주거용 태양광 시스템에 적합한 인버터 선택하기
(출처: ArgitopIA/stock.adobe.com; AI로 생성)
전 세계 주거용 태양광 시장은 불확실했던 2024년 이후 강력한 성장을 앞두고 있다. 맥킨지 앤 컴퍼니(McKinsey & Company)에 따르면, 2020년부터 2023년까지 관찰된 정부 인센티브에 부분적으로 힘입었던 붐은 지속 가능하지 않았다.[1] 이러한 인센티브가 축소되고 금리가 상승함에 따라 업계는 역풍을 맞았다. 하지만 전기 요금 상승과 주거용 태양광 장비 비용 하락으로 인해 인센티브가 없더라도 태양광 기술의 경쟁력이 유지되고 있으며, 맥킨지는 주거용 태양광의 누적 설치 용량이 2020년대 말까지 두 배 이상 증가할 것으로 전망했다.
성장하는 산업의 요구를 충족하기 위해 제조업체는 모든 고객에게 최적화된 솔루션을 제공해야 한다. 주거용 태양광 설치는 태양광 장비를 수용하도록 특별히 설계되지 않은 환경에도 눈에 띄지 않게 어울리고 안전하게 작동하는 콤팩트하고 전력 밀도가 높으며 비용 효율적인 시스템에 대한 수요가 강조되면서 특별한 과제를 안겨준다. 주거용 시장에 최상의 서비스를 제공하기 위해, 제조업체와 설치업체는 태양광 인버터 토폴로지에 대한 전문 지식과 주거용 태양광 시스템을 구성하는 전자 부품에 대한 상세한 지식이 필요할 것이다. 이 글에서는 핵심적인 태양광 토폴로지를 자세히 살펴보고, 효과적인 주거용 태양광 시스템을 개발하는 데 필수적이며 신뢰할 수 있고 스위칭이 빠른 일부 전자 부품들을 조사한다.
스트링 인버터
태양광 시스템 설계에 사용할 인버터를 선택할 때 주요 토폴로지 옵션에는 스트링 인버터와 마이크로인버터가 포함된다. 주거용 스트링 인버터는 직렬로 연결된 여러 광전지(PV) 패널의 DC 출력을 받아, 연계될 전력망의 주파수 및 전압 수준에 맞는 AC 전력 수준으로 변환한다. 대부분의 PV 인버터와 마찬가지로 스트링 인버터는 일반적으로 최대 전력점 추적(MPPT)을 통합하여 패널의 조도 변화에 따라 PV 패널에서 가능한 최대 전력을 추출하도록 한다. 스트링 인버터의 단점 중 하나는 여기에 연결된 여러 패널 중 하나가 부분적으로 그늘에 가려질 경우, 해당 패널이 ‘가장 약한 연결고리’가 되어 전체 가용 출력 전력을 제한한다는 점이다.
일반적인 스트링 인버터 (그림 1)에서는 여러 패널이 입력 보호 및 필터링 회로에 연결되며, 이 회로에는 높은 에너지 흡수 성능을 제공하고 제3자 안전 표준을 충족하는 금속산화물 바리스터(MOV)와 같은 소자가 포함된다. 필터 단계에서 DC 전력은 MPPT를 갖춘 DC-DC 부스트 컨버터로 흐르며, 이 단계에서는 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)가 사용된다. DC-DC 단계는 DC-AC 인버터에 연결되며, DC-AC 인버터는 MOSFET 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용하여 전력망에 맞는 AC 전력 수준을 생성한다. 예를 들어 유럽과 여러 지역에서 일반적인 230V, 50Hz 또는 북미에서 일반적인 120V, 60Hz 수준이 이에 해당한다. 마지막으로 출력 필터 및 보호 단계에서는 MOV, 퓨즈 및 기타 보호 소자를 사용하여 안전하고 매끄러운 출력 전압을 생성한다.
그림 1: 여러 태양광 패널에 연결된 스트링 인버터의 다이어그램. (출처: 리틀휴즈(Littelfuse))
마이크로인버터
이와 달리 마이크로인버터는 단일 태양광 패널에 연결되며, 각각의 마이크로인버터에 포함된 MPPT는 해당 패널의 조도 수준에 맞춰 가능한 최대 전력을 추출한다. 따라서 일부만 조명을 받는 패널이 다른 완전히 조명을 받는 패널에서 사용할 수 있는 전력 수준을 제한하지 않으며, 스트링 인버터의 ‘가장 약한 연결고리’ 문제를 해소한다.
그림 2의 구현 예시에서 볼 수 있듯이, 단일 태양광 패널은 마이크로인버터의 입력 필터에 연결되고, 이 입력 필터는 MOSFET을 포함하는 고주파 DC-AC 인버터에 다시 연결된다. 해당 인버터의 출력은 고주파 변압기로 전달된다. 이 변압기는 UL 1741 또는 IEC 62109와 같이 계통 연계형 재생에너지 시스템에 적용되는 관련 전기 규정에서 요구되는 경우가 많은 패널과 전력망 연결 간의 갈바닉 절연을 제공한다. 주파수가 높기 때문에 이 변압기는 50Hz 또는 60Hz의 전력망 주파수에서 동작할 때보다 훨씬 작게 만들 수 있다. 변압기의 출력은 정류된 후 저주파 DC-AC 인버터로 전달되며, 이 인버터는 MOSFET 또는 IGBT를 사용하여 230V 단상 50Hz 또는 60Hz 전압을 생성하고, 이 전압은 출력 필터 및 보호 단계에서 평활화된다.
그림 2: 단일 태양광 패널에 연결된 마이크로인버터의 다이어그램. (출처: 리틀휴즈(Littelfuse))
스트링 인버터와 마이크로인버터에 공통적으로 사용되는 다른 회로 블록에는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터에서 사용되는 전력 스위치를 제어하는 게이트 드라이버가 포함된다. 효과적인 게이트 드라이버는 콤팩트한 패키지에서 빠른 상승 및 하강 시간, 래치업에 대한 높은 내성, 빠른 열 응답을 제공한다. 또한 인버터에는 보조 전원 공급 장치도 통합되어 있으며, 이는 패널 입력 전압에서 조정된 DC 전압을 생성하여 마이크로컨트롤러 유닛(MCU), DC-DC 및 DC-AC 전력 부품용 게이트 드라이버, 유선 및 무선 통신 인터페이스를 포함한 인버터 회로에 전원을 공급한다. 이러한 통신 인터페이스는 패널 전압, AC 전압, 온도와 같은 작동 조건을 다른 연결 장비에 보고한다.
리틀휴즈(Littelfuse) 주거용 태양광 솔루션
주거용 태양광 환경의 구체적인 전력 관리 요구사항을 해결하려면 다양한 에너지 요구에 대응할 수 있는 폭넓은 부품 옵션이 필요하다. 리틀휴즈(Littelfuse)는 주거용 태양광 시스템을 위한 회로 보호 부품, MOSFET, 게이트 드라이버로 구성된 광범위한 포트폴리오를 제공한다. 해당 기업의 주거용 태양광 솔루션은 카트리지 퓨즈부터 실리콘(Si) 및 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET, MOSFET 모듈에 이르기까지 인버터 설계 전반에 사용할 수 있는 다양한 부품을 갖추고 있다. 디스크리트 MOSFET은 설계 유연성을 극대화하며, 빠른 회복 다이오드를 통합한 리틀휴즈의 MOSFET 모듈은 콤팩트하고 전력 밀도가 높은 설계를 가능하게 한다.
MPPT가 포함된 스트링 인버터의 DC-DC 부스트 단계에 대해 리틀휴즈는 초저 온저항 (RDS)과 높은 전류 처리 성능을 제공하는 MOSFET을 제공한다. 이러한 소자는 장착이 쉽고, 그 결과 공간 절약에도 기여한다. 마이크로인버터의 정류 단계에 대해서는 리틀휴즈의 실리콘 쇼트키 다이오드가 매우 낮은 순방향 전압 강하를 제공한다. 이러한 소자는 낮은 전류 누설을 보장하며, 단일 나사 장착 방식의 공통 캐소드 구성으로 제공된다.
스트링 인버터와 마이크로인버터의 DC-AC 단계에 대해 리틀휴즈는 열 저항을 줄이고 빠른 스위칭 속도로 손실을 최소화하면서 높은 서지 전류를 처리할 수 있는 MOSFET과 IGBT를 제공한다. 또한 인버터의 입력 및 출력 필터 단계에 대해서는 높은 에너지 흡수 성능을 제공하고 제3자 안전 표준을 준수함으로써 인증 소요 시간을 줄이는 MOV를 제공한다. 이러한 주거용 태양광 솔루션에는 폭넓은 전압, 전류, 에너지 정격 범위를 갖춘 다양한 MOV가 포함된다. 이와 함께 리틀휴즈의 카트리지 퓨즈 제품군은 출력 단계에 적합하다. 다양한 패키지 크기와 암페어 정격으로 제공되는 이 퓨즈는 특정 애플리케이션 요구사항을 충족하기 위해 속단형(fast-acting), 중속형(medium-acting), 지연형(time-delay) 특성으로 제공된다.
리틀휴즈는 스트링 인버터와 마이크로인버터 전반에 사용할 수 있는 부품도 제공하며, 여기에는 전압 서지로부터 보호하는 과도 전압 억제(TVS) 다이오드 어레이와 과열 상태를 감지할 수 있는 부온도계수(NTC) 센서가 포함된다.
맺음말
급성장하는 주거용 태양광 에너지 시장은 인버터 제조업체들과 시스템 설치업체들에게 상당한 기회를 제공한다. 업계 전반의 기업들은 각 주거용 최종 고객의 구체적인 애플리케이션에 최적화된 토폴로지를 선택하고, 카트리지 퓨즈부터 전력 MOSFET 모듈에 이르는 고성능, 고신뢰성, 콤팩트 부품을 사용해 필요한 장비를 구현함으로써 경쟁 우위를 확보할 수 있다.
저자 소개
릭 넬슨(Rick Nelson)은 기술 전문 저널리스트로, Test & Measurement World의 총괄 편집장, EDN의 편집장, EE-Evaluation Engineering의 총괄 편집장을 역임했다.또한 Vision Systems Design, Electronic Design을 비롯한 여러 매체에 기고했으며, 다수의 라이브 패널 토론과 웹캐스트에도 참여했다. 릭은 제너럴 일렉트릭(General Electric)과 리튼 인더스트리즈(Litton Industries)에서 시스템 엔지니어링 및 제품 개발 직무를 맡은 경력도 있다. 그는 펜실베이니아 주립대학교(The Pennsylvania State University)에서 전기공학 학사 학위를 받았다.