실리콘 카바이드가 친환경 대안을 선순환으로 이끈다
전기차(EV) 시장을 이끄는 친환경 의식과 규제는 배터리 기술 및 실리콘 카바이드(Silicon Carbide) 기반 설계를 혁신적으로 발전시키며 녹색 에너지 생산을 변화시켰습니다. 재생 가능 에너지 확대의 필요성이 이제는 매우 중요해졌습니다. 점점 더 다양해지는 기후 변화, 단기적으로는 화석 연료 공급망 문제와 장기적으로는 제한된 화석 연료 자원, 그리고 지속적으로 증가하는 에너지 수요로 인해 지역 친환경 에너지의 필요성이 강조되고 있습니다. 재생 가능 에너지가 특히 태양광과 풍력을 통해 투자수익률(ROI)을 크게 증가시키기 위해서는 에너지 저장 시스템(ESS)의 효율성, 용량, 전력 밀도, 비용 효율성을 향상시키는 것이 필수적입니다. 그리고 EV 시장의 성장에 힘입어 배터리 기술과 실리콘 카바이드 장치에서 이루어진 혁신 덕분에 이러한 목표를 달성하기 위한 솔루션이 이제는 제공되고 있습니다.
태양이 태양광 성공을 비추다
국제에너지기구(IEA)는 2022년 재생 가능 에너지 용량이 8% 증가하여 300GW를 초과할 것으로 예상하고 있습니다. 기관에 따르면 재생 가능 에너지의 르네상스를 이끄는 것은 태양광 발전(PV)이며, 글로벌 재생 가능 에너지 용량 증가의 60%를 차지할 것으로 보입니다. 이러한 성장을 뒷받침하는 이유로는 몇 가지 도전 과제들이 점진적으로 해결되고 있다는 점이 포함됩니다.
- 태양광 패널과 관련 전자 기기는 더 효율적으로 발전했으며, 풍력과 수력보다 빠른 속도로 화석 연료에 비해 더 낮은 비용을 달성하고 있습니다. 세계 각국 정부는 상업적 인센티브와 규제적 지원을 통해 이를 바탕으로 발전을 도모하고 있습니다.
- 기후 변동성에 의해 악화된 바람과 태양광 에너지 생성의 특유한 간헐성은 ESS를 추가함으로써 완화될 수 있습니다. 배터리 기술의 개선은 용량 확대와 비용 절감을 제공하고 있으며, 실리콘 카바이드 기반 설계는 이러한 시스템들을 더욱 효율적으로 만들고 있습니다.
- 태양광 PV의 주요 장점은 주거용 애플리케이션에서 몇 킬로와트부터 대규모 유틸리티 태양광 농장에서 메가와트까지 광범위한 확장성을 갖춘다는 점입니다. 매우 높은 출력과 비용이 많이 드는 유틸리티 규모 투자에서 가장 실용적인 풍력 및 수력과 달리, 태양광은 다양한 시스템 구성에 적합합니다.
패널에서 ESS 시스템 개요
태양광 아키텍처는 일반적으로 세 가지 구성으로 나뉩니다. 주거 단위에서는 마이크로인버터가 1~4개의 패널 블록을 지원합니다. 스트링 인버터는 몇 킬로와트에서 약 50kW까지 패널 클러스터를 통합합니다. 50kW에서 200kW까지는 스트링이 통합되어 상업 및 산업 설치를 지원합니다. 메가와트 규모의 유틸리티급 설치는 기존에 대규모 중앙 시스템을 사용했지만, 이제는 설치 시간과 비용을 절감하고 고장 지점의 영향 및 전체 유지보수 비용을 낮추기 위해 분산형 스트링 기반 토폴로지를 선택하는 경우가 많습니다.
최대 전력점 추적기(MPPT)는 DC-DC 부스트 회로로, 패널 배열에서 변화하는 전압을 수용하고 내부 버스에 일정한 더 높은 전압을 제공합니다(Figure 1). 더 안정적인 DC는 인버터에 의해 그리드 표준 AC로 변환됩니다. ESS 구현에서 양방향 DC-DC 벅-부스트 회로는 배터리 충전기로 작동합니다. ESS가 그리드에서 충전해야 하는 경우 인버터 또한 양방향으로 동작해야 합니다.
패널-그리드 시스템 개요
그림 1
실리콘 카바이드 기술 향상
실리콘 카바이드는 부스트/MPPT DC-DC, 양방향 인버터 또는 능동 프론트 엔드(AFE), 그리고 ESS 충전/방전 회로의 양방향 DC-DC 구성에서 낮은 1-kW부터 1-MW 이상의 구성에 이르기까지 이 애플리케이션에 적합합니다. 그리고 실리콘에 비해 다양한 장점을 제공합니다:
- 대부분의 애플리케이션에서 3배 높은 전환 주파수
- 시스템 효율성 약 2% 증가 또는 손실 약 40% 감소
- 최대 50% 높은 전력 밀도 (크기 3배 감소, 무게 10배 가벼움)
- 더 작은 패시브와 히트싱크
- 전체 시스템 BOM 비용 절감
실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드는 MPPT 부스트 회로에서 효율성을 높이기 위해 오랫동안 사용되어 왔지만, 이제는 MOSFET을 포함한 전체 실리콘 카바이드 구현 방식이 보다 널리 채택되고 있습니다. 예를 들어, Wolfspeed의 CRD-60DD12N 15-kW-by-4-channel 부스트 컨버터 레퍼런스 디자인은 99.5%의 에너지 효율과 78 kHz에서 스위칭을 제공합니다. 실리콘으로 가능한 것과 비교하여 이 설계는 에너지 효율성을 1-2% 높이거나 약 70%의 손실 감소를 이루며, 전력 밀도를 3배로 증가시키고 무게를 10배 줄입니다. 또한 이러한 성능은 시스템 구현 비용을 낮추면서 얻을 수 있습니다.
실리콘 카바이드는 AFE 섹션에도 유사한 영향을 미칩니다. 여섯 개의 스위치를 사용하는 실리콘 IGBT 구현은 상대적으로 저렴한 비용과 단순성 때문에 일반적으로 사용됩니다(그림 2). 그러나 이 방식의 스위칭 주파수는 최대 약 20kHz로 제한되며, 높은 전력 수준에서는 이보다 훨씬 낮아집니다. 실리콘 슈퍼 정션(SJ) 디바이스를 사용하는 다중 레벨 위상 방식은 설계자가 높은 주파수 스위칭과 우수한 시스템 효율성을 통해 필요한 높은 전압 수준을 달성할 수 있도록 하지만, 이는 복잡한 제어와 더 많은 스위치 및 관련 디바이스 드라이버로 인해 부품 수와 BOM 비용이 크게 증가하는 대가를 동반합니다. 이러한 점은 Wolfspeed의 CRD25AD12N-FMC 22kW AFE 참고 디자인에서 입증되었습니다.
실리콘 카바이드(Silicon Carbide)는 더 간단하고 효율이 높으며 비용이 저렴한 AFE 설계를 가능하게 합니다.
그림 2
ESS 분야에서 EV 시장은 배터리 저장 트렌드에 영향을 미쳐 200V 배터리 팩의 사용을 가능하게 했으며, 잠재적으로는 800-1000V로 이동하는 방향으로 발전하고 있습니다. 이러한 고전압은 양방향 DC-DC 컨버터에서 고전압 장치를 필요로 합니다. 설계자들은 종종 실리콘이 80kHz에서 120kHz 사이로 제한된 스위칭을 가지는 복잡한 다단 레조넌트 토폴로지에서 일반적인 650V SJ 디바이스를 사용해왔습니다. 대신, CRD-22DD12N 22kW 양방향 DC-DC 충전기와 같은 단순한 풀 실리콘 카바이드 구현은 약 200kHz의 레조넌트 주파수를 달성할 수 있으며 부품 수와 전체 시스템 비용을 줄일 수 있습니다.
실리콘 카바이드 기반의 양방향 AFE와 DC-DC 충전기를 결합하면 여러 시스템 수준의 장점이 발생합니다:
- 에너지 손실이 40% 감소하여 이를 통해 가능하게 합니다
- 시스템 수준 효율성에서 2% 개선
- 50% 향상된 전력 밀도
- 최대 18%까지 낮은 시스템 비용
고출력 실리콘 카바이드로 구축된 미래
실리콘 카바이드(Silicon Carbide) 기반 시스템은 여러 중요한 단기 트렌드를 지원합니다. 태양광 산업은 1500V 버스를 향해 나아가고 있으며, 이는 2kV 디바이스 또는 복잡한 멀티 레벨 토폴로지를 필요로 합니다. 중앙 인버터 분야에서는 2kV 이상 범위의 중-고전압 디바이스 및 파워 모듈이 요구될 것입니다.
실리콘 카바이드는 오늘날의 중앙 인버터에 사용되는 양극 스위치와 달리 단극 스위치를 제공합니다. 이는 동일한 효율성, 무게, 크기 및 비용상의 이점을 가져올 것입니다. 새로운 기술은 또한 고체 상태 변압기, 풍력 및 견인력을 포함한 새로운 분야에 영향을 미칠 것입니다.
현재 다양한 실리콘 카바이드 개별 소자와 전력 모듈이 현재 요구 사항을 충족하기 위해 제공되고 있지만, Wolfspeed는 새 제품을 시장에 출시하여 이러한 미래 요구 사항을 충족하기 위해 연구개발(R&D)에 투자하는 전통을 이어가고 있습니다.
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