글: Jeremy Cook
"허공에서" 태양광 에너지를 수집하는 것은 한때 인간이 지난 세기에 비행했던 것처럼 미래 지향적인 일로 느껴졌습니다. 오늘날 태양광 발전은 흔한 기술이지만 효율과 응용 분야에서 여전히 엄청난 성장 가능성이 있습니다.
태양광 발전 관리를 변화시킬 재료 기술 중 하나는 탄화규소(SiC)입니다. 태양광 제조업체는 이 경이로운 재료를 사용하여 매우 효율적이고 견고한 태양광 인버터 시스템을 제작하는데, 이 시스템은 태양광 발전(PV) 전지의 DC 전력을 가정용 및 기업용 AC 전력으로 바꾸는 역할을 합니다. 기본 인버터 아키텍처는 마이크로 PV 인버터, PV 스트링 인버터, PV 중앙 인버터와 같이 세 가지입니다.
이 문서에서는 이러한 아키텍처와 탄화규소가 어떻게 상황에 적합한지 살펴봅니다.
탄화규소 기술: 오랜 역사를 지녔으며 오늘날 새롭게 조명받는 기술
과학자들이 처음으로 탄화규소를 합성한 것은 1891년입니다. 탄화규소는 지구상에서는 드물지만 자연적으로 발생합니다. 탄화규소는 초기에는 연마재로 사용되었으며 이후 다양한 구조 및 전기 응용 분야에 사용되었습니다. 그러나 오늘날에는 전통적인 실리콘 소재를 훨씬 능가하는 특징을 지닌 최첨단 반도체 재료로 구현되고 있습니다.
탄화규소의 과제는 합성된 지 100년이 넘었음에도 불구하고 반도체로 사용하기에 충분한 순도를 확보하는 일이 여전히 매우 어렵다는 것입니다. 트랜지스터급 실리콘(규소)(액체 상태에서 절단 가능 결정으로 가공할 수 있음)을 생산하는 것과 달리 탄화규소 결정 성장에는 가스가 직접 고체로 변환되는 승화/증착 공정이 포함됩니다.
따라서 탄화규소 트랜지스터를 제조하는 것은 규소 기기를 생산하는 것보다 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 그러나 탄화규소의 특징이 우수한 만큼 이 비용이 항상 단순한 등가 비교라고 할 수는 없습니다. 탄화규소는 밴드갭이 넓습니다. 즉, 탄화규소로 제작한 트랜지스터는 규소 기기보다 더 높은 전압, 온도 및 주파수 범위에서 작동할 수 있습니다.
탄화규소는 또한 규소보다 우수한 열 전도체이며 더 높은 온도에서 전기를 전도하는 데 훨씬 더 효과적입니다. 탄화규소의 가장 중요한 용도 중 하나는 태양광 인버터 시스템입니다.
태양광 인버터 시스템이 탄화규소를 사용하는 방법
태양광 인버터에 탄화규소를 사용하면 다음과 같은 다양한 이점을 얻을 수 있습니다.
- 효율 향상
- 전체 시스템 부피 및 무게 감소
- 열관리 향상
- 신뢰성 향상
탄화규소 기기는 규소보다 열을 더 잘 전도하고 견디기 때문에 일반적으로 전체 인버터 구현에서 냉각을 위한 설계 및 부품 비용이 더 적습니다. 인버터의 크기도 작아질 수 있으므로 재료 비용이 절감됩니다. 위에서 설명한 다른 성능 이점, 그리고 향후 개발로 인해 탄화규소 제조 비용이 낮아질 것이라는 아이디어를 추가한다면 탄화규소의 가치 제안은 매우 매력적으로 보입니다.
일단 제조된 태양광 인버터(또는 인버터 어레이)를 사용하려면 태양광 발전(PV) 시스템에 설치해야 합니다. 태양광 설치 프로그램에는 시스템 설정을 위한 세 가지 기본 방법/토폴로지가 있습니다.
세 가지 일반적인 태양광 PV 인버터 토폴로지
인버터, 즉 DC 전원을 AC 전원으로 반전시키는 것은 범용 기술입니다. 태양광 인버터는 PV 어레이의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 데 사용된다고 말할 수도 있습니다. PV 인버터 토폴로지에는 마이크로 인버터, 스트링 인버터, 중앙 인버터와 같이 세 가지 기본 유형이 있습니다. 각각은 다양한 상황과 규모에 적합합니다.
태양광 인버터 응용 분야 가이드
마이크로 인버터
여기서는 기본적으로 "마이크로 인버터"를 다수라고 생각하는 것이 가장 정확합니다. 소형(마이크로) 인버터 어레이가 태양열 패널의 DC 전력을 AC로 변환하여 가정이나 기타 소규모 시설에 공급하는 형태이기 때문입니다. 각 태양광 섹션은 40~80VDC를 생산하며 일반적인 출력은 110~230VAC입니다.
여기서는 기본적으로 "마이크로 인버터"를 다수라고 생각하는 것이 가장 정확합니다. 소형(마이크로) 인버터 어레이가 태양열 패널의 DC 전력을 AC로 변환하여 가정이나 기타 소규모 시설에 공급하는 형태이기 때문입니다. 각 태양광 섹션은 40~80VDC를 생산하며 일반적인 출력은 110~230VAC입니다.
이러한 설정은 매우 유연하며, 전체 전력 범위는 200W~1.5kW이고 효율은 약 96%입니다. 일반적으로 여러 인버터를 패널로 운반하고 패널과 통합해야 하기 때문에 탄화규소 기술을 통해 가능한 크기 감소가 이 시나리오에서 특히 매력적입니다. 그러나 마이크로 인버터는 태양광 인버터 시스템 중 가장 비싼 유형이기도 합니다.
스트링 인버터
태양열 패널이 (스트링으로) 서로 연결되어 전체 DC 전력을 단일 인버터로 보냅니다. 이 토폴로지는 1kW~200kW의 전력 범위에 적합하며, 단일 주택부터 건물 및 산업 단지에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급합니다. 입력 전압은 최대 1,500VDC, 출력은 최대 800VAC 3상입니다. 이 토폴로지는 유연하며 효율은 최대 98.5%입니다. 탄화규소의 더 높은 전압 처리 기능이 여기서 특히 빛을 발합니다.
탄화규소 제조업체 Infineon은 능동형 중성점 클램프(ANPC) 탄화규소 MOSFET 기술을 사용하고 48kHz에서 작동하는 1,500V PV 스트링 인버터 참조 설계를 만들었습니다. 이 설계는 kW당 비용 기준으로 16kHz에서 IGBT 전용 기술을 사용하는 동급 시스템보다 5~10% 저렴합니다. 이러한 설계에 탄화규소 기술을 사용하는 반도체 스위치 및 드라이버는 IGBT 전용 제품에 비해 가격 프리미엄이 있지만, 마그네틱 부품 면에서 상당한 절감 효과가 있어 최대 수준의 금액 차이까지도 상쇄할 수 있습니다.
인버터 응용 분야의 잠재적인 손실 감소와 향상된 성능 덕분에 탄화규소 기반 시스템은 장기적으로 더욱 매력적입니다. 에너지 저장 솔루션(ESS) 설정에 여러 변환까지 추가하면 업그레이드된 탄화규소 기술 사용의 설득력이 더욱 강력해집니다. 위에서 설명한 내용은 PV 스트링 인버터 구현에 대한 것이지만 다른 토폴로지도 탄화규소 기능을 통해 비슷한 이점을 누릴 수 있습니다.
중앙 인버터
여러 줄의 태양열 패널이 중앙 인버터에 전력을 공급합니다. 이러한 토폴로지는 그리드 수준 운영업체에게 적합하며 1,000kW(즉, 1기가와트 이상) 이상의 전력을 생산할 수 있습니다. 입력 전압은 최대 1,500VDC, 출력은 최대 690VAC 3상입니다. 이 기술은 세 가지 토폴로지 중 확장성이 가장 낮지만 효율은 가장 높습니다(최대 99%). 탄화규소의 증가된 전압 기능이 이 시나리오에서 특히 매력적입니다. 중앙 인버터를 사용하면 탄화규소의 고효율 특징을 대규모로 적용할 수 있습니다. 중앙형 인버터는 kW당 가장 저렴한 유형의 태양광 인버터 시스템입니다.
태양광 발전을 위한 탄화규소의 이점
특정 시나리오에서는 특정한 탄화규소 특성이 더 매력적이지만, 탄화규소의 이점 모두는 나열된 각 토폴로지에 적용됩니다. 기술이 발전함에 따라 비용/이점 비율은 더욱 매력적으로 변화할 것입니다. Infineon, Microchip, Onsemi, STMicroelectronics, Wolfspeed를 포함한 회사들이 계속해서 탄화규소 기술을 발전시키고 있으며, 탄화규소가 태양광 산업 및 그 이상에서 전력 효율을 향상시킬 것으로 기대해 볼 수 있습니다.
관련 제품
CCFL 인버터
DC/AC 인버터
Wolfspeed
Infineon
onsemi
