의종업원수를기입 10) 사업체확장에의한고용창출은국가연구개발사업을통해서기업체의팀이나부서 의신규생성및확대에의한것을의미하며확인된경우만기입 - 9 -
세부지원실적증빙내용 1. 지원기업현장방문 : 22 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1 2007.12.07 태양전지특성교육기술지원실적업로드참조 2 2007/12/21 PV PCS Topology 기술지원실적업로드참조 3 2008/01/04 MPPT 개요 기술지원실적업로드참조 4 2008/02/13 컨버터설계관련협의및시장동향자료제공기술지원실적업로드참조 5 2008/02/29 컨버터외부사양협의및태양전지특성 Ⅱ 기술지원실적업로드참조 6 2008/04/03 트랜스포머사양협의및태양전지특성 Ⅲ 기술지원실적업로드참조 7 2008/04/11 제어회로 review 및 PV 발전시스템분류교육기술지원실적업로드참조 8 2008/05/02 컨버터수동소자설계및 MPPT algorithm 교육 기술지원실적업로드참조 9 2008/05/29 컨버터 topology 최종검토및 PLL 알로리즘교육기술지원실적업로드참조 10 2008/06/20 컨버터드라이브및독립운전방지교육기술지원실적업로드참조 11 2008/07/17 향후과제일정협의및독립운전알고리즘교육기술지원실적업로드참조 12 2008/07/23 비절연 topology 비교및새로운 topology 교육기술지원실적업로드참조 13 2008/08/11 새로운컨버터 topology 교육 14 2008/08/23 컨버터시험방법및 교육 PCS 성능평가장비의구성 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 15 2008/09/09 게이트드라이브설계교육기술지원실적업로드참조 16 2008/09/17 해외출장자료제공및향후업무회의기술지원실적업로드참조 17 2008/09/19 3kW DC/DC gate drive 회로실험 기술지원실적업로드참조 18 2008/09/25 향후시험규정및방법협의기술지원실적업로드참조 19 2008/10/01 3kW DC/DC converter power board 성능시험 20 2008/10/16 마이크로프로세서를 1용한 PWM 발생기능테스 트 21 2008/10/20 3kW DC/DC output PCB 시험 22 2008/10/30 3kW DC/DC 기본파워동작시험 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 2. 기술정보제공 : 5 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1 2008/02/13 시장동향자료제공기술지원실적업로드참조 2 2008/04/11 제어회로설계자료제공기술지원실적업로드참조 3 2008/09/17 해외출장자료제공기술지원실적업로드참조 4 2008/09/19 3kW DC/DC gate drive 설계자료제공 기술지원실적업로드참조 5 2008/09/25 국제시험규정제공기술지원실적업로드참조 - 10 -
3. 시제품제작 : 4 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1 2008/09/19 3kW DC/DC gate drive 보고서사진 2 2008/10/02 3kW DC/DC converter power board 보고서사진 3 2008/10/20 3kW DC/DC output PCB 보고서사진 4 2008/10/30 3kW DC/DC 컨버터 보고서사진 4. 시험분석 : 5 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1 2008/09/19 3kW DC/DC gate frive 회로실험 2 2008/10/02 3kW DC/DC converter power board 성능시험 3 2008/10/16 마이크로프로세서를이용한 트 4 2008/10/20 3kW DC/DC output PCB 시험 PWM 5 2008/10/30 3kW DC/DC 기본판워동작시험 발생기능테스 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 기술지원실적업로드참조 5. 기술지원실적업로드 : 22 건 NO. 일자 구체적내용 증빙유무 1 2007.12.07 태양전지특성교육 자료첨부 2 2007/12/21 PV PCS Topology 자료첨부 3 2008/01/04 MPPT 개요 자료첨부 4 2008/02/13 컨버터설계관련협의및시장동향자료제공자료첨부 5 2008/02/29 컨버터외부사양협의및태양전지특성 Ⅱ 자료첨부 6 2008/04/03 트랜스포머사양협의및태양전지특성 Ⅲ 자료첨부 7 2008/04/11 제어회로 review 및 PV 발전시스템분류교육자료첨부 8 2008/05/02 컨버터수동소자설계및 MPPT algorithm 교육 자료첨부 9 2008/05/29 컨버터 topology 최종검토및 PLL 알로리즘교육자료첨부 10 2008/06/20 컨버터드라이브및독립운전방지교육자료첨부 11 2008/07/17 향후과제일정협의및독립운전알고리즘교육자료첨부 12 2008/07/23 비절연 topology 비교및새로운 topology 교육자료첨부 13 2008/08/11 새로운컨버터 topology 교육 14 2008/08/23 컨버터시험방법및 PCS 성능평가장비의구성교육 자료첨부 자료첨부 15 2008/09/09 게이트드라이브설계교육자료첨부 16 2008/09/17 해외출장자료제공및향후업무회의자료첨부 17 2008/09/19 3kW DC/DC gate drive 회로실험 자료첨부 18 2008/09/25 향후시험규정및방법협의자료첨부 19 2008/10/01 3kW DC/DC converter power board 성능시험 자료첨부 20 2008/10/16 마이크로프로세서를 1용한 PWM 발생기능테스트자료첨부 21 2008/10/20 3kW DC/DC output PCB 시험 22 2008/10/30 3kW DC/DC 기본파워동작시험 자료첨부 자료첨부 - 11 -
목 차 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 제 2 절기술지원목표 제 3 절기술지원내용 제 2 장국내외기술현황 제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1 절기술지원수행 제 2 절기술지원성과 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 5 장기술지원결과의활용계획 제 6 장참고문헌 부록 - 12 -
제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 전세계적으로지구환경이급속도로악화됨에따라환경문제를해결하기위한관심 이급격히증대됨에따라신재생분야에서의선진국의투자및기술개발이집중되고 있다. 신재생분야에서태양광분야도점점경제성을갖추어감으로인해급격히시 장이확대되고있는시점이다. 태양광분야에서도경제성이강조됨에따라태양광 발전시스템을구성하는각분야에서가격을떨어뜨리기위한노력이집중되고있 는현실이다. 전력변환용 PCS의경우에도업체들의가격경쟁이격화되고있어향후 기존의저주파트랜스포머절연방식에서탈피하여가격및제품의크기, 무게에서 불리한저주파트랜스포머가없는비절연형 단되므로경쟁력있는 Transformerless PCS가시장의주류를이를것으로판 비절연형제품개발이절실히필요한시점 이다. Transformerless 비절연형 PCS는기본적으로 DC/DC 컨버터와인버터를직 결하는구조를가짐으로인해고효율을달성하기위해서는교효율 의개발이필수적이다. DC/DC 컨버터 본기술지원사업에서는전영역에서고효율을가지는컨버터에대한설계기술을 지원하여향후개발될태양광발전용 원하여관련분야의매출증대에기여하고자한다. PCS의고효율화를위한핵심적인기술을지 제 2 절기술지윈목표 태양광발전용 PCS의핵심부분인고효율 3kW급 DC/DC 컨버터설계기술을지원 - 10kW급태양광발전용 PCS에적용가능한컨버터 topology 개발 - 전부하영역에서고효율달성가능기술지원 < 세부개발목표> - 입력전압 : 350 700V - 컨버터용량 : 3kW - 컨버터출력전압 : 650V 이상 - 컨버터최대효율 : 98% 이상 - 컨버터효율 (10% 부하, 350V 입력) : 94% 이상 - 13 -
제 3 절기술지원내용 주요목표기술지원내용개발사양 태양광발전용 고효율 3kW급 DC/DC 컨버터 설계기술지원 - 고효율컨버터 Topology 기술 - DSP를이용한컨버터제어기술 - 고주파스위칭패턴발생을위한 FPGA 설계기술 - 고주파트랜스포머설계기술 - 고주파필터인덕터설계기술 - 입력전압 : 350~700V - 컨버터용량 : 3kW - 컨버터출력전압 : 650V 이상 - 컨버터최대효율 : 98% 이상 - 컨버터효율 (10% 부하, 350 입력) : 94% 이상 - 14 -
제 2 장국내외기술현황 (1) 세계적수준 기업화단계로독일, 미국, 일본이세계태양광발전시장의 80% 이상을차지하고 있으며최근 tm 페인, 중국등이국가적으로대규모투자를진행하고있다. 일본은 정부주도의 R&D 투자를통해핵심기술확보에주력하면서수출과내수의균형발전 을추구하고있으며독일은조정가격구매및저리융자등다양한정책지원을통해 국내시장을확대했고최근정부주도의 R&D 추자확대를통해핵심기술확보에주 력하고있으며미국은민간기업위주로기술개발을지원하였으나 2006년이 후정부주도형 R&D 정책으로전환하고있다. (2) 국내수준 전체발전량의 0.003% 에불과할정도로에너지발전량측면에서걸음마단계이나 최근기업들이속속태양광발전분야에뛰어들고있어향후전망이밝다. 주택보 급용 3kW 이하급에서는벌써가격경쟁체제로돌입을하여경쟁이치열해지고 있다. 따라서기업에서는가격을낮추기위해전력변환장치의경우초기저주파트 랜스포머방식에서 transformerless 비절현형으로시장의전환이급격히일어나고 있어이의개발에기업들이적극뛰어들고있다. 또한향후국가의산업전체에영 향을끼질만큼의파괴력을가진산업으로인식되면서차세대사업분야를찾고있 는대기업들도사업체적극적으로참여하고있어향후국내시장규모및세계시장 점유율에서상당한진전이있을것으로보인다. (3) 국내 외의연구현황 국내국외 - 현재까지저주파트랜스포머및고주파 트랜스포머등의 절연형이 주류를 이루고 있음 - 가격경쟁력이소형제품의시장에서주요 하게작용하면서비절연형방식의제품이 일부회사에서개발되어시장에적용되고 있음 - 비절연형방식에서용량이증대되면서 고효율의컨버터기술이요구되나전영역 에서고효율을이룰수있는기술에는국 내업체에서미흡한면이있다. - 외국에서는이미오래전부터비절연형의제품이개발되어적용되어왔음 - 일부회사제품의효율이 98% 를상회하고있으며국내기술의추세를선도하고있음 - 시장지배력으로인해사양상의주도권을무기로시장주도적신제품을출시하고있 음 - 15 -
제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1 절기술지원수행 1. 태양전지의특성 태양전지제조회사에서주어지는태양전지모듈의출력(Wp, Watt peak) 은표준시 험조건(Standard Test Conditions, STC) 에서얻어지는값이다. 표준시험조건은 1000W/m 2 의태양광세기와온도가 25 에서얻어진값이다그러나대부분의실제 상황에서는태양광의세기는 1000W/m 2 보다약한 200에서 500W/m 2 의세기이며 셀의온도는 40-60 정도이고조사광의각도가모듈에수직이지못하다. 또한때 때로모듈의일부분이나무나건물또는표면에쌓인이물질( 새들의분비물) 등에 의해그림자가지워지는경우가많다. 이번장에서는물리적인과정에대한논의 보다는태양전지의기본적인특징을알아보기위한등가회로및특성에대해서살 펴보기로한다. 가. 태양전지셀의등가회로 태양전지의간단한등가회로는다이오드와전류원이병렬로연결되어진구조이다. 전류원은태양광의 irradiation E에직접비례하는광전류 I ph 를발생시킨다. 태양전 지의 p-n접합은그럼 1 에서보는바와같이다이오드로등가적으로표현된다. 그림 1 간략한태양전지등가회로 위의간략한등가회로로부터태양전지셀의전류전압특성곡선은 Kirchhoff s current law 에의해서아래수식과같이구할수있다. - 16 -
I Ph I D I S : Photo current : Diode current : Diode reverse saturation current m : Diode ideally factor m = 1...5V T Thermal voltage: ; VT = 25,7mV at 25. k : constant of Boltzmann k = 1,380658 10-23 JK T : absolute temperature; [T] = K (Kelvin) 0 K = -273,15 e : charge of an electron e = 1,60217733-1 10-19 As 이름에서알수있듯이간략화된등가회로는태양전지에서전기적과정을최적으로 표현하지못한다. 실제의태양전지에서는외부전극의접촉저항에의한전압손실부 분이존재하게된다. 이런전압손실은직렬저항 Rs로그림 2에서와같이표현될 수있다. 또한누설전류가존재하므로이는병렬저항 R P 로표현할수있다. 그림 2 하나의다이오드로표현된태양전지등가회로 Kirchhoff s current law 를이용하여수식을전개하면아래와같은수식이얻어진 다. 0 = I Ph - I D - I P - I. 여기서 - 17 -
위의수식은간략화된회로에서얻은수식과같이전류-전압에대하여간단하게표 현이안된다. 좀더정확한모델링을위해서는그림 3에서보는바와같이두개 의다이오드를이용한모델을이용한다. 여기서다른 ideaily factor m을가진두 개의다이오드가병렬로연결된등가회로가사용된다. 일반적으로다이오드방정식 에서는다이오드의역방향에대한 breakthrough 가표현되지않는다. 그러나실제 태양전지에서는높은역전압에서 breakthrough 현상이관찰되므로이러한특성을 모의하기위하여역방향전류원이추가되면아래와같은태양전지셀에대한정확 한모델이완성된다. Kirchhoff의 node-law 를이용하면아래와같은전류전압에 관한특성수식을얻을수있다. 수식의뒤쪽부분은높은역전압에대한 breakthrough 특성을모의하기위한수식이다. V, I terminal voltage and current at the solar cell I Ph photo current I S1,I S2 saturation current of the first, respectively the second diode R S R P serial resistance parallel resistance m 1,m 2 diode factor of the first, respectively the second diode (m 1 1 (ideal), m 2 2) VT temperature voltage V Br breakdown voltage (V Br -15V...-50 V) a correction factor (a = 0...1-1 ) n exponent for avalanche breakdown (n = 1..10) - 18 -
그림 3 두개의다이오드와 Breakthrough 특성모의가가능한태양전지등가회로 나. 태양전지셀의전압 - 전류특성곡선 그림 4는실제태양전지의특성곡선과다이오드하나를사용한모델에서얻어진특 성곡선을보여주고있다. 짧은점선으로표시된곡선은이상적인다이오드모델 (m=1) 을사용한간략화된모델에서얻어진특성곡선을보여주고있으며긴점선으 로표시된곡선은실제다이오드모델(m<1) 을사용한간략화된태양전지모델을 사용한특성곡선을보여주고있다. 다이오드모델만실제적인것으로모델링을잘 해도태양전지의특성을잘모사하고있음을알수있다. 실선은다이오드하나를 사용한완전한모델을이용해서얻은특성곡선을나타내고있으며실제태양전지의 특성곡선과별차이가없음을알수있다. 두개의다이오드모델을상용한모델의 특성곡선을비교하기위채서는정밀한태양전지의특성에대한측정이먼저이루어 져야그효과를알수있다. 그림 5는넓은범위의전압에대한태양전지의암전류 (Dark current)- 전압특성곡선을보여준다. 암전류곡선을얻기위해서는외부에전 압을태양전지에인가를해야한다. 역전압에서다이오드는 -15V까지는저지를하 는특석이있으나이를넘어서면서서서히 breakthrough 특성을나타내기시작한다. 이단계에서태양전지에서는전력의소모가커지게되므로점점뜨거워지게된다. 즉 2A의전류에서태양전지는 30W 의전력소모가발생하게된다. 온도가너무올라 가게되면소위 Hot spot 이라고불려지는태양전지의파괴가일어나게된다. - 19 -
그림 4 Multicrystalline solar cell (10 x 10 cm) 의전압 - 전류특성곡선 비교 (irradiance E+430 W/m 2, temperature T+300 K) 그림 5 확대된전압영역에대한태양전지의암전류전압특성곡선 (Dark I-V) - 20 -
다. 최대전력점 (MPPT), 효율, 및 Fill Factor 태양전지셀을단락시켰을매는포전류 I Ph 와같은단락전류 I SC 가흐르게되고단 자전압은 0 이된다. 만약에부하가인가되지않으면개방전압 V OC 가단자에측정이 되면전류가 0 이된다. 두경우모두발생되는출력전력은 0 W 가된다. 태양광이 조사되는태양전지셀은단자전압이 0 V에서 V OC 사이에서전력이발생된다. 이런 태양전지셀의전류전압특성에의해서최대전력포인트 (Maximum Pewer Point, MPP) 가존재하며전류전압의곱인출력전력이최대가되게된다. 효율은 표현된다. 태양전지셀의 MPP에서의전력 P MPP 에서셀의면적 A C 와조사량 E에의해서다음과같이 태양전지셀을평가하는또다른평가지수로서 Fill Factor(FF) 라고하는지수가사 용되며이는개방전압과단락전류의곱에대한최대전력의비를나타낸다. 만약에태양전지셀의전압-전류특성곡선이직사각형형태를가지면이때의 Fill Factor는 1 이된다. 일반적으로태양전지셀의 Fill Factor는 075 ~ 0.85 사이의 값을가진다. 라. 조사량과온도에대한태양전지의특성 조사량이증가하게되면분리된전자-정공쌍의양이증가하게되어전류의량이 증가하게된다. 그러므로태양전지의전류전압방정식과특성곡선에서보듯이전류 의양은조사량에비례하게된다. 온도가올라가면태양전지셀의단락전류는조금올라간다. 반면에개방전압의손 실은약 10 배나높아지게된다 (-0.4%/K). 그러므로출력전력은전압의증가에따 라감소하게된다. 태양전지셀의전력손실은 0.3 0.5%/ 정도이다. 온도가 30 오르게되면전력의감소는 9 15% 정도가된다. - 21 -
그림 6 36 개의태양전지셀로구성된태양전지모듈 그림 7 36 개의태양전지셀로구성된태양전지모듈의전압 - 전류특성곡선 (E = 400 W/m 2, T = 300 K 26 ). 마. Shadowing 의영향 태양전지셀이직렬연결되어있을경우각각의셀에다른양의빛이비쳐질때전 체태양전지모듈의전압- 전류특성곡선은결정적으로영향을받게된다. 36개의 monocrystalline 태양전지셀(10cm x 10cm) 이직렬연결된태양전지모듈에서 1 개의태양전지셀만이 75% 정도구름이졌다고할경우의특성곡선의변화를알아 보면다음과같다. 그림 8에서보면주어진전류에대해서 35개의정상적인전압- 전류특성곡선의정압(1b) 과 1 개의가려진태양전지셀의전압(la) 을합한값이전 체태양전지모듈의출력전압(1) 이된다. 이렇게구한전체특성곡선은구름진태양 전지셀의특성곡선에지배받게된다. 모듈면적의 2% 정도만구름이져있어도 MPP 전력의 70% 정도가줄어들게된다. 또한구름진태양전지셀은부하로서동 작하게되므로푀대전력손실이모듈이단락인경우에발생하게되며그값이 12.7W 에이른다. 정상인경우와구름진경우의최대전력지점(MPP) 은 P1과 P2로 표시된다. - 22 -
그림 8 하나의셀만 75% 구름졌을경우의전압 - 전류특성곡선 (irradiance E = 407 W/m 2, temperature T = 300 K) 위에서설명한바와같이직렬연결된태양광모듈에서는항상과열로인한셀의 파괴의위함이존재하게된다. 이러한위험을회피하기위해그림 9에서보는바와 같이태양전지모듈을제작할때는태양전지셀또는셀의 string에 bypass 다이오 드를병렬로연결한다. 이럴경우부분구름진현상에서셀에걸리는최대역전압 이다이오드의도통전압정도로제한되게된다. 그림 9 hot spot 현상을방지하기위한 bypass 다이오드가연결된태양전지셀 태양전지셀마다 bypass 다이오드를연결하는경우에구름이질경우구름진셀에 해당하는전력만줄어들게된다. 대부분의상용의태양전지모듈에서는 bypass 다 이오드가각각의셀마다연결되지않고 12 24개정도의셀의 string 마다연결되어 진다. - 23 -
이런대책으로인해 "hot spot" 에의한셀의파괴는방지할수있으나출력전력에 서의전력손실을훨씬더높게되는단점이있다. 그림 10에서특성곡선 1은태양 전지에태양광이골고루내리쬐는정상적인상태를나타내고있으며, 특성곡선 2번 은각각의셀마다 bypass 다이오드가장착되었을때의특성곡선을나타낸다. 구름 진셀에서만전력손실이나타남을알수있다. 특성곡선 3은각각의셀이아닌 12 24개정도의셀의 string에대해서 bypass diode를장착했을때의특성곡선을나타 내고있다. 각각의셀마다 bypass 다이오드를장착했을때보다는손실이크나특 성곡선 4에서와같이전혀대책을세우지않았을때보다는좋은특성곡선을나타 내면서태양전지도보호할수있다. 그림 10 태양전지모듈의전압 - 전류특성곡선 (1) 정상적인경우 (2) 각각의셀에 bypass 다이오드를장착했을때한셀에만구름이졌을경우 (3) bypass 셀의 string 에달았을경우 (4) bypass 다이오드를장착하지않았을경우 다이오드를 - 24 -
2. 태양전지발전용 PCS 의 Topology 비교 가. 태양전지발전시스템의 Topology 그림 11 기존의태양전지발전용 PCS 의대표적인 topology 그림 11은태양전지발전을위한 PCS의대표적인 topology 를보여주고있다. Topology 는크게다음의두가지로나눌수있다. 절연형 (Isolated) PCS 비절연형 (Non-isolated) PCS 이는태양전지판과 PCS의출력사이에트랜스포머등으로전기적으로절연되어있 는가로구분된다. 그림 11 의 (a) 는현재사용되고있는대표적인 topology 이다. 이는기본적으로인버터와저주파트랜스포머로구성되어져있다. 태양전지의특성 상온도와광량에따라태양전지의전압이최대값에서반값정도까지변동하게된 다. 예를들면단상 220V용계통연계형 PCS의경우에태양전지의출력전압은 150-400V 정도값에서설계를하게된다. 넓은범위의입력전압에대해출력 220V 교류를제공하게위해서는인버터에서는최저전압으로발생가능한전압으로 출력전압을설정하게되고이를최종출력전압 220V 통주파수의저주파트랜스포머를사용하여승압을하게된다. 교류전압을맞추기위해서계 - 25 -
이 topology의장점은단순하다는것이고단점으로는저주파트랜스포머를이용하 므로인해크기가크고무게가무겁다는것이며인버터의출력전압을입력직류전 압의최저전압을기준으로교류전압을발생시킴으로인해전압이낮아같은출력 (power) 에대해전류가증가하게된다. 따라서인버터에사용되는소자에대한전 류용량이증대된다. 또한저주파트랜스포머의 1차측에흐르는전류도더불어증 가하는문제가발생된다. 이는소자의비용이증대되고효율에서불리한측면이있 다. 그럼 11 의 (b) 에소개된 topology 는고주파트랜스포머를이용하여 (a) 의단점 을극복하고있다. 고주파트랜스포머를적용함으로인해저주파트랜스포머보다 q 비용, 크기및무게에서유리하다. 또한인버터입력전압을일정하게원하는높은 값을유지할수있게되어출력교류전압을직접발생시킬수있으므로인해전력 소자의전류용량을낮출수있다. 뒷단의인버터효율의곱으로표시되기때문에 단점으로는시스템효율이앞단의컨버터효율과 (a) 와비교해서공통인인버터효율 을제외하면컨버터효율이저주파트랜스포머의효율과최소한같아야시스템전 체의효율에서동등하거나우월할수있는데일반적으로컨버터의효율이낮으므로 인해 (a) 와비교해서시스템효율이낮을수가있다. 그림 11 의 (c) 는비절연형컨 버터를사용한 PCS 를보여주고있다. 비절연형컨버터가절연형컨버터보디회로 가단순하므로단가면에서유리하여최근에는이형태의비절연헝 PCS가각광받고 있다. 단점은 (b) 의방식과동일하다. 위에서설명된 topology의공통점은시스템에 서요구하는컨버터의용량이전체시스템의용량과동일하다는것이다. 컨버터를 사용할경우장점이많음에도불구하고대용량의시스템에는적용되지못하고소용 량의시스템에서만적용되고있는결정적이유라고할수있다. 그림 11에설명한 대표적 topology는태양전지의출력특성을최대한이용하지못하고있어컨버터의 용량이시스템의용량과동일해야하고이로인해시스템효율도줄어드는결정적단 점을가지고있다. 본과제에서는이러한단점을극복하기위한새로운 PCS topology 를제안한다. 새로이제안하는 topology는태양전지의발전특성을이용하 여컨버터의용량을대폭줄일수있고시스템의효율또한증대시킬수있으며대 용량화에유리하다는장점을가지고있다. 나. 태양전지의특성분석 일반적인태양전지의출력특성곡선은그림 12 와같다. 태양전지의모델링수식은 아래와같다. - 26 -
I OS T T K K q K I λ I SC I LG E GO B=A T r T K I or R sh R S V I Cell Reverse Saturation Current Cell Temperature in Cell Temperature in υ K(=T+273.12) Boltzmann s constant Electronic charge Short circuit current temperature coefficient at Isc(A/ ) Solar irradiation in W/m 2 Short circuit current at 25 and 1000W/m Light generated current Band gap for silicon Ideality factor(1.92) Reference temperature(273.12+t rc, υ K) Operating Cell temperature(273.12+t, υ K) Cell saturation current at T r Shunt Rresistance Series resistance 태양전지출력전압 태양전지출력전류 2 태양전지에서입력은태양광조사량, 동작온도, 그리고태양전지출력단전압이된 다. 태양전지의출력은태양광의빛에너지량인조사량과태양전지셀의동작온도에 따라출력특성이달라진다. 태양전지모델링수식을온도와광량에따라출력특성 을그려보면그림 12 와같다. 온도를 80 도, 25도영하 20도에대해서각각조사량 1000W/m 2 ~ 100W/m 2 까지 10단계로나누어그린것으로모듈의최대전력을 200kW, 25도의동작온도에서최대전압을 750V 설계한경우의그림이다. 태양전지 의특성은같은온도에서조사량이많을수록태양전지의출력은많이나오게되면 태양전지의단자전압은올라가게된다. 태양전지의동작온도가올라가게되면태 양전지의출력은줄어들게되고태양전지의양단에걸린전압은내려가게된다. 또 한같은조건이라도단자전압이얼마냐에따라출력특성이그림에서보는바와같 이출력의변화가크기때문에같은조건에서최대출력을얻기위해서는최대출력 점의단자전압으로유지를해주어야하는특성이있는데이런제어를최대출력점제 어(Macimum Power Point Tracking) 라고한다. 태양전지를계통에연결하기위해서는계통전압이상을발생시킬수있어야계통으 로전력을공급할수있다. 따라서계통전압이상을발생시키기위한인커터의최 소입력직류전압이존재하게된다. 태양전지의특성에서보면직류전압이동작환 경에따라계속변하기때문에앞서설명한여러 주게된다. topology를동원하여이를보상해 - 27 -
즉저전압트랜스포머를이용하여승압을시켜준다거나컨버터를이용하여인버터 입력직류전압을항상일정전압으로제어를해준다거나하는동작이필요하게된 다. 위에서언급했듯이태양광인버터의출력전압이결정되면인버터에서요구하는 직류전압이결정된다. 일반적으로인버터의출력에스위칭주파수를제거와전류의 THD 조건을만족하기위한필터가장착되는데이로인하여전압강하분이존재하 게되고인버터에서안정한동작을위해 dead-time을부과하게되므로일정부분의 전압이또강하된다고볼수있다. 이러한부분과일정한여유분을감안하여직류 전압이결정되게된다. 이러한과정을통해결정된직류전압은인버터에서교류출 력전압을얻기위한최소한의전압이되며이이상의전압이직류입력에가해지더 라도인버터에서적절한 PWM 제어를통하여인버터출력에는일정한교류전압을 발생시킬수있다. 태양전지특성곡선에서보듯이태양전지는일정한전압을항상 발생시킬수없기때문에인버터에서요구하는일정직류전압요건을충족시킬수 없으며인버터직류전압과태양전지출력전압에는항상차이가있게된다. 다른관 점에서이야기하자면일정한인버터입력직류전압을얻기위해서태양전지의출 력전압과의차전압만발생시켜태양전지의출력전압에더해주면된다. 그림 12 온도와광량에따른태양전지특성곡선 그림 13에서보는바와같은태양광발전용 PCS의새로운 topology 를제안한다. 제안된구조는태양전지입력측에서는컨버터가병렬로연결되어있고출력은태 양전지와컨버터가직렬로연결된구조이다. 이렇게하면차전압만발생시키는컨 버터는직류전압전체를부담하지않지않기때문에용량이훨씬줄어들게된다. 여기서사용된직류변환장치(small isolated DC/DC converter) 는입출력이트랜스 포머로절연된어떠한형태의컨버터를이용해도상관이없다. - 28 -
그림 13 제안된새로운구조의태양광발전용 PCS topology 출력측이직렬로연결되어져있기때문에전류 (I dc ) 는동등하게흐르고있으므로아 래의수식과같이나타낼수있다. 즉컨버터가부담하는전력은전압의분담비와같은값을가진다. 이는태양전지 전압과인버터입력전압의차이가많이날수록컨버터에서요구하는전력은증대된 다는의미이며태양전지의전압이직류전압에가까울수록컨버터의전력분담비는 급격하게감소한다. 태양전지용인버터와일반적인인버터의동작은차이점이있다. 일반적인인버터는부하가요구하는전력을항상공급할수있어야하는반면에태 양전지용인버터는입력측의태양전지에서발생되는전력내에서공급이이루어진 다는것이다. 그림 12의태양전지특성곡선에서온도와광량에따른직류전압과발 생가능한전력으로부터필요한컨버터의용량을계산해볼수있다. 그림 12의다 이아몬드표시곡선이컨버터의필요용량을계산한값으로최대동작온도에서최대 광량이조사되고있을때컨버터의최대용량이필요함을알수잇다. 최대동작 온도보다낮은경우는태양전지의전압이증가함으로인해컨버터에서증대시켜줘 야할전압이줄어들게되어컨버터의용량이줄어들게된다. 제안된구조로컨버 터를설계하면그림 12에서보는바와같이정격출력용량의 20% 정도의용량만필 요하여컨버터의용량을획기적으로줄일수가있다. 그림 13에서설계된시스템 사양은다음과같다. 태양전지최대전압 : 750V 태양전지최대동작온도 : 80 인버터직류전압 : 650V 인버터출력 : 200kW 인버터출력대컨버터출력비 1 : 0.2 인버터출력전압 : 380V AC 필요한출력 : 40kW - 29 -
최대동작온도가내려가면내려갈수록직류전압의감소가줄어들게되므로요구되 는컨버터의용량도더불어감소하게된다. 가. 제안된직류-직류변환기의구조에대한설명 DC/DC부분을따로보면위의그림 14(a) 와같다. 이런구조는앞서설명한장점을 가지고입력전압보다출력전압이높은것을요구하는모든응용분야에적용될수 있습니다. 1번단자와 2 번단자는입력되는직류전압의 + 와 - 부분을의미한다. 이시 스템으로보면입력부라고할수있다. 그리고 3번과 4번은내부직류-직류변환기 의입력두단자를의미하고이의출력은 5번과 6 번으로표현된다. 그리고 7번과 8 번은이시스템의출력부의 + 와 - 단자를의미한다. 입출력만다시그려보면그림 14(b) 와같다. 내부의연결을보면직류입력단 1번이내부직류-직류변환기의입 력 3번으로연결되고직류입력단의 2번은직류-직류변환기의입력 4번으로연결됩 니다. 입력부만보면입력이그대로내부직류-직류변환기입력으로연결되는형태 이다. 이런의미에서입력부는병렬연결이라할수있다. 내부직류-직류변환기가 병렬로여러개를연결하기를윈할때위와같은형태로입력단자를따서병렬로 연결하게된다. 출력부를보면시스템전체출력은 7빈과 8 번으로표현된다. 내부 직류-직류변환기의출력부연결은 5번과 7 번은동일하게연결된다. 그러나내부직 류-직류변환기의출력부 6번은입력부 1 번이연결되게되어있다. 그리고입력부 1번과출력부 8 번은그대로같이연결된다. 이렇게연결하고보면입력7번과 8번 측에서보면내부직류-직류변환기의출력 5번과 6번이입력부 1번과 2번을직렬 연결한형태로전압이더해지는구조를가지고있다. 그래서출력은직렬연결된구 조란표현을사용하였다. 그림 14(c) 에서출력부의연결부만그려보면출력이입력 전압에내부직류직류변환기의출력이더해져있는것을확연하게알수있다. 이 런구조를가짐으로인해출력전압에서내부직류-직류변환기가담당하는부분이출 력전압전체가아닌일부만을담당하게되어내부직류-직류변환기의용량이감소 하는효과를얻을수있다. 출력전력을수식으로표현해보면아래와같이내부직 류직류변환기의전력과입력부의전력의합으로출력전력이표현된다. 즉컨버터는 출력전력의일부만담당하게된다. 여기서 I PH : 입력전류 - 30 -
I C_IN : 내부직류직류변환기입력전류 I PH_1 : 입력측전류에서내부직류직류변환기입력전류를뺀전류, 출력측으로 직접흐르는전류 I C_OUT : 내부직류직류변환기출력전류 I DC : 출력전류 V PH : 입력전압 V C : 내부직류직류변환기출력전압 P OUT : 출력전력 P C : 내부직류직류변환기의출력전력 P PH : 입력전력 그림 14 제안된직류 - 직류변환기의구조 (a) 제안된변환기의내부구조, (b) 제안된구조의입출력부, (c) 출력부측의신호연결도 - 31 -
나. 컨버터용량산정 그림 12 에서의시abf레이션결과에서보면최대동작온도와최대광량의조건에서 요구되는컨버터의용량이최대임을알수가있다. 추출하여컨버터용량을산정할수있다. 따라서이때의전압과전력을 여기서 : : 최대동작온도에서태양전지출력전압 최대동작온도에서태양전지출력전력 그림 12 에서의태양전지특성곡선과시스템설계사양을이용하여컨버터용량을산정해보면다음과같다. 그림 12 에서와같은 topology에서보다 80% 이상적은용량으로컨버터를구성해 도같은특성을낼수있으므로인해컨버터구성에대한부담을획기적으로줄일 수있어대용량화에도컨버터를사용한시스템을용이하게구성할수있다. 결과는태양전지셀동작온도가 위의 80 로가정했을경우이나일반적으로이보다낮은 동작온도에서는훨씬적은용량의컨버터가필요함을알수있다. 다. 시스템효율 그림 현된다. 11에서컨버터를사용하는시스템의경우전제시스템효율은다음과같이표 여기서 : 시스템효율 : 컨버터효율 : 인버터효율 - 32 -
그림 15 효율흐름도 전체시스템효율은컨버터효율과인버터효율의곱으로나타난다. 따라서인버터 가공통으로들어가기때문에컨버터부분의효율에의해전체시스템효율은현격 한차이가나타나게된다. 제안된시스템에서효율은일부분의전력만컨버터에서 담당하기때문에컨버터에서담당하지않는전력은아무런전력변환장치없이공 급되므로 100% 효율로넘어가게된다. 제안된시스템에서의컨버터효율은다음과 같다. 여기서 : 인버터앞단의전체효율 p : 태양전지에서직접공급되는전력의비율 P s P c : 시스템의전체전력 : 컨버터에서공급되는전력 이때시스템효율은다음과같이표현할수있다. 컨버터의전압이필요없는영역에서는효율의손실이없기때문에인버터만의효율만고려하만된다. 따라서고효율을얻을수있으며컨버터부분의전압분담이일어나는영역에서도일부부만전력을공급함에따라효율의상당한증대가이루어질수있다. - 33 -
예를들어보면명확하게이런사실을확인할수있다. 인버터의효율을 98%, 컨버 터의효율을 92% 로가정하여각각의시스템에서효율을구해보면다음과같다. 여 기서컨버터의전력분담율의최대는 50% 까지이다. 표 1 시스템효율비교표 효율비교표에서알수있듯이최대효율의값은 100% 전체전력을태양전지에서직접얻을수있을만큼직류전압이높을때는인버터효율만고려하므로인해시스템효율이획기적으로높음을알수있다. 전력분담율에상관없이일반적인컨버터를사용하는방식보다는월등히높은효율을얻을수있다. 3. 고효율컨버터설계 가. Phase shifted ZVS Full bridge 컨버터설계 본연구에는수 kw급고주파 SMPS분야에많이응용되는 Phase shifted ZVS 방식 을이용한 Full bridge 방식을적용하였다. Phase Shifted Resonant PWM 제어기 법을이용한 high frequency power supply 설계방식은아래와같다. - 34 -
그림 16 Phase shift 방식 Full bridge converter 1. Resonant Tank Considerations Resonant tank 의설계는적정수준의스위칭주파수를고르는일부터시작된다. 그 중하나는 power density 를충족시키는것이고, 두번째는모든동작조건을고려 하여필요한 duty cycle을얻을수있도록 max transition time 이설정되어야한다. 2. Resonant Circuit Limitations 2 개의조건이경부하시에공진회로에의해충족되어야만한다. 첫번째, 저장된 inductive energy가충분히커서공진커패시터를반대쪽 supply rail호 drive 할수 있어야한다. 두번째는이 transition이할당된 transition time 내에서이루어져만 한다. 이둘중하나나둘모두가충족되지않으면 lossy non ZVS가초래될것이 다. 여기서후자가공진회로의제한으로사용될때, 첫번째조건은항상충족될것 이다. 설계자들은아주작은부하에서생기는약간의스위칭손실은실제적용예 에서별상관이없다고생각하고, 중부하에서상당한효과가있기때문에이정도 는상쇄될수있다고여긴다. 이것은많은적용예에서매우실용적인접근방식 이고필요한저장에너지량과규정된 max transition time은 tank 회로의공진주파 수 (W r ) 를결정한다. 이탱크의기본요소들은 resonant inductor, L r 과 2개의 switch 출력커패시터에의해이루어진커패시터, C r, 그리고병렬연결된변압기 1 차측커패시턴스 (C xfmr ) 이다. - 35 -
ZVS 조건을만족시키기위해서는 max transition time은자기공진주기의 1/4을초 과할수없다 ( 자기공진주파수의 4 배) resonant tank frequency, Wr (2πf r ): 규정된 MOSFET 스위치출력 capacitance C OSS 는고전압동작에의해초래되는 증가분을수용하기위해서 4/3 가곱해질것이다. 각 transition 중에, 2개의스위치 커패시턴스가병렬로구동될것이고, 총커패시턴스를 8/3 C OSS 로, 즉 2배로증가 시킨다. 변압기의커패시턴스를 C xfmr 은많은고주파수응용예에서절대로무시될 수없으므로역시추가되어야한다. resonant capacitance. C r : transition을수행하기위해필요한 capacitive energy 는다음과같다. 이에너지는다음과같이표현될수있다. 3.Stored Inductive Energy 공진인덕턴스에저장된에너지는최대 transition time 이내에 leg에있는 FET와 변압기의커패시턴스를충방전시키기위해서필요한에너지량보다더커야만한 다. 변압기내부에서 2차전류가변압기 1차측전압을 0으로확실히 clamp 시켰으므로 모든에너지는변압기의누설인덕턴스에저장된다. 이것은실제권선에시큰 circulating primary current 를야기시키지만, ZVS transition을수행하는데사용되는 저장에너지와는아무상관이없다. - 36 -
공진인버터, Lr 에저장되는에너지: 4. Resonant Circuit Summary 어떤응용예든지필요한공진인덕터값과여기흐르는공진에필요한최소 전류를만드는모든해법에는여러가지가있다. 이각각은다음기본관계식에의 거해서만들어진다. 공진탱크의주파수는경부하에서최대 transition time, t max 기위해서는 transition time보다적어도 4 배이상은되어야한다. 1차 안에서완전히공진하 이값은단지공진을하는데필요한정확한공진인덕터값이다. 변압기 1차측에 연결되어있는공진인덕터는최대 1차전류 slew rate, di/dt를입력전압의함수 로서나타낸다. 만약공진인덕터의값이너무클경우에는 conversion 내에도달하는데너무긴시간이걸릴지도모른다. 이계산된인덕터값은경부하조건은만족시키지만전부하영역은재고되어야한다. - 37 -
5.Stored Energy Requirements 공진인덕터에저장된에너지는할당된전환시간내에공진이일어나도록하기위 해서는필요한 capacitive energy 보다더커야만한다. 그수식은아래와같다. C r 과 V in 은주어진값이며모든주어진응용예에서추정될수있으므로, 상수이고 L r 이계산된다. 이량은 6. Minimum Primary Current 앞의수식을다시정리하면 한최소 1 차전류가추정될수있다. Phase Shifted Resonant PWM 제어응용예에서필요 이값은공진커패시터를 full rail voltage로바꾸는데필요한평균전류를계산함으 로서얻을수있다. 이값이 I pri(min) 보다적을지라도산술확인을위해서사용될수 있을것이다. 필요한 1 차전류를얻는방법은여리가지이다. 가장직접적인방법은최소부하 전류를적절한수준으로제한하는것이다. 또다른방법은변압기의 magnetizing current 를적절하게조정하는것이다. 자화전류에더해지는또다른전류는병렬로 모델링되어있는변환된 2 차측인덕터전류에의한공진이다. 또한 peak 충전전류 를변형시키는어떤 duty cycle 의변화도꼭고려되어야한다. 일반적으로자화전류하나만으로는많은 off-line high freq. converter에서충분치 않다. 변압기는많은권선이감겨있고큰 magnetizing inductance가있는손실이 제한되어있는 core 들이다. 적절한량의 1차전류를만들기위해서변압기를외부 인덕터와 shunt 시키는것은가능한한방법이다. 1차측의공진을돕기위하여출 력필터인덕터의자화전류를이용하는것도또다른선택이될수있다. - 38 -
나. PV PCS 용 DC/DC 컨버터설계 1. 변압기설계 고주파변압기설계과정을다음과같이 6 단계로표현할수있다. Step 1. Calculate Ap Step 2. Core 선정 Step 3. Calculate N p, N s Step 4. Wire 단면적계산 1 차권선 : I P_rms, D = 4.2 A/mm 2 2 차권선 : I S_rms, D = 4.2 A/mm 2-39 -
1 차권선단면적= 2 차권선단면적= _ skin depth (penetration depth) 을고려하여위에서선정된권선의단면적에서 δ > 이하의 Litz wire 를사용하여단면적보타큰권선을사용한다. Step 5. Calculate necessary window area (A w ) for winding. Step 6. Unless Aw is sufficiently larger than Aw go back th the step 2. 선택한코어의 Aω > A ω 이면설계완료, A ω < A ω 이면 Step 2부터다시시 작한다. - 40 -
제 2 절기술지원성과 1 고효율 DC/DC 컨버터개발 일반적으로사용되는전력소자는 IGBT와 MOSFET 가있다. DC/DC 컨버터에사용 되는전력소자로서는고속스위칭이가능한 MOSFET 가주로사용된다. 그러나대 부분의응용에서는직류전압이낮으므로 600V 급을사용하는것이보통이다. 이런 이유로인해대부분의소자는 600V급에는다양하게전류용량이나와있으므로선 택의폭이넓다. 그러나직류전압이높아서 600V급으로는내압이부족할경우 1200V 급의소자를사용해야하나이는아직전류용량이원하는값으로다양하게 존재하지않는문제점이있다. 본과제에서는이런문제점을해결하고자직류전압 이높은경우에도 컨버터를제안한다. 600V급소자를사용하여구성할수있는새로운구조의 DC/DC 가. 기존구조에서의문제점 그림 17 일반적인 Full-brIdge converter 의구조 일반적으로 220V 교류전원을정류하여사용하는경우 300V정도의직류전압이발생 하기때문에 600V 급소자를사용하여컨버터를구성할수있다. 그러나 380V 교류 전원을이용하는경우 500V정도의직류전압이얻어짐으로인해스위칭시전압 surge를고려하면 600V 급소자를사용할수가없다. 다른예로태양전지용인버터 를설계할경우 220V 계통연계형의경우태양전지출력직류전압을최대 450V 이 하에서설계를하나 380V 계통연계형인경우태양전지의출력직류전압을 700V급 으로설계를하게된다. 이럴경우컨버터를사용하게되면 1200V급소자를사용 하여구성하여야만한다. 그림 17은대용량태양전지용발전시스템을설계할시 의직류전압을예로설명하고있다. - 41 -
이때직류전압은일정하지않고 300V-700V까지변하게되고최대전압이 700V이 므로 600V급의소자를사용할수없으므로그림 17과같이 1200V급으로 DC/DC 컨버터를구성해야만한다. 그러나 1200V급 MOSFET는전류용량이다양하지못할 뿐만아니라전류용량이낮다는문제점이있다. 또한내압이높으am로인해전체 적인소자의스위칭손실이증대된다는문제점이있다. 따라서원하는용량의컨버 터를제작하는데어려움이있다. 높음에도불구하고내압이낮은소자를사용할수있는 다. 이러한문제점을해결하기위해서는직류전압이 Topology를강구하여야한 나. 새로운직류분할구동형컨버터구조 그림 18 본괴제에서개발한컨버터 topology 그림 18은고압직류전압의경우에내압을낮출수있는 topology 이다. 이는커패시 터를직렬로연결하여직류전압을분할하여두개의컨버터를각각의분할된전압 으로구동하여컨버터에분할된직류전압이걸리게하여내압을줄이는방식이다. 즉두개의컨버터를병렬운전하는방식과같다. 개발된 DC/DC converter의기본 모듈은 ZVS방식을적용한 Full bridge converter로구성되어있으며태양광모듈의 출력이고압이므로기본모듈 2 개를직렬로구성하여입력을적용하였다. 출력부분 은병렬로구성되어있어트랜스와인덕터등회로정수가일정하다는가정하에서 출력전류제어만으로입력분할전압을각각일정하게유지할수있다는장점이 있다. 직렬로연결되어있으므로주스위치를 ON-저항성분이작은낮은전압사 양의 MOSFET를적용할수있으므로컨버터전체효율도증가시킬수있는장점 이있다. 본과제에서개발된 3kW DC/DC 컨버터의사양은표 2 와같다. - 42 -
표 2 3kW 컨버터개발사양 구분내용기타 입력전압범위 출력전압범위 350 700Vdc 600Vdc 효율 94% 정격운전시 topology 2 Input Series Output Parallel connected(isop) ZVS full bridge 스위칭주파수 33.333KHz 2. 컨버터제어기개발 컨버터부의시스템구성은위의그림과같다. 2개의독립 Full-bridge converter가 직류전압을분할한전압을입력으로하고출력은병렬로연결된구조를가지고있 다. 동일한컨버터를사용하므로하나의컨버터를개발하여 2개를같이사용할수 있는구조를취하고있다. 각각의모듈에는 PWH 신호를받아서 Full-bridge MOSFET를구동하는회로와 FAULT를감지하여메인제어기로보내는신호로구성 이되어있다. 메인제어기는 2개의독립컨버터를통합제어를하며컨버터 2개를 단일컨버터로제어하는기능을한다. 3kW 컨버터모듈에는 2개의 1.5kW 컨버터 모듈이장착되어있다. 앞서설명한바와같은구조로인해병렬제어같은특별한 방법이없이도동시에제어가가능한구조를채택하고있다. 컨버터모듈의기능은 전력소자인 MOSFET를직접구동하는기능과 FAULT logic 을포함하고있다. 신호 는모두포토커플러를통해서절연되어있으며 PWM 신호는상위제어기로부터받 아들이는구조이다. 제어기의전원은 15V 전원을받아절연하여사용하는구조로 설계되어있다. 출력전류와입력전압을센싱할수있는센서가기본장착되었다. 그림 19 는컨버터모듈제어기의제어보드를보여주고있다. 개선된컨버터모듈제 어기의기능은다음과같다. 상위제어기로부터받은 PWM 신호를이용하여 MOSFET를구동하는회로 컨버터모듈의전압, DC link 전압, 태양광입력모듈전압측정 컨버터모듈의과전류, 컨버터출력전류측정센서 CAN, RS232 통신부분 각컨버터모듈온도센서 - 43 -
그림 19 컨버터모듈제어기 2개의컨버터모듈을통합제어하는주제어기는 DSP 프로세서로개발되었다. 2 개의모듈로부터들어오는신호로부터보호동작과제어동작을수행하게된다. 컨 버터의 PWM ZVS(Zero Voltage Switching) 이가능한 phase-shift PWM을이용하 였고 PWM 신호를발생시키기위해 ALTERA를이용하용디지털로직을설계하였 다. 주제어기에는다른제어기와통신을위한 RS232,485,CAN 통신기능을갖추 고있으며다른컨버터모듈또는상위인버터모듈과의통신이원활하게설계가 되었다. 본연구에서적용한 Phase shifted 기법을구현하기위해서 Altera PLD (Programmable Logic Device) 을이용해서설계하였다. 먼저 FPGA와 EEPROM의 특징에대해서간단히살펴보면다음과같다. 그림 20 컨버터주제어기기능별구성도 - 44 -
EE Programmable 65,536 x 1-, 131,072 x 1-, 262,144 x 1-, 524,288 x 1-, 1,048,576 x 1- and 2,097,152 x 1-bit Serial Memories Designed to Store Configuration Programs for Altera FLEX and APEX FPGAs (Device Selection Guide Included) Available as a 3.3V (±10%) and 5.0V (±5% Commercial, ±10% Industrial) Version In-System Programmable (ISP) via 2-wire Bus Simple Interface to SRAM FPGAs Cascadable Read-back to Support Additional Configurations or Higher-density Arrays Very Low-power CMOS EEPROM Process Programmable Reset Polarity Available 8-lead PDIP, 20-lead PLCC and 32-lead TQEP Packages (Pin Compatible Across Product Family) Emulation of Atmel s AT24CXXX Serial EEPROMs Low-power Standby Mode High-reliability - Endurance: 100,000 Write Cycles - Data Retention: 90 Tears for Industrial Parts (at 85 ) and 190 Tears for Green (Pb/Halide-free/RoHS Compliant) Package Options Available - 45 -
그림 21 EEPROM 내부구성 블록도에서보면 FPGA device 의제어신호(nCS, RESET/OE 와 DCLK) 와직접연 결되어있다. 모든 FPGA device는 EEPROM과의 data 교환이나 configuration등을 외부의제어기없이직접제어할수있는특징이있다. EEPROM에서 ncs핀은 AT17A 시리즈의출력을제어한다, 즉 ncs핀이 Low가되면카운터와 DATA 출력 핀이활성화된다 그림 22 EEPROM 인터페이스회로 - 46 -
ACEX1K device는메모리와로직함수그리고로직어레이로구성된 embedded 어레이를가지고있다. 또한 embedded어레이는시리즈 EABs 로구성되어있으며, 각 EAB는 4096bit 로되어있다. 이 EAB는 100 600gate 로멀티플렉서, 마이크로프 로세서와 DSP 와같은복잡한로직함수를구현할수있다. 본연구에서는 Phase shifted용 PWM파형을발생하기위해서 ALTERA의 PLD칩을사용해서구현하였고 회로도는아래그림과같다. DSP의 GPIO(General Purpose Inut Output) 의 A port 를데이터출력으로이용했고, B port는각종 Digital input 신호의제어기입력으로 사용하였다. 그림 23 ACEX1k30 의인터페이스회로도 - 47 -
ALTERA device에원하는로직을구현하기위해서는 Altera에서제공하는 MAK+pius 라는소프트웨어를이용한다. 그림은본연구에서작성한로직이고메 인부분이다. 그림 24 Phase shift PWM logic 의메인부분 왼쪽에있는부분이입력데이터, 함수신호이고가운데위치하고있는박스로되어 있는부분이 phase shift 를구현한부분이다. 이것은 Hierarchy구조로되어있어내 부에각기능별로함수화되어있다. 오른쪽에있는포트는출력부분이며이는 DSP의디지털입력으로정의된 GPIOB 포트와연결되어있다. 직류전압을분할운 전하게되므로제안된컨버터제어기는직류전압의불균형을감시할수있는직류 전압불균형보호알고리즘을갖추고있다. - 48 -
그림 23 컨버터주제어기의블록다이어그램 - 49 -
3. 컨버터 Power Stack 개발 그림 26 컨버터 power stack 설계도면 본과제에서개발된컨버터의 power stack 배치도면은그림 26 과같다. 2개의컨 버터로구성되어져있으며트랜스포머양쪽옆에배치되어있고출력필터와출력 전압센싱을위한센싱보드가뒤쪽에위치해있다. 전원장치인 SMPS 는두분으로구성이되어있다. 첫번째 SMPS는교류 220V에서 15V의직류로변환하는 AC/DC 컨버터형태로구성되어져있다. 일단 15V로전압 을변환한다음 2단계로이 15V를이용해여 DSP 보드에사용한전원을절연된형 태로변환하게된다. - 50 -
그림 27 AC/DC SMPS 그림 28 DC/DC SMPS Gate Driver는 4개의 MOSFET를구동할수있게하나의보드로개발되었으며 1.5kW DC/DC 컨버터 2개로시스템이구성되어있어 2개의게이트드라이브보드 가필요하게된다. 게이트드라이브를위한독립된전원은게이트드라이브보드에 서트랜스포머를사용하여절연된형태로전원을만들게된다. 그림 29 Gate Driver board - 51 -
본과제에서개발된컨버터의용량이 1.5kW급이므로이에사용된 MOSFET가 3핀 을가진형태로인해기판에장착하기에여러가지로문제점이많다. 특히소손에 의해소자를제거하고자할경우기판에납땜으로고정되어있어때어내고다시납 땜하는과정에서메인전력 PCB도손상이되어기판전체를사용할수없는일이 종종일어난다. 따라서이러한문제점을해결하고자본과제에서는 3핀소자를고 정시키는쪽보드를개발하여소자를전력 PCB에취부할때납땜이아닌나사로 체결하는형태를취함으로인해소자의착탈이용이하게하였다. 그림 30 본과제에서개발된 MOSFET 취부용보드 그림 31은위에서개발된 MOSFET 모듈이장착된파워 PCB 를보여주고있다. 파 워 PCB와 MOSFET 모듈은나사로채결되게되어있어조립이용이하다는장점이 있다. 그림 31 MOSFET 기장착된 Power PCB 아래그림은 MOSFET 모듈과마찬가지로출력다이오우드도같은조립형태를가지 고제작되어착탈이용이하다. 그림 33은 DC/DC 컨버터를제어하기위한 DSP 제 어보드를보여주고있으며 TMS320F2812 로개발되어졌다. 향후본과제에서개 발된 DC/DC 컨버터를이용하여태양광발전용 PCS를개발할경우 PCS의메인 제어기와통합하여개발해야할예정이다. - 52 -
그림 32 DIODE PCB 그림 33 DSP 제어보드 아래그림은 다. DC/DC 컨버터의메인트랜스포머와출력필터인덕터를보여주고있 그림 34 트랜스포머그림 35 필터인덕터 - 53 -
그림 36은위에서설명한 SMPS, Gate driver, DSP 보드가 power stack 위에장착 된모습을보여주고있다. 그림 36 SMPS, Driver, DSP 보드 그림 37 은제어기아래부분에방열판에장착되어트랜스포머, 필터인덕터등이 결선되어진 Power stack 부분을보여주고있다. 그림 37 POWER STACK 부분 - 54 -
5. 실험결과 아래그림들은 SMPS 의출력전압리플측정파형을보여주고있다. 그림 38과 39 은무부하시무부하시 AC/DC SMPS 5V 출력전압파형(1V/div.) 을보여주고있으 며그림는확대된파형을보여주고있다. 최대 peak-to-peak 리플이 0.3V임을볼 수있다. 이는무부하시의값으로무부하시에도 SMPS가잘제어되면서동작되고 있음을보여준다. 그림 38 무부하시 AC/DC SMPS 5V 출력전압파형 (1V/div) 그림 39 무부하시 AC/DC SMPS 5V 출력전압확대파형 (100mV/div) - 55 -
그림 40과 41은 SMPS파형은 Full 부하시 5V 전원의전압파형으로확대된파형으 로 9mV의리플을가지고있음을볼수있으며전원장치가안정된동작을보여줌을 알수있다. 그림 40 풀부하시 AC/DC SMPS 5V 출력전압파형 (1V/div.) 그림 41 풀부하시 AC/DC SMPS 5V 출력전압확대파형 (20mV/div.) - 56 -
그림 42은두개의 1.5kW DC/DC 컨버터의왼쪽상위 MOSFET의게이트구동신 호를보여주고있다. 이는두신호가동싲\ 에동작하고있는것을보여주며이경 우출력의전류리플의상쇄효과를가져올수없기때문에출력전류의리플이늘 어나는단점을가지게된다. 이런단점을극복하기위하여본과제에서는 2개의컨 버터가 interleave 된게이트신호로구동되게하여전류리플을감쇄시킬수있게 구동신호를발생시키고있다. 그림 43은게이트신화가 2개의컨버터에대해서 1/4주기지연되어구동되게함으로써 interleaving 동작을하고있음을보여주고있 다. 그림 42 2 개풀브리지지모듈의각각 Gate A 신호 (10V/div, 5us.div) 그림 43 interleaved 운전을하기위한 2 개풀부리지지모듈의 Gate A 신호 (10V/div, 5us/div) - 57 -
그림 44는 ZVS DC/DC 컨버터의동작파형을보여주고있다. ZVS 동작이잘되고 있음을확대된파형을통하여확인할수있다. 전류파형이전형적인 phase shift ZVS 컨버터의파형임을볼수있다. 그림 44 ZVS 파형 (Vds, Vg, lp, 5us/div) 그림 45 ZVS 확대파형 (1us/div) - 58 -
표 3에서 6까지는입력전압이 450V 600V일때각전압별 DC/DC 컨버터의효율과 본과제에서제안한 topology 의효율을나타낸값이다. 이때컨버터의출력은 620V 로제어한다. 본과제에서제안한 topology에서는입력이출력에가까워질수 록컨버터에부담하는부하율이떨어지게됨으로인해효율은더욱좋아지는경향 을보인다. 출력전압즉 620V를입력전압이넘어설경우에는컨버터는제어를하 지않게되며이경우모든전력을컨버터를통하지않고전부 bypass 되어출력 에전달되므로효율은 100% 에가깝게된다. 물론이경우출력전압은제어되지 않으며입력과출력이같이변하게된다. 계통연계인버터의계통전압이있기때 문에계통에에너지를밀어넣기위해서는이보다높은전압이필요하게되므로계 통연계를위한최소전압이상이필요로하기때문에높은전압에서는인버터에서 제어할수있기때문에전혀컨버터의출력즉인버터의입력전압이일정전압이상 일경우에는전압이변동되어도아무문제가되지않는다. 표 3 효율데이터 (Vin : 450V, Vo:620V) 표 4 효율데이터 (Vin : 500V, Vo:620V) - 59 -
표 5 효율데이터 (Vin : 550V, Vo:620V) 표 6 효율데이터 (Vin : 600V, Vo:620V) 본과제에서적용한기존 Phase Shift 방식의 Full bridge 방식의 DC/DC 컨버터의 효율은입력전압이 600V이고부하가작을때효율이 65.3% 로가장낮게나타난다. 그러나본연구에서제안한방식에서는같은조건에서도 97.3% 로효율이아주높 은값을얻을수있다. 그리고부하와입력전압에관계없이넓은범위에서 96.5% 이상의효율을가지는점이본연구에서제안한방식의특징이다. 그림 126은표 3 에서 6까지의데이터를바탕으로 3D 효율곡선을표시하였다. 기존의 DC/DC 컨버 터에비해서본과제에서제안한방식의효율은전영역에서 지는것을볼수있다. Flat 효율곡선을가 - 60 -
그림 46 전압및부하별효율비교 - 61 -
제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 ( 지원목표및평가착안점에입각한지원목표의달성도및관련분야의기술발전에의기여도등을기술 ) 기술지원항목및달성도 지원항목 기술지원前 지원내용 기술지원後 비고 20% 부하시최저효율 85% 94% 이상 PM3000측정 최대효율 94% 98% 이상 PM3000측정 컨버터용량 10kW 3kW 10kW PCS 적용시 제 5 장기술지원결과의확용계획 ( 추가지원의필요성, 타연구에의응용, 기업화추진방안을기술) 사업별특성에따라목차는변경가능함 기술지원완료한 3kW급 DC/DC 컨버터설계기술은고효율 PCS의중요기술로 다음제품에모두적용하여 고효율단상 PCS 고효율비절연형중형 대용량비절연 PCS 의제품라인업을늘려나갈예정이다. PCS 10kW PCS 100kW 250kW급 50kW급 - 62 -
제 6 장참고문헌 [1] R. C. Dugan, T. E. McDrmott, Distributed generation, IndustryApplicationsMagazine,IEEE,Vol. 8, Issue 2, Mar.-Apr. 2002, pp. 19~25 [2] J.M. Carrasco, L.G. Franquelo, I.T. Bialasiewicz, E. Galvan, R.C. PortilloGuisado, M.A.M. Prats, J.I. Leon, N. Moreno-Alfonso,, IEEETrans.OnIndustrialElectronics,Vol53,Issue4,Jun.2006,pp.1002~1016. [3] L.S Toh, Z. Salam, M.Z. Ramli, "Power Electronics and Drives Systems, 2005, PEDS 2005, Vol. 1, 16-18, Jan. 2006, pp. 642~647. [4] MZ. Ramli. Z. Salam, L.S. Toh, C.L. Nge, "Power Engineering Conference, 2003, PECON 2003, Proceedings, 15-16 Dec. 2003, pp. 71~75. [5] S.B. Kjaer, J.K. Pedersen, F. Blaabjerg, " IEEETransactionson Industry Applications, Vol. 41, Issue 5, Sept.-Oct. 2005, pp. 1292~1306. [6] F.J. Vorster, E.E. van Dyk, A.W.R. Leitch, "Photovoltaic Specialists Conference, 2002, 19-24, May 2002, pp. 1604~1607. [7] L.A.C. Lopes, A.-M. Lienhardt, "IEEE 34th power Electronics Specialist Conference, 2003, Vol. 4, 15-19, Jun. 2003, pp. 1729~1734. [8] R. Leyva, C. Alonso, I. Queinnec, A. Cid-Pastor, D. Lagrange, L. Martinez-Salamero, "IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, VoI. 42, Issue 1, Jan. 2006, pp. 249~258 [9] Libo Wu, Zhengming Zhao, Jianzheng Liu, Shu Liu, Liqiang Yuan, "Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems, 2005, ICEMS 2005, Vol 2, 27-29 Sept. 2005, pp. 1027~1030 [10] Byung Duk Min, JongPil Lee, Joug-Hyun Kim, Tae-Jin Kim, Dorg-Wook Yoo, Chung-Yeon Won, Heung-Gun Kim, " IEEE power Electronics Specialists Conference, 2007,PESC, 17~21 Jun. 2007, pp. 1250~1254. - 63 -
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