SiC가 친환경 에너지파워 인버터에 이상적 소재인 이유
글: 아담 킴멜(Adam Kimmel)
제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
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기하급수적으로 증가하는 전 세계 에너지 수요를 충족하면서, 향후 수십 년 간 탄소 배출을 줄여 지구의 기온 상승을 1.5°C 이하로 억제하려면 친환경 에너지는 필수라고 할 수 있다. 이 같은 친환경 에너지의 중요성으로 인해 2030년 재생에너지 시장 규모는 2조 달러에 달할 전망이다. 전세계 에너지저장시스템(ESS) 시장 규모만 해도 130억 달러를 초과하게 될 것이다. 또한 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act, IRA)으로 인해, 친환경 에너지 비용이 태양광 에너지의 경우 35%, 풍력 에너지의 경우 50% 정도 저렴해질 전망이지만, 재생 가능한 DC 전력을 전송 가능한 AC 전력으로 변환하기 위한 분산형 인프라를 구축하는 데는 여전히 난관이 따르고 있다.
인버터는 친환경 에너지원을 위해 이러한 DC-AC 변환을 제공하는 핵심 기술이다. 여기엔 그만한 이유가 있는데, 인버터의 변환 효율은 최대 96%에 이르기 때문이다. 인버터 기술은 전력 변환에 있어서는 이처럼 커다란 이점을 제공하지만, 규모와 내구성 면에서 해결해야 할 과제들이 있다. 또한 기존의 아키텍처는 능동 냉각(active cooling) 시스템과 중장비의 도움이 필요하다. 기술적 성능과 상업적 성공, 이 두 마리 토끼를 모두 잡기 위해 엔지니어들은 대형 태양광 및 풍력 인버터에 이상적인 소재이라 할 수 있는 실리콘 카바이드(SiC)를 채택하고 있다.
재생 가능 에너지 인버터의 구조
재생 가능 인버터가 기대 성능을 발휘하려면 여러 개의 규격 값이 필요하다. 여기에는 입력(DC) 전류 및 전압 범위, 최대 교류(AC) 출력, 변환 효율 목표, 그리고 애플리케이션에 대한 정격 작동 온도 범위가 포함된다. 이들 값을 레벨별로 정량화하면 빌딩블록 컴포넌트들로 구성되는 친환경 에너지 인버터를 설계할 수 있다.
● DC 흡입(intake) (차단기 및 과부하 퓨즈 등) : DC 흡입 부품에는 재생 가능한 DC 전력을 인버터에 연결하는 태양광 패널 또는 풍력 터빈이 포함된다.
● 전력 변환기(고주파 변압기, MOSFET/IGBT 및 제어 회로 등) : 전력 변환기 부품은 입력 DC 전력을 AC 출력 전력으로 변환한다.
● AC 출력(회로 차단기 또는 퓨즈 등) : AC 출력 부품은 인버터 AC 전력을 주거용 또는 상업용 건물 등의 애플리케이션에 연결한다.
● 제어시스템 : 제어 시스템 부품으로는 원격 평가, 문제 해결, 성능 최적화를 위한 모니터링 및 제어 장치가 있다.
● 냉각시스템(팬, 방열판 또는 액체 냉각 루프 등) : 냉각 시스템 부품으로는 인버터 작동 중에 발생하는 열을 발산하는 능동 냉각 시스템이 포함된다. 전력 변환에서 이러한 열은 대부분의 비효율을 나타내며 디바이스 부품들을 손상시킬 수 있다.
애플리케이션의 일반적인 크기
앞서 설명한 시장의 수요를 충족하기 위해서는 대형 인버터가 필요하다. 그러나 인버터 기술은 커다란 규모에만 국한된 것이 아니며, 재생 가능한 전력 변환은 주로 세 가지 수준으로 분류할 수 있다:
● 유틸리티(중앙) 인버터(>20kW) : 유틸리티 인버터는 태양광 패널 세트당 한 개의 인버터를 제공하므로 다이오드 손실을 통해 효율을 떨어뜨린다.
● 상업용(스트링) 인버터(1-20kW) : 상업용 인버터는 1:1의 인버터-패널 비율을 제공하므로, 인버터를 직렬로 연결해 효율을 높인다.
● 마이크로 인버터(50-400W) : 마이크로 인버터는 태양광 패널 내의 통합 인버터/MPP 트래커를 통해 최고의 효율을 제공한다.
파워 디스크리트(Power Discrete)용 솔루션
실리콘은 광전지(PV) 셀의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 해왔다. 오늘날 이 소재는 MOSFET과 IGBT 전력 반도체를 위한 필수 솔루션이기도 하다. 하지만 2050 탄소 중립 목표를 달성하기 위해 재생 에너지 수요가 기하급수적으로 증가함에 따라 오늘날의 인버터 기술은 한계를 맞고 있다.
실리콘은 인버터 성능 구현에 있어 작동 전압, 전력 밀도, 온도가 제한된다. 또한 스위칭 손실을 발생해 효율 저하를 초래하며, 인버터 전원 공급 용량을 감소시킨다. 효율이 낮으면 더 큰 규모의 보상이 필요하기 때문에 총 소유 비용과 탄소 배출량이 증가하게 된다.
반면, 실리콘 카바이드(SiC)는 상당히 높은 작동 전압과 높은 전력 밀도, 높은 동작 온도를 실현할 수 있게 하는 와이드 밴드갭(wide bandgap) 소재다. 이는 실리콘보다 스위칭 및 전도 손실이 적고 누설 전류가 낮기 때문에, 이 같은 이점들은 변환 효율을 높여주기 마련이다. SiC는 대규모 태양광 인버터 애플리케이션에서, 변환 시 10MW/GW, 작동 시 500W/s를 절약하는데, 이는 직접적인 에너지 절감으로 이어진다.
울프스피드(Wolfspeed) 솔루션
울프스피드(Wolfspeed)는 성장하는 시장인 SiC 친환경 에너지 인버터 반도체를 위한 탁월한 솔루션을 공급하는 기업이다. 예상 시장 점유율이 60%이고, 수익은 2022 회계연도 7억 달러에서 2024년 15억 달러로 증가할 것으로 예상된다. 오늘날 전력 반도체 시장의 5%를 차지하는 기술 분야에서 이 시장을 선도하는 울프스피드의 잠재력은 무궁무진하다고 할 수 있을 것이다.
1700V SiC 쇼트키 다이오드 등 울프스피드의 SiC MOSFET을 사용하면 더 가볍고, 더 작고, 더 효율적인 태양광 인버터를 구현할 수 있다. 이 같은 이점들은 시스템 부품 수를 줄임으로써 기존 실리콘에 비해 시스템 손실을 줄이고 효율성을 향상하며 전체 와트당 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
태양광 발전 인버터와 ESS 애플리케이션은 다른 재생 가능 시스템과 함께 복원력을 향상시키고, 높은 전류에 대한 글로벌 에너지 요구 사항을 충족하며, 전체 탄소 배출량을 줄이기 위해 그리드 전력을 업데이트하고 있다. 이 같은 시스템은 비용 효율적이어야 함은 물론 가혹한 기후에서도 최대한 에너지 효율적, 공간 효율적이어야 한다.
맺음말
실리콘은 초기 PV 패널의 에너지 변환 효율을 향상하는 데 중요한 역할을 해왔으며, 반세기 넘게 전력 반도체용 필수 소재로 사용돼 왔다. 하지만 재생 에너지, 특히 태양광이나 풍력 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 실리콘은 실용적 한계에 다다르게 됐다.
SiC는 전력 밀도를 높이고 스위칭 손실을 줄이며 스위칭 주파수를 높임으로써 반도체를 포함한 재생 에너지 시스템의 요구사항과 과제에 대응할 수 있는 솔루션이다. 울프스피드의 SiC 솔루션은 온도 변화가 심하거나 습도가 높은 등 매우 열악한 조건에서 태양광 에너지를 전기로 변환하는 태양광 전력 반도체를 위한 보다 작고, 가벼우며, 효율적인 인버터의 구현을 가능하도록 만들어 준다.
▶ 저자 소개
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가다. 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표다.