태양광 발전용 고효율 급3kW DC/DC 컨버터 설계 기술 지원 - ITFIND · 2011-12-20 · 17 2008/09/19 회로 실험3kW DC/DC gate drive 기술지원실적 업로드 참조

태양광 발전용 고효율 급태양광 발전용 고효율 급태양광 발전용 고효율 급태양광 발전용 고효율 급3kW DC/DC3kW DC/DC3kW DC/DC3kW DC/DC

컨버터 설계 기술 지원컨버터 설계 기술 지원컨버터 설계 기술 지원컨버터 설계 기술 지원

2008. 11.2008. 11.2008. 11.2008. 11.

한국전개연굴원한국전개연굴원한국전개연굴원한국전개연굴원

주 맥 스 컴주 맥 스 컴주 맥 스 컴주 맥 스 컴( )( )( )( )

지 식 경 제 부지 식 경 제 부지 식 경 제 부지 식 경 제 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 태양광 발전용 고효율 급 컨버터 설계 기술 지윈 지원기“ 3kW DC/DC ”(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2007. 11. 01~2008. 10. 31) .

2008. 11. 30.2008. 11. 30.2008. 11. 30.2008. 11. 30.

지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 유 태 환대표자 유 태 환대표자 유 태 환대표자 유 태 환( )( )( )( )

지원기업 기업명 주 맥스컴지원기업 기업명 주 맥스컴지원기업 기업명 주 맥스컴지원기업 기업명 주 맥스컴: ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( )

대표자 박 경 선대표자 박 경 선대표자 박 경 선대표자 박 경 선( )( )( )( )

지원책임자 민 병 덕지원책임자 민 병 덕지원책임자 민 병 덕지원책임자 민 병 덕ːːːː

참여연구원 이 종 필참여연구원 이 종 필참여연구원 이 종 필참여연구원 이 종 필ːːːː

류 강 열류 강 열류 강 열류 강 열〃〃〃〃 ːːːː

강 덕 형강 덕 형강 덕 형강 덕 형〃〃〃〃 ːːːː

김 정 호김 정 호김 정 호김 정 호〃〃〃〃 ːːːː

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 개월2007. 11. 1 2008. 10. 31 (12 )˜

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 태양광 발전용 고효율 급 컨버터 설계 기술 지원3kW DC/DC

지원책임자 민 병 덕 지원연구원수

총 명: 3

내부 명: 3

외부 명: 0

총

사업비

정부 천원: 100,000

기업 천원: 100,000

계 천원: 200,000

지원기관명 한국전기연구원 소속부서명 전력연구단

지원기업 기업명 주 맥스컴: ( ) 기술책임자 강덕형:

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수

본 연구에서는 태양광 발전용 고효율 급 컨버터를 개발하였다 새로운 고효율 컨3kW DC/DC .

버터 를 적용하여 태양광 발전용 의 전체 효율의 저하를 최소화하였다 고효율 컨topology PCS .

버터는 태양전지의 출력이 온도 광량에 따라 크게 변화하는 특성을 최대한 이용할 수 있으며/

용량의 정도만의 정격용량으로 전체 용량을 감당할 수 있는 특징을 가지고 있다 따PCS 20% .

라서 본 과제에서 개발된 급 컨버터는 급 태양광 발전용 에 적용할 수 있다 컨3kW 10kW PCS .

버터설계에 대한 기술적 설계 방법 이외에 태양전지의 고유 특성 계통연계형 의 기본 이, PCS

론을 전수 하였다.

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한 글 태양전지 전력변환 계통연계 컨버터 효율, , , DC/DC ,

영 어Photovoltaic, PCS, Grid-donnected, DC/DC converter,

efficiency

- 4 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

태양광 발전용 의 핵심부분인 고효율 급 컨버터 설계기술을PCS 3kW DC/DC

지원

급 태양광 발전용 에 적용 가능한 컨버터 개발- 10kW PCS topology

전 부하 영역에서 고효율 달성가능 기술 지원-

게부 개발 목표< >

입력전압- : 350~700V

컨버터 용량- : 3kW

컨버터 출력전압 이상- : 650V

컨버터 최대 효율 이상- : 98%

컨버터 효율 부하 입력 이상- (10% , 350V ) : 94%

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

기존의 컨버터의 문제점을 분석하고 고효율의 특성을 얻을 수 있는 비절연

형 컨버터 에 대한 기술을 지원 요청한다 태양광 발전용DC/DC topology .

고효율 컨버터 설계 기술지원과 관련된 기술 지원 요청 사항은 아DC/DC

래와 같다.

고효율 컨버터 기술- Topology

를 이용한 컨버터 제어 기술- DSP

고주파 스위칭 패턴 발생을 위한 설계 기술- FPGA

고주파 트랜스포머 설계 기술-

고주파 필터 인덕터 설계기술-

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목

지원내용

비고기술지원前 기술지원後

부하 시 최저효율20% 85% 이상94%

최대 효율 94% 이상98%

컨버터 용량 10kW 3kW 적용 시10kW PCS

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 태양광 발전용 계통연계형o : PCS

모 델 명o : Solanger BST series

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비

컨버터 용량다쓰테크 10kW PCS 10kW 3kW

경쟁제품 대비

가격다쓰테크 10kW PCS 120% 100%

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년9.8 / (10%)

인건비 절감 백만원 년4.5 / (20%)

계 백만원 년14.3 / (7%)

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년- / 백만원 년1,000 / - %

수 출 천달러 년- / 천달러 년- / - %

계 백만원 년- / 백만원 년1,000 / - %

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

SMA Sunny boy 천달러 년- / 천달러 년1,000 / 천달러 년1,000 /

계 천달러 년- / 천달러 년1,000 / 천달러 년1,000 /

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

컨버터 효율을 부하에 관계없이 고효율을 얻을 수 있어 일반 컨버터 적용 시

보다 효율을 증대 시킬 수 있다European .

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

고효율 컨버터의 새로운 기술 확보- DC/DC topology

전 부하 영역에서 획기적인 효율 증대 기술 확보-

고주파 스위칭 및 자기소자 설계 기술 확보-

태양광 발전용 의 전체 시스템 효율의 극대화- PCS

시스템에 고효율 컨버터 기술 응용- UPS

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

- 7 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건5 관련 정보 및 국내 기술개발 동향PCS

시제품제작 건4 급 컨버터 관련 부품3kW

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건1 급 컨버터 효율 향상3kW

시험분석 건5 컨버터 특성 시험 분석 지원DC/DC

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건14 이론 및 기술 전수 교육

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2 게재SCI

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건22

지원기업 방문회수 건22 주 맥스컴 기술연구소( )

기 타 건0

부록 참조( )

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

태양광 의 중용량 시장에 대응하기 위해 필수적인 비절연 의 핵심PCS PCS

기술인 고효율 컨버터 기술의 전수로 대용량 제품에서부터 중용량까DC/DC

지 의 라인업을 갖추게 되어 시장에서 경쟁력을 갖추게 되었다PV PCS .

- 8 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술연구개발 성과과학기술연구개발 성과과학기술연구개발 성과과학기술연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과□

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

Vol

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자교신

저자

공동

저자

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

이종필 유지원민병덕,

유동욱

IEEE

Transaction

on

Industrial

Electronics

국제 SCI

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허성과□

출원된 특허의 경우o

등록된 특허의 경우o

- 9 -

사업화 현황□

주11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의한 창1. , 2.

업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.

고용창출 효과□

주9) 창업의 경우는 사업화 성과 에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입“2. ”

10) 사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이나 부서

의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입

- 10 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. : 221. : 221. : 221. : 22

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2007.12.07 태양전지 특성 교육 기술지원실적 업로드 참조

2 2007/12/21 PV PCS Topology 기술지원실적 업로드 참조

3 2008/01/04 개요MPPT 기술지원실적 업로드 참조

4 2008/02/13 컨버터 설계 관련 협의 및 시장동향 자료제공 기술지원실적 업로드 참조

5 2008/02/29 컨버터 외부사양 협의 및 태양전지 특성Ⅱ 기술지원실적 업로드 참조

6 2008/04/03 트랜스포머 사양협의 및 태양전지 특성Ⅲ 기술지원실적 업로드 참조

7 2008/04/11 제어회로 및 발전 시스템 분류 교육review PV 기술지원실적 업로드 참조

8 2008/05/02 컨버터 수동소자 설계 및 교육MPPT algorithm 기술지원실적 업로드 참조

9 2008/05/29 컨버터 최종검토 및 알로리즘 교육topology PLL 기술지원실적 업로드 참조

10 2008/06/20 컨버터 드라이브 및 독립운전 방지 교육 기술지원실적 업로드 참조

11 2008/07/17 향후 과제일정협의 및 독립운전 알고리즘 교육 기술지원실적 업로드 참조

12 2008/07/23 비절연 비교 및 새로운 교육topology topology 기술지원실적 업로드 참조

13 2008/08/11 새로운 컨버터 교육topology 기술지원실적 업로드 참조

14 2008/08/23컨버터 시험방법 및 성능 평가 장비의 구성PCS

교육기술지원실적 업로드 참조

15 2008/09/09 게이트 드라이브 설계 교육 기술지원실적 업로드 참조

16 2008/09/17 해외출장 자료제공 및 향후 업무회의 기술지원실적 업로드 참조

17 2008/09/19 회로 실험3kW DC/DC gate drive 기술지원실적 업로드 참조

18 2008/09/25 향후 시험규정 및 방법 협의 기술지원실적 업로드 참조

19 2008/10/01 성능시험3kW DC/DC converter power board 기술지원실적 업로드 참조

20 2008/10/16마이크로프로세서를 용한 발생기능 테스1 PWM

트기술지원실적 업로드 참조

21 2008/10/20 시험3kW DC/DC output PCB 기술지원실적 업로드 참조

22 2008/10/30 기본파워 동작시험3kW DC/DC 기술지원실적 업로드 참조

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 52. : 52. : 52. : 5


1 2008/02/13 시장동향 자료제공 기술지원실적 업로드 참조

2 2008/04/11 제어회로 설계자료 제공 기술지원실적 업로드 참조

3 2008/09/17 해외출장 자료제공 기술지원실적 업로드 참조

4 2008/09/19 설계 자료제공3kW DC/DC gate drive 기술지원실적 업로드 참조

5 2008/09/25 국제시험규정제공 기술지원실적 업로드 참조

- 11 -

시제품 제작 건시제품 제작 건시제품 제작 건시제품 제작 건3. : 43. : 43. : 43. : 4


1 2008/09/19 3kW DC/DC gate drive 보고서 사진

2 2008/10/02 3kW DC/DC converter power board 보고서 사진

3 2008/10/20 3kW DC/DC output PCB 보고서 사진

4 2008/10/30 컨버터3kW DC/DC 보고서 사진

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 54. : 54. : 54. : 5


1 2008/09/19 회로 실험3kW DC/DC gate frive 기술지원실적 업로드 참조

2 2008/10/02 성능시험3kW DC/DC converter power board 기술지원실적 업로드 참조

3 2008/10/16마이크로프로세서를 이용한 발생기능 테스PWM

트기술지원실적 업로드 참조

4 2008/10/20 시험3kW DC/DC output PCB 기술지원실적 업로드 참조

5 2008/10/30 기본판워 동작시험3kW DC/DC 기술지원실적 업로드 참조

기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. : 225. : 225. : 225. : 22


1 2007.12.07 태양전지 특성 교육 자료 첨부

2 2007/12/21 PV PCS Topology 자료 첨부

3 2008/01/04 개요MPPT 자료 첨부

4 2008/02/13 컨버터 설계 관련 협의 및 시장동향 자료제공 자료 첨부

5 2008/02/29 컨버터 외부사양 협의 및 태양전지 특성Ⅱ 자료 첨부

6 2008/04/03 트랜스포머 사양협의 및 태양전지 특성Ⅲ 자료 첨부

7 2008/04/11 제어회로 및 발전 시스템 분류 교육review PV 자료 첨부

8 2008/05/02 컨버터 수동소자 설계 및 교육MPPT algorithm 자료 첨부

9 2008/05/29 컨버터 최종검토 및 알로리즘 교육topology PLL 자료 첨부

10 2008/06/20 컨버터 드라이브 및 독립운전 방지 교육 자료 첨부

11 2008/07/17 향후 과제일정협의 및 독립운전 알고리즘 교육 자료 첨부

12 2008/07/23 비절연 비교 및 새로운 교육topology topology 자료 첨부

13 2008/08/11 새로운 컨버터 교육topology 자료 첨부

14 2008/08/23 컨버터 시험방법 및 성능 평가 장비의 구성 교육PCS 자료 첨부

15 2008/09/09 게이트 드라이브 설계 교육 자료 첨부

16 2008/09/17 해외출장 자료제공 및 향후 업무회의 자료 첨부

17 2008/09/19 회로 실험3kW DC/DC gate drive 자료 첨부

18 2008/09/25 향후 시험규정 및 방법 협의 자료 첨부

19 2008/10/01 성능시험3kW DC/DC converter power board 자료 첨부

20 2008/10/16 마이크로프로세서를 용한 발생기능 테스트1 PWM 자료 첨부

21 2008/10/20 시험3kW DC/DC output PCB 자료 첨부

22 2008/10/30 기본파워 동작시험3kW DC/DC 자료 첨부

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목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

부록부록부록부록

- 13 -

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

전 세계적으로 지구환경이 급속도로 악화됨에 따라 환경문제를 해결하기 위한 관심

이 급격히 증대됨에 따라 신재생분야에서의 선진국의 투자 및 기술개발이 집중되고

있다 신재생분야에서 태양광 분야도 점점 경제성을 갖추어감으로 인해 급격히 시.

장이 확대되고 있는 시점이다 태양광 분야에서도 경제성이 강조됨에 따라 태양광.

발전 시스템을 구성하는 각 분야에서 가격을 떨어뜨리기 위한 노력이 집중되고 있

는 현실이다 전력변환용 의 경우에도 업체들의 가격경쟁이 격화되고 있어향후. PCS

기존의 저주파 트랜스포머 절연방식에서 탈피하여 가격 및 제품의 크기 무게에서,

불리한 저주파 트랜스포머가 없는 비절연형 가 시장의 주류를 이를 것으로 판PCS

단되므로 경쟁력 있는 비절연형 제품 개발이 절실히 필요한 시점Transformerless

이다 비절연형 는 기본적으로 컨버터와 인버터를 직. Transformerless PCS DC/DC

결하는 구조를 가짐으로 인해 고효율을 달성하기 위해서는 교효율 컨버터DC/DC

의 개발이 필수적이다.

본 기술 지원 사업에서는 전영역에서 고효율을 가지는 컨버터에 대한 설계 기술을

지원하여 향후 개발될 태양광 발전용 의 고효율화를 위한 핵심적인 기술을 지PCS

원하여 관련분야의 매출증대에 기여하고자 한다.

제 절 기술지윈 목표제 절 기술지윈 목표제 절 기술지윈 목표제 절 기술지윈 목표2222

태양광 발전용 의 핵심부분인 고효율 급 컨버터 설계기술을 지원PCS 3kW DC/DC

급 태양광 발전용 에 적용 가능한 컨버터 개발- 10kW PCS topology

전 부하 영역에서 고효율 달성가능 기술 지원-

세부 개발 목표< >

입력전압- : 350 700V˜




컨버터 효율 부하 입력 이상- (10% , 350V ) : 94%

- 14 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

주요목표 기술지원 내용 개발사양

태양광 발전용

고효율 급3kW

컨버터DC/DC

설계 기술 지원

고효율 컨버터 기술- Topology

를 이용한 컨버터 제어 기술- DSP

고주파 스위칭 패턴 발생을 위한-

설계 기술FPGA

고주파 트랜스포머 설계 기술-

고주파 필터 인덕터 설계기술-

입력전압- : 350~700V




컨버터 효율 부하 입력- (10% , 350 ) :

이상94%

- 15 -

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

세계적 수준(1)

기업화 단계로 독일 미국 일본이 세계 태양광 발전 시장의 이상을 차지하고, , 80%

있으며 최근 페인 중국 등이 국가적으로 대규모 투자를 진행하고 있다 일본은tm , .

정부주도의 투자를 통해 핵심기술 확보에 주력하면서 수출과 내수의 균형발전R&D

을 추구하고 있으며 독일은 조정가격 구매 및 저리융자 등 다양한 정책지원을 통해

국내시장을 확대했고 최근 정부주도의 추자 확대를 통해 핵심기술 확보에 주R&D

력하고 있으며 미국은 민간 기업위주로 기술개발을 지원하였으나 년 이2006

후 정부주도형 정책으로 전환하고 있다R&D .

국내 수준(2)

전체 발전량의 에 불과할 정도로 에너지 발전량 측면에서 걸음마 단계이나0.003%

최근 기업들이 속속 태양광 발전 분야에 뛰어들고 있어 향후 전망이 밝다 주택보.

급용 이하 급에서는 벌써 가격 경쟁 체제로 돌입을 하여 경쟁이 치열해지고3kW

있다 따라서 기업에서는 가격을 낮추기 위해 전력변환장치의 경우 초기 저주파 트.

랜스포머방식에서 비절현형으로 시장의 전환이 급격히 일어나고transformerless

있어 이의 개발에 기업들이 적극 뛰어들고 있다 또한 향후 국가의 산업전체에 영.

향을 끼질 만큼의 파괴력을 가진 산업으로 인식되면서 차세대 사업분야를 찾고 있

는 대기업들도 사업체 적극적으로 참여하고 있어 향후 국내 시장규모 및 세계 시장

점유율에서 상당한 진전이 있을 것으로 보인다.

국내 외의 연구현황(3) ․

국 내 국 외

현재까지 저주파 트랜스포머 및 고주파-

트랜스포머등의 절연형이 주류를 이루고

있음

가격경쟁력이 소형제품의 시장에서 주요-

하게 작용하면서 비절연형 방식의 제품이

일부 회사에서 개발되어 시장에 적용되고

있음

비절연형 방식에서 용량이 증대 되면서-

고효율의 컨버터 기술이 요구되나 전 영역

에서 고효율을 이룰 수 있는 기술에는 국

내 업체에서 미흡한 면이 있다.

외국에서는 이미 오래전부터 비절연형의-

제품이 개발되어 적용되어 왔음

일부 회사 제품의 효율이 를 상회하- 98%

고 있으며 국내 기술의 추세를 선도하고 있

음

시장지배력으로 인해 사양상의 주도권을-

무기로 시장 주도적 신제품을 출시하고 있

음

- 16 -

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

태양전지의 특성태양전지의 특성태양전지의 특성태양전지의 특성1.1.1.1.

태양전지 제조회사에서 주어지는 태양전지 모듈의 출력 은 표준 시(Wp, Watt peak)

험조건 에서 얻어지는 값이다 표준 시험조건은(Standard Test Conditions, STC) .

1000W/m2의 태양광 세기와 온도가 에서 얻어진 값이다 그러나 대부분의 실제25℃

상황에서는 태양광의 세기는 1000W/m2보다 약한 에서200 500W/m

2의 세기이며

셀의 온도는 정도이고 조사광의 각도가 모듈에 수직이지 못하다 또한 때40-60 .℃

때로 모듈의 일부분이 나무나 건물 또는 표면에 쌓인 이물질 새들의 분비물 등에( )

의해 그림자가 지워 지는 경우가 많다 이번 장에서는 물리적인 과정에 대한 논의.

보다는 태양전지의 기본적인 특징을 알아보기 위한 등가회로 및 특성에 대해서 살

펴보기로 한다.

가 태양전지 셀의 등가회로가 태양전지 셀의 등가회로가 태양전지 셀의 등가회로가 태양전지 셀의 등가회로....

태양전지의 간단한 등가회로는 다이오드와 전류원이 병렬로 연결되어진 구조이다.

전류원은 태양광의 에 직접 비례하는 광전류irradiation E Iph를 발생시킨다 태양전.

지의 접합은 그럼 에서 보는 바와 같이 다이오드로 등가적으로 표현된다p-n 1 .

그림 간략한 태양전지 등가회로그림 간략한 태양전지 등가회로그림 간략한 태양전지 등가회로그림 간략한 태양전지 등가회로1111

위의 간략한 등가회로로부터 태양전지 셀의 전류전압 특성곡선은 Kirchhoff´s

에 의해서 아래 수식과 같이 구할 수 있다current law .

- 17 -

IPh : Photo current

ID : Diode current

IS : Diode reverse saturation current

m : Diode “ideally factor” m = 1...5VT

Thermal voltage:

․; VT = 25,7mV at 25 .℃

k : constant of Boltzmann k = 1,380658 10-23 JK․-1

T : absolute temperature; [T] = K (Kelvin) 0 K = -273,15℃

e : charge of an electron e = 1,60217733 10-19 As․

이름에서 알 수 있듯이 간략화된 등가회로는 태양전지에서 전기적 과정을 최적으로

표현하지 못한다 실제의 태양전지에서는 외부전극의 접촉저항에 의한 전압손실부.

분이 존재하게 된다 이런 전압손실은 직렬저항 로 그림 에서와 같이 표현 될. Rs 2

수 있다 또한 누설전류가 존재하므로 이는 병렬저항. RP로 표현할 수 있다.

그림 하나의 다이오드로 표현된 태양전지 등가회로그림 하나의 다이오드로 표현된 태양전지 등가회로그림 하나의 다이오드로 표현된 태양전지 등가회로그림 하나의 다이오드로 표현된 태양전지 등가회로2222

를 이용하여 수식을 전개하면 아래와 같은 수식이 얻어진Kirchhoff´s current law

다.

0 = IPh - ID - IP 여기서- I.

․

- 18 -

위의 수식은 간략화된 회로에서 얻은 수식과 같이 전류 전압에 대하여 간단하게 표-

현이 안 된다 좀 더 정확한 모델링을 위해서는 그림 에서 보는 바와 같이 두 개. 3

의 다이오드를 이용한 모델을 이용한다 여기서 다른 을 가진 두. ideaIly factor m

개의 다이오드가 병렬로 연결된 등가회로가 사용된다 일반적으로 다이오드 방정식.

에서는 다이오드의 역방향에 대한 가 표현되지 않는다 그러나 실제breakthrough .

태양전지에서는 높은 역전압에서 현상이 관찰되므로 이러한 특성을breakthrough

모의하기 위하여 역방향 전류원이 추가되면 아래와 같은 태양전지 셀에 대한 정확

한 모델이 완성된다 의 를 이용하면 아래와 같은 전류 전압에. Kirchhoff node-law

관한 특성 수식을 얻을 수 있다 수식의 뒤쪽 부분은 높은 역전압에 대한.

특성을 모의하기 위한 수식이다breakthrough .

V, I terminal voltage and current at the solar cell

IPh photo current

IS1,IS2 saturation current of the first, respectively the second diode

RS serial resistance

RP parallel resistance

m1,m2 diode factor of the first, respectively the second diode (m1 1 (ideal), m2 2)

VT temperature voltage

VBr breakdown voltage (VBr -15V...-50 V)

a correction factor (a = 0...1-1)

n exponent for avalanche breakdown (n = 1..10)

- 19 -

그림 두 개의 다이오드와 특성 모의가 가능한 태양전지 등가회로그림 두 개의 다이오드와 특성 모의가 가능한 태양전지 등가회로그림 두 개의 다이오드와 특성 모의가 가능한 태양전지 등가회로그림 두 개의 다이오드와 특성 모의가 가능한 태양전지 등가회로3 Breakthrough3 Breakthrough3 Breakthrough3 Breakthrough

나 태양전지 셀의 전압 전류 특성곡선나 태양전지 셀의 전압 전류 특성곡선나 태양전지 셀의 전압 전류 특성곡선나 태양전지 셀의 전압 전류 특성곡선. -. -. -. -

그림 는 실제 태양전지의 특성곡선과 다이오드 하나를 사용한 모델에서 얻어진 특4

성곡선을 보여주고 있다 짧은 점선으로 표시된 곡선은 이상적인 다이오드 모델.

을 사용한 간략화된 모델에서 얻어진 특성곡선을 보여주고 있으며 긴 점선으(m=1)

로 표시된 곡선은 실제 다이오드 모델 을 사용한 간략화된 태양전지 모델을(m<1)

사용한 특성 곡선을 보여주고 있다 다이오드 모델만 실제적인 것으로 모델링을 잘.

해도 태양전지의 특성을 잘 모사하고 있음을 알 수 있다 실선은 다이오드 하나를.

사용한 완전한 모델을 이용해서 얻은 특성곡선을 나타내고 있으며 실제 태양전지의

특성곡선과 별 차이가 없음을 알 수 있다 두 개의 다이오드 모델을 상용한 모델의.

특성곡선을 비교하기 위채서는 정밀한 태양전지의 특성에 대한 측정이 먼저 이루어

져야 그 효과를 알 수 있다 그림 는 넓은 범위의 전압에 대한 태양전지의 암전류. 5

전압 특성곡선을 보여준다 암전류 곡선을 얻기 위해서는 외부에 전(Dark current)- .

압을 태양전지에 인가를 해야 한다 역전압에서 다이오드는 까지는 저지를 하. -15V

는 특석이 있으나 이를 넘어서면서 서서히 특성을 나타내기 시작한다breakthrough .

이 단계에서 태양전지에서는 전력의 소모가 커지게 되므로 점점 뜨거워지게 된다.

즉 의 전류에서 태양전지는 의 전력소모가 발생하게 된다 온도가 너무 올라2A 30W .

가게 되면 소위 이라고 불려지는 태양전지의 파괴가 일어나게 된다“Hot spot” .

- 20 -

그림 의 전압 전류 특성곡선그림 의 전압 전류 특성곡선그림 의 전압 전류 특성곡선그림 의 전압 전류 특성곡선4 Multicrystalline solar cell (10 x 10 cm) -4 Multicrystalline solar cell (10 x 10 cm) -4 Multicrystalline solar cell (10 x 10 cm) -4 Multicrystalline solar cell (10 x 10 cm) -

비교비교비교비교(irradiance E+430 W/m(irradiance E+430 W/m(irradiance E+430 W/m(irradiance E+430 W/m2222 , temperature T+300 K), temperature T+300 K), temperature T+300 K), temperature T+300 K)

그림 확대된 전압영역에 대한 태양전지의 암전류 전압 특성곡선그림 확대된 전압영역에 대한 태양전지의 암전류 전압 특성곡선그림 확대된 전압영역에 대한 태양전지의 암전류 전압 특성곡선그림 확대된 전압영역에 대한 태양전지의 암전류 전압 특성곡선5555

(Dark I-V)(Dark I-V)(Dark I-V)(Dark I-V)

- 21 -

다 최대전력점 효율 및다 최대전력점 효율 및다 최대전력점 효율 및다 최대전력점 효율 및. (MPPT), , Fill Factor. (MPPT), , Fill Factor. (MPPT), , Fill Factor. (MPPT), , Fill Factor

태양전지 셀을 단락시켰을 매는 포 전류 IPh와 같은 단락전류 ISC가 흐르게 되고 단

자전압은 이 된다 만약에 부하가 인가되지 않으면 개방전압0 . VOC가 단자에 측정이

되면 전류가 이 된다 두 경우 모두 발생되는 출력전력은 가 된다 태양광이0 . 0 W .

조사되는 태양전지 셀은 단자전압이 에서0 V VOC 사이에서 전력이 발생된다 이런.

태양전지 셀의 전류 전압 특성에 의해서 최대전력 포인트(Maximum Pewer Point,

가 존재하며 전류전압의 곱인 출력전력이 최대가 되게 된다 태양전지 셀의MPP) .

효율은 에서의 전력MPP PMPP에서 셀의 면적 AC와 조사량 에 의해서 다음과 같이E

표현된다.

태양전지 셀을 평가하는 또 다른 평가지수로서 라고 하는 지수가 사Fill Factor(FF)

용되며 이는 개방전압과 단락전류의 곱에 대한 최대전력의 비를 나타낸다.

만약에 태양전지 셀의 전압 전류 특성 곡선이 직사각형 형태를 가지면 이 때의- Fill

는 이 된다 일반적으로 태양전지 셀의 는 사이의Factor 1 . Fill Factor 075 ~ 0.85

값을 가진다.

라 조사량과 온도에 대한 태양전지의 특성라 조사량과 온도에 대한 태양전지의 특성라 조사량과 온도에 대한 태양전지의 특성라 조사량과 온도에 대한 태양전지의 특성....

조사량이 증가하게 되면 분리된 전자 정공 쌍의 양이 증가하게 되어 전류의 량이-

증가하게 된다 그러므로 태양전지의 전류전압 방정식과 특성곡선에서 보듯이 전류.

의 양은 조사량에 비례하게 된다.

온도가 올라가면 태양전지 셀의 단락전류는 조금 올라간다 반면에 개방전압의 손.

실은 약 배나 높아지게 된다 그러므로 출력전력은 전압의 증가에 따10 (-0.4%/K).

라 감소하게 된다 태양전지 셀의 전력손실은 정도이다 온도가. 0.3 0.5%/ . 30˜ ℃ ℃

오르게 되면 전력의 감소는 정도가 된다9 15% .˜

- 22 -

그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈6 366 366 366 36

그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선그림 개의 태양전지 셀로 구성된 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선7 36 - (E =7 36 - (E =7 36 - (E =7 36 - (E =

400 W/m400 W/m400 W/m400 W/m2222, T = 300 K 26 )., T = 300 K 26 )., T = 300 K 26 )., T = 300 K 26 ).℃℃℃℃

마 의 영향마 의 영향마 의 영향마 의 영향. Shadowing. Shadowing. Shadowing. Shadowing

태양전지 셀이 직렬 연결되어 있을 경우 각각의 셀에 다른 양의 빛이 비쳐질 때 전

체 태양전지 모듈의 전압 전류특성곡선은 결정적으로 영향을 받게 된다 개의- . 36

태양전지 셀 이 직렬 연결된 태양전지 모듈에서monocrystalline (10cm x 10cm) 1

개의 태양전지 셀만이 정도 구름이 졌다고 할 경우의 특성곡선의 변화를 알아75%

보면 다음과 같다 그림 에서 보면 주어진 전류에 대해서 개의 정상적인 전압. 8 35 -

전류 특성곡선의 정압 과 개의 가려진 태양전지 셀의 전압 을 합한 값이 전(1b) 1 (la)

체 태양전지 모듈의 출력전압 이 된다 이렇게 구한 전체 특성곡선은 구름진 태양(1) .

전지 셀의 특성곡선에 지배 받게 된다 모듈면적의 정도만 구름이 져 있어도. 2%

전력의 정도가 줄어들게 된다 또한 구름진 태양전지 셀은 부하로서 동MPP 70% .

작하게 되므로 푀대 전력손실이 모듈이 단락인 경우에 발생하게 되며 그 값이

에 이른다 정상인 경우와 구름진 경우의 최대 전력지점 은 과 로12.7W . (MPP) P1 P2

표시된다.

- 23 -

그림 하나의 셀만 구름졌을 경우의 전압 전류 특성곡선그림 하나의 셀만 구름졌을 경우의 전압 전류 특성곡선그림 하나의 셀만 구름졌을 경우의 전압 전류 특성곡선그림 하나의 셀만 구름졌을 경우의 전압 전류 특성곡선8 75% - (irradiance E =8 75% - (irradiance E =8 75% - (irradiance E =8 75% - (irradiance E =

407 W/m407 W/m407 W/m407 W/m2222, temperature T = 300 K), temperature T = 300 K), temperature T = 300 K), temperature T = 300 K)

위에서 설명한 바와 같이 직렬 연결된 태양광 모듈에서는 항상 과열로 인한 셀의

파괴의 위함이 존재하게 된다 이러한 위험을 회피하기 위해 그림 에서 보는 바와. 9

같이 태양전지 모듈을 제작할 때는 태양전지 셀 또는 셀의 에 다이오string bypass

드를 병렬로 연결한다 이럴 경우 부분 구름진 현상에서 셀에 걸리는 최대 역전압.

이 다이오드의 도통전압 정도로 제한되게 된다.

그림 현상을 방지하기 위한그림 현상을 방지하기 위한그림 현상을 방지하기 위한그림 현상을 방지하기 위한9 “hot spot” bypass9 “hot spot” bypass9 “hot spot” bypass9 “hot spot” bypass

다이오드가 연결된 태양전지 셀다이오드가 연결된 태양전지 셀다이오드가 연결된 태양전지 셀다이오드가 연결된 태양전지 셀

태양전지 셀마다 다이오드를 연결하는 경우에 구름이 질 경우 구름진 셀에bypass

해당하는 전력만 줄어들게 된다 대부분의 상용의 태양전지 모듈에서는 다. bypass

이오드가 각각의 셀마다 연결되지 않고 개정도의 셀의 마다 연결되어12 24 string˜

진다.

- 24 -

이런 대책으로 인해 에 의한 셀의 파괴는 방지 할 수 있으나 출력전력에"hot spot"

서의 전력 손실을 훨씬 더 높게 되는 단점이 있다 그림 에서 특성곡선 은 태양. 10 1

전지에 태양광이 골고루 내리쬐는 정상적인 상태를 나타내고 있으며 특성곡선 번, 2

은 각각의 셀마다 다이오드가 장착되었을 때의 특성곡선을 나타낸다 구름bypass .

진 셀에서만 전력손실이 나타남을 알 수 있다 특성곡선 은 각각의 셀이 아닌. 3 12˜

개정도의 셀의 에 대해서 를 장착했을 때의 특성곡선을 나타24 string bypass diode

내고 있다 각각의 셀 마다 다이오드를 장착했을 때보다는 손실이 크나 특. bypass

성곡선 에서와 같이 전혀 대책을 세우지 않았을 때 보다는 좋은 특성곡선을 나타4

내면서 태양전지도 보호 할 수 있다.

그림 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선 정상적인 경우 각각의 셀에그림 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선 정상적인 경우 각각의 셀에그림 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선 정상적인 경우 각각의 셀에그림 태양전지 모듈의 전압 전류 특성곡선 정상적인 경우 각각의 셀에10 - (1) (2)10 - (1) (2)10 - (1) (2)10 - (1) (2)

다이오드를 장착했을 때 한 셀에만 구름이 졌을 경우 다이오드를다이오드를 장착했을 때 한 셀에만 구름이 졌을 경우 다이오드를다이오드를 장착했을 때 한 셀에만 구름이 졌을 경우 다이오드를다이오드를 장착했을 때 한 셀에만 구름이 졌을 경우 다이오드를bypass (3) bypassbypass (3) bypassbypass (3) bypassbypass (3) bypass

셀의 에 달았을 경우 다이오드를 장착하지 않았을 경우셀의 에 달았을 경우 다이오드를 장착하지 않았을 경우셀의 에 달았을 경우 다이오드를 장착하지 않았을 경우셀의 에 달았을 경우 다이오드를 장착하지 않았을 경우string (4) bypassstring (4) bypassstring (4) bypassstring (4) bypass

- 25 -

태양전지 발전용 의 비교태양전지 발전용 의 비교태양전지 발전용 의 비교태양전지 발전용 의 비교2. PCS Topology2. PCS Topology2. PCS Topology2. PCS Topology

가 태양전지 발전 시스템의가 태양전지 발전 시스템의가 태양전지 발전 시스템의가 태양전지 발전 시스템의. Topology. Topology. Topology. Topology

그림 기존의 태양전지 발전용 의 대표적인그림 기존의 태양전지 발전용 의 대표적인그림 기존의 태양전지 발전용 의 대표적인그림 기존의 태양전지 발전용 의 대표적인11 PCS topology11 PCS topology11 PCS topology11 PCS topology

그림 은 태양전지 발전을 위한 의 대표적인 를 보여주고 있다11 PCS topology .

는 크게 다음의 두 가지로 나눌 수 있다Topology .

절연형(Isolated) PCS◆

비절연형(Non-isolated) PCS◆

이는 태양전지판과 의 출력 사이에 트랜스포머등으로 전기적으로 절연되어 있PCS

는 가로 구분된다 그림 의 는 현재 사용되고 있는 대표적인 이다. 11 (a) topology .

이는 기본적으로 인버터와 저주파 트랜스포머로 구성되어져 있다 태양전지의 특성.

상 온도와 광량에 따라 태양전지의 전압이 최대 값에서 반값정도까지 변동하게 된

다 예를 들면 단상 용 계통연계형 의 경우에 태양전지의 출력전압은. 220V PCS

정도 값에서 설계를 하게 된다 넓은 범위의 입력전압에 대해 출력150-400V .

교류를 제공하게 위해서는 인버터에서는 최저전압으로 발생 가능한 전압으로220V

출력전압을 설정하게 되고 이를 최종 출력전압 교류전압을 맞추기 위해서 계220V

통주파수의 저주파 트랜스포머를 사용하여 승압을 하게 된다.

- 26 -

이 의 장점은 단순하다는 것이고 단점으로는 저주파 트랜스포머를 이용하topology

므로 인해 크기가 크고 무게가 무겁다는 것이며 인버터의 출력전압을 입력 직류전

압의 최저전압을 기준으로 교류전압을 발생시킴으로 인해 전압이 낮아 같은 출력

에 대해 전류가 증가하게 된다 따라서 인버터에 사용되는 소자에 대한 전(power) .

류용량이 증대 된다 또한 저주파 트랜스포머의 차측에 흐르는 전류도 더불어 증. 1

가하는 문제가 발생된다 이는 소자의 비용이 증대되고 효율에서 불리한 측면이 있.

다 그럼 의 에 소개된 는 고주파 트랜스포머를 이용하여 의 단점. 11 (b) topology (a)

을 극복하고 있다 고주파 트랜스포머를 적용함으로 인해 저주파 트랜스포머보다. q

비용 크기 및 무게에서 유리하다 또한 인버터 입력 전압을 일정하게 원하는 높은, .

값을 유지 할 수 있게 되어 출력 교류전압을 직접 발생시킬 수 있으므로 인해 전력

소자의 전류용량을 낮출 수 있다 단점으로는 시스템효율이 앞단의 컨버터효율과.

뒷단의 인버터 효율의 곱으로 표시되기 때문에 와 비교해서 공통인 인버터 효율(a)

을 제외하면 컨버터 효율이 저주파 트랜스포머의 효율과 최소한 같아야 시스템 전

체의 효율에서 동등하거나 우월할 수 있는데 일반적으로 컨버터의 효율이 낮으므로

인해 와 비교해서 시스템 효율이 낮을 수가 있다 그림 의 는 비절연형 컨(a) . 11 (c)

버터를 사용한 를 보여주고 있다 비절연형 컨버터가 절연형 컨버터보디 회로PCS .

가 단순하므로 단가면에서 유리하여 최근에는 이 형태의 비절연헝 가 각광받고PCS

있다 단점은 의 방식과 동일하다 위에서 설명된 의 공통점은 시스템에. (b) . topology

서 요구하는 컨버터의 용량이 전체 시스템의 용량과 동일하다는 것이다 컨버터를.

사용할 경우 장점이 많음에도 불구하고 대용량의 시스템에는 적용되지 못하고 소용

량의 시스템에서만 적용되고 있는 결정적 이유라고 할 수 있다 그림 에 설명한. 11

대표적 는 태양전지의 출력특성을 최대한 이용하지 못하고 있어 컨버터의topology

용량이 시스템의 용량과 동일해야하고 이로인해 시스템 효율도 줄어드는 결정적 단

점을 가지고 있다 본 과제에서는 이러한 단점을 극복하기 위한 새로운. PCS

를 제안한다 새로이 제안하는 는 태양전지의 발전 특성을 이용하topology . topology

여 컨버터의 용량을 대폭 줄일 수 있고 시스템의 효율 또한 증대시킬 수 있으며 대

용량화에 유리하다는 장점을 가지고 있다.

나 태양전지의 특성분석나 태양전지의 특성분석나 태양전지의 특성분석나 태양전지의 특성분석....

일반적인 태양전지의 출력특성 곡선은 그림 와 같다 태양전지의 모델링 수식은12 .

아래와 같다.

- 27 -

IOS

T

TK

K

q

KI

λ

ISC

ILG

EGO

B=A

Tr

TK

Ior

Rsh

RS

V

I

Cell Reverse Saturation Current

Cell Temperature in ℃

Cell Temperature inυK(=T+273.12)

Boltzmann´s constant

Electronic charge

Short circuit current temperature coefficient at Isc(A/ )℃

Solar irradiation in W/m2

Short circuit current at 25 and 1000W/m℃2

Light generated current

Band gap for silicon

Ideality factor(1.92)

Reference temperature(273.12+Trc ,υK)

Operating Cell temperature(273.12+T ,υK)

Cell saturation current at Tr

Shunt Rresistance

Series resistance

태양전지 출력 전압

태양 전지 출력 전류

태양전지에서 입력은 태양광 조사량 동작온도 그리고 태양전지 출력단 전압이 된, ,

다 태양전지의 출력은 태양광의 빛에너지량인 조사량과 태양전지 셀의 동작온도에.

따라 출력 특성이 달라진다 태양전지 모델링 수식을 온도와 광량에 따라 출력특성.

을 그려보면 그림 와 같다 온도를 도 도 영하 도에 대해서 각각 조사량12 . 80 , 25 20

1000W/m2

~ 100W/m2까지 단계로 나누어 그린 것으로 모듈의 최대 전력을10

도의 동작온도에서 최대전압을 설계한 경우의 그림이다 태양전지200kW, 25 750V .

의 특성은 같은 온도에서 조사량이 많을수록 태양전지의 출력은 많이 나오게 되면

태양전지의 단자 전압은 올라가게 된다 태양전지의 동작온도가 올라가게 되면 태.

양전지의 출력은 줄어들게 되고 태양전지의 양단에 걸린 전압은 내려가게 된다 또.

한 같은 조건이라도 단자전압이 얼마냐에 따라 출력특성이 그림에서 보는 바와 같

이 출력의 변화가 크기 때문에 같은 조건에서 최대 출력을 얻기 위해서는 최대출력

점의 단자전압으로 유지를 해주어야 하는 특성이 있는데 이런 제어를 최대출력점제

어 라고 한다(Macimum Power Point Tracking) .

태양전지를 계통에 연결하기 위해서는 계통전압이상을 발생시킬 수 있어야 계통으

로 전력을 공급 할 수 있다 따라서 계통전압이상을 발생시키기 위한 인커터의 최.

소 입력 직류전압이 존재하게 된다 태양전지의 특성에서 보면 직류전압이 동작 환.

경에 따라 계속 변하기 때문에 앞서 설명한 여러 를 동원하여 이를 보상해topology

주게 된다.

- 28 -

즉 저전압 트랜스포머를 이용하여 승압을 시켜준다거나 컨버터를 이용하여 인버터

입력직류전압을 항상 일정 전압으로 제어를 해준다거나 하는 동작이 필요하게 된

다 위에서 언급했듯이 태양광 인버터의 출력전압이 결정되면 인버터에서 요구하는.

직류전압이 결정된다 일반적으로 인버터의 출력에 스위칭 주파수를 제거와 전류의.

조건을 만족하기 위한 필터가 장착되는데 이로 인하여 전압 강하분이 존재하THD

게 되고 인버터에서 안정한 동작을 위해 을 부과하게 되므로 일정부분의dead-time

전압이 또 강하된다고 볼 수 있다 이러한 부분과 일정한 여유분을 감안하여 직류.

전압이 결정되게 된다 이러한 과정을 통해 결정된 직류전압은 인버터에서 교류출.

력전압을 얻기 위한 최소한의 전압이 되며 이 이상의 전압이 직류입력에 가해지더

라도 인버터에서 적절한 제어를 통하여 인버터 출력에는 일정한 교류전압을PWM

발생시킬 수 있다 태양전지 특성곡선에서 보듯이 태양전지는 일정한 전압을 항상.

발생 시킬 수 없기 때문에 인버터에서 요구하는 일정 직류전압요건을 충족시킬 수

없으며 인버터 직류전압과 태양전지 출력전압에는 항상 차이가 있게 된다 다른 관.

점에서 이야기 하자면 일정한 인버터 입력 직류전압을 얻기 위해서 태양전지의 출

력전압과의 차전압만 발생시켜 태양전지의 출력전압에 더해주면 된다.

그림 온도와 광량에 따른 태양전지 특성곡선그림 온도와 광량에 따른 태양전지 특성곡선그림 온도와 광량에 따른 태양전지 특성곡선그림 온도와 광량에 따른 태양전지 특성곡선12121212

그림 에서 보는 바와 같은 태양광 발전용 의 새로운 를 제안한다13 PCS topology .

제안된 구조는 태양전지 입력 측에서는 컨버터가 병렬로 연결되어 있고 출력은 태

양전지와 컨버터가 직렬로 연결된 구조이다 이렇게 하면 차전압만 발생시키는 컨.

버터는 직류전압 전체를 부담하지 않지 않기 때문에 용량이 훨씬 줄어들게 된다.

여기서 사용된 직류변환장치 는 입출력이 트랜스(small isolated DC/DC converter)

포머로 절연된 어떠한 형태의 컨버터를 이용해도 상관이 없다.

- 29 -

그림 제안된 새로운 구조의 태양광 발전용그림 제안된 새로운 구조의 태양광 발전용그림 제안된 새로운 구조의 태양광 발전용그림 제안된 새로운 구조의 태양광 발전용13 PCS topology13 PCS topology13 PCS topology13 PCS topology

출력측이 직렬로 연결되어져 있기 때문에 전류(Idc 는 동등하게 흐르고 있으므로 아)

래의 수식과 같이 나타낼 수 있다.

즉 컨버터가 부담하는 전력은 전압의 분담비와 같은 값을 가진다 이는 태양전지.

전압과 인버터 입력전압의 차이가 많이 날수록 컨버터에서 요구하는 전력은 증대된

다는 의미이며 태양전지의 전압이 직류전압에 가까울수록 컨버터의 전력분담 비는

급격하게 감소한다 태양전지용 인버터와 일반적인 인버터의 동작은 차이점이 있다. .

일반적인 인버터는 부하가 요구하는 전력을 항상 공급할 수 있어야 하는 반면에 태

양전지용 인버터는 입력 측의 태양전지에서 발생되는 전력 내에서 공급이 이루어진

다는 것이다 그림 의 태양전지 특성곡선에서 온도와 광량에 따른 직류전압과 발. 12

생 가능한 전력으로부터 필요한 컨버터의 용량을 계산해 볼 수 있다 그림 의 다. 12

이아몬드 표시 곡선이 컨버터의 필요용량을 계산한 값으로 최대동작온도에서 최대

광량이 조사되고 있을 때 컨버터의 최대 용량이 필요함을 알 수 잇다 최대 동작.

온도 보다 낮은 경우는 태양전지의 전압이 증가함으로 인해 컨버터에서 증대시켜줘

야 할 전압이 줄어들게 되어 컨버터의 용량이 줄어들게 된다 제안된 구조로 컨버.

터를 설계하면 그림 에서 보는 바와 같이 정격 출력용량의 정도의 용량만 필12 20%

요하여 컨버터의 용량을 획기적으로 줄일 수가 있다 그림 에서 설계된 시스템. 13

사양은 다음과 같다.

태양전지 최대전압 : 750V 태양전지 최대동작 온도 : 80℃

인버터 직류전압 : 650V 인버터 출력전압 : 380VAC

인버터 출력 : 200kW 필요한 출력 : 40kW

인버터 출력 대 컨버터 출력비 1 : 0.2

- 30 -

최대 동작온도가 내려가면 내려갈수록 직류전압의 감소가 줄어들게 되므로 요구되

는 컨버터의 용량도 더불어 감소하게 된다.

가 제안된 직류 직류변환기의 구조에 대한 설명. -

부분을 따로 보면 위의 그림 와 같다 이런 구조는 앞서 설명한 장점을DC/DC 14(a) .

가지고 입력전압보다 출력전압이 높은 것을 요구하는 모든 응용분야에 적용될 수

있습니다 번단자와 번단자는 입력되는 직류전압의 와 부분을 의미한다 이 시. 1 2 + - .

스템으로 보면 입력부라고 할 수 있다 그리고 번과 번은 내부 직류 직류변환기. 3 4 -

의 입력 두 단자를 의미하고 이의 출력은 번과 번으로 표현된다 그리고 번과5 6 . 7 8

번은 이 시스템의 출력부의 와 단자를 의미한다 입출력만 다시 그려보면 그림+ - .

와 같다 내부의 연결을 보면 직류 입력단 번이 내부 직류 직류변환기의 입14(b) . 1 -

력 번으로 연결되고 직류입력단의 번은 직류 직류변환기의 입력 번으로 연결됩3 2 - 4

니다 입력부만 보면 입력이 그대로 내부 직류 직류변환기 입력으로 연결되는 형태. -

이다 이런 의미에서 입력부는 병렬연결이라 할 수 있다 내부 직류 직류변환기가. . -

병렬로 여러 개를 연결하기를 윈할 때 위와 같은 형태로 입력단자를 따서 병렬로

연결하게 된다 출력부를 보면 시스템 전체 출력은 빈과 번으로 표현된다 내부. 7 8 .

직류 직류변환기의 출력부 연결은 번과 번은 동일하게 연결된다 그러나 내부 직- 5 7 .

류 직류변환기의 출력부 번은 입력부 번이 연결되게 되어 있다 그리고 입력부- 6 1 .

번과 출력부 번은 그대로 같이 연결된다 이렇게 연결하고 보면 입력 번과 번1 8 . 7 8

측에서 보면 내부 직류 직류변환기의 출력 번과 번이 입력부 번과 번을 직렬- 5 6 1 2

연결한 형태로 전압이 더해지는 구조를 가지고 있다 그래서 출력은 직렬연결된 구.

조란 표현을 사용하였다 그림 에서 출력부의 연결부만 그려보면 출력이 입력. 14(c)

전압에 내부 직류 직류변환기의 출력이 더해져 있는 것을 확연하게 알 수 있다 이.

런 구조를 가짐으로 인해 출력전압에서 내부직류 직류변환기가 담당하는 부분이 출-

력전압 전체가 아닌 일부만을 담당하게 되어 내부 직류 직류변환기의 용량이 감소-

하는 효과를 얻을 수 있다 출력전력을 수식으로 표현해 보면 아래와 같이 내부 직.

류직류변환기의 전력과 입력부의 전력의 합으로 출력전력이 표현된다 즉 컨버터는.

출력전력의 일부만 담당하게 된다.

여기서

IPH 입력 전류:

- 31 -

IC_IN

IPH_1

IC_OUT

IDC

VPH

VC

POUT

PC

PPH

:

:

:

:

:

:

:

:

:

내부 직류직류변환기 입력전류

입력측 전류에서 내부 직류직류변환기 입력전류를 뺀 전류 출력측으로,

직접 흐르는 전류

내부 직류직류변환기 출력전류

출력전류

입력전압

내부 직류직류변환기 출력전압

출력전력

내부 직류직류변환기의 출력전력

입력전력

그림 제안된 직류 직류변환기의 구조그림 제안된 직류 직류변환기의 구조그림 제안된 직류 직류변환기의 구조그림 제안된 직류 직류변환기의 구조14 -14 -14 -14 -

제안된 변환기의 내부구조 제안된 구조의 입출력부제안된 변환기의 내부구조 제안된 구조의 입출력부제안된 변환기의 내부구조 제안된 구조의 입출력부제안된 변환기의 내부구조 제안된 구조의 입출력부(a) , (b) , (c)(a) , (b) , (c)(a) , (b) , (c)(a) , (b) , (c)

출력부측의 신호 연결도출력부측의 신호 연결도출력부측의 신호 연결도출력부측의 신호 연결도

- 32 -

나 컨버터 용량 산정나 컨버터 용량 산정나 컨버터 용량 산정나 컨버터 용량 산정....

그림 에서의 시 레이션 결과에서 보면 최대 동작온도와 최대 광량의 조건에서12 abf

요구되는 컨버터의 용량이 최대임을 알 수가 있다 따라서 이때의 전압과 전력을.

추출하여 컨버터 용량을 산정할 수 있다.

여기서

최대동작온도에서 태양전지 출력전압:

최대동작온도에서 태양전지 출력전력:

그림 에서의 태양전지 특성곡선과 시스템 설계사양을 이용하여 컨버터 용량을12

산정해 보면 다음과 같다.

그림 에서와 같은 에서보다 이상 적은 용량으로 컨버터를 구성해12 topology 80%

도 같은 특성을 낼 수 있으므로 인해 컨버터구성에 대한 부담을 획기적으로 줄일

수 있어 대용량화에도 컨버터를 사용한 시스템을 용이하게 구성할 수 있다 위의.

결과는 태양전지 셀 동작온도가 로 가정했을 경우이나 일반적으로 이보다 낮은80℃

동작온도에서는 훨씬 적은 용량의 컨버터가 필요함을 알 수 있다.

다 시스템 효율다 시스템 효율다 시스템 효율다 시스템 효율....

그림 에서 컨버터를 사용하는 시스템의 경우 전제 시스템 효율은 다음과 같이 표11

현된다.

․

여기서

시스템효율:

컨버터효율:

인버터효율:

- 33 -

그림 효율 흐름도그림 효율 흐름도그림 효율 흐름도그림 효율 흐름도15151515

전체 시스템 효율은 컨버터 효율과 인버터 효율의 곱으로 나타난다 따라서 인버터.

가 공통으로 들어가기 때문에 컨버터 부분의 효율에 의해 전체 시스템 효율은 현격

한 차이가 나타나게 된다 제안된 시스템에서 효율은 일부분의 전력만 컨버터에서.

담당하기 때문에 컨버터에서 담당하지 않는 전력은 아무런 전력변환 장치 없이 공

급되므로 효율로 넘어가게 된다 제안된 시스템에서의 컨버터 효율은 다음과100% .

같다.

여기서

인버터앞단의 전체효율:

태양전지에서 직접공급되는 전력의 비율p :

Ps 시스템의 전체 전력:

Pc 컨버터에서 공급되는 전력:

이때 시스템 효율은 다음과 같이 표현할 수 있다.

․

컨버터의 전압이 필요 없는 영역에서는 효율의 손실이 없기 때문에 인버터만의 효

율만 고려하만 된다 따라서 고효율을 얻을 수 있으며 컨버터 부분의 전압 분담이.

일어나는 영역에서도 일부부만 전력을 공급함에 따라 효율의 상당한 증대가 이루어

질 수 있다.

- 34 -

예를 들어보면 명확하게 이런 사실을 확인할 수 있다 인버터의 효율을 컨버. 98%,

터의 효율을 로 가정하여 각각의 시스템에서 효율을 구해보면 다음과 같다 여92% .

기서 컨버터의 전력분담율의 최대는 까지이다50% .

표 시스템 효율 비교표표 시스템 효율 비교표표 시스템 효율 비교표표 시스템 효율 비교표1111

효율 비교표에서 알 수 있듯이 최대 효율의 값은 전체 전력을 태양전지에서100%

직접 얻을 수 있을 만큼 직류전압이 높을 때는 인버터 효율만 고려하므로 인해 시

스템 효율이 획기적으로 높음을 알 수 있다 전력분담율에 상관없이 일반적인 컨버.

터를 사용하는 방식 보다는 월등히 높은 효율을 얻을 수 있다.

고효율 컨버터 설계고효율 컨버터 설계고효율 컨버터 설계고효율 컨버터 설계3.3.3.3.

가 컨버터 설계가 컨버터 설계가 컨버터 설계가 컨버터 설계. Phase shifted ZVS Full bridge. Phase shifted ZVS Full bridge. Phase shifted ZVS Full bridge. Phase shifted ZVS Full bridge

본 연구에는 수 급 고주파 분야에 많이 응용되는 방식kW SMPS Phase shifted ZVS

을 이용한 방식을 적용하였다 제어 기Full bridge . Phase Shifted Resonant PWM

법을 이용한 설계방식은 아래와 같다high frequency power supply .

- 35 -

그림 방식그림 방식그림 방식그림 방식16 Phase shift Full bridge converter16 Phase shift Full bridge converter16 Phase shift Full bridge converter16 Phase shift Full bridge converter

1. Resonant Tank Considerations1. Resonant Tank Considerations1. Resonant Tank Considerations1. Resonant Tank Considerations

의 설계는 적정수준의 스위칭 주파수를 고르는 일부터 시작된다 그Resonant tank .

중 하나는 를 충족시키는 것이고 두 번째는 모든 동작 조건을 고려power density ,

하여 필요한 을 얻을 수 있도록 이 설정되어야 한다duty cycle max transition time .

2. Resonant Circuit Limitations2. Resonant Circuit Limitations2. Resonant Circuit Limitations2. Resonant Circuit Limitations

개의 조건이 경 부하 시에 공진회로에 의해 충족되어야만 한다 첫 번째 저장된2 . ,

가 충분히 커서 공진 커패시터를 반대쪽 호 할 수inductive energy supply rail drive

있어야 한다 두 번째는 이 이 할당된 내에서 이루어져만. transition transition time

한다 이 둘 중 하나나 둘 모두가 충족되지 않으면 가 초래될 것이. lossy non ZVS

다 여기서 후자가 공진회로의 제한으로 사용될 때 첫 번째 조건은 항상 충족될 것. ,

이다 설계자들은 아주 작은 부하에서 생기는 약간의 스위칭 손실은 실제 적용 예.

에서 별 상관이 없다고 생각하고 중 부하에서 상당한 효과가 있기 때문에 이정도,

는 상쇄 될 수 있다고 여긴다 이것은 많은 적용 예에서 매우 실용적인 접근 방식.

이고 필요한 저장 에너지량과 규정된 은 회로의 공진주파max transition time tank

수 (Wr 를 결정한다 이 탱크의 기본요소들은) . resonant inductor, Lr과 개의2

출력 커패시터에 의해 이루어진 커패시터switch , Cr 그리고 병렬 연결된 변압기, 1

차측 커패시턴스 (Cxfmr 이다) .

- 36 -

조건을 만족시키기 위해서는 은 자기공진 주기의 을 초ZVS max transition time 1/4

과할 수 없다 자기 공진 주파수의 배( 4 )

resonant tank frequency, Wr (2 fπ r):

규정된 스위치 출력MOSFET capacitance COSS는 고전압 동작에 의해 초래되는

증가분을 수용하기 위해서 가 곱해질 것이다 각 중에 개의 스위치4/3 . transition , 2

커패시턴스가 병렬로 구동될 것이고 총 커패시턴스를, 8/3×COSS로 즉 배로 증가, 2

시킨다 변압기의 커패시턴스를. Cxfmr은 많은 고주파수 응용 예에서 절대로 무시될

수 없으므로 역시 추가되어야 한다.

resonant capacitance. Cr :

을 수행하기 위해 필요한 는 다음과 같다transition capacitive energy .

이 에너지는 다음과 같이 표현 될 수 있다.

3.Stored Inductive Energy3.Stored Inductive Energy3.Stored Inductive Energy3.Stored Inductive Energy

공진 인덕턴스에 저장된 에너지는 최대 이내에 에 있는 와transition time leg FET

변압기의 커패시턴스를 충방전시키기 위해서 필요한 에너지량 보다 더 커야만 한

다.

변압기 내부에서 차 전류가 변압기 차측 전압을 으로 확실히 시켰으므로2 1 0 clamp

모든 에너지는 변압기의 누설 인덕턴스에 저장된다 이것은 실제 권선에시 큰.

를 야기시키지만 을 수행하는데 사용되는circulating primary current , ZVS transition

저장 에너지와는 아무 상관이 없다.

- 37 -

공진 인버터 에 저장되는 에너지, Lr :

4. Resonant Circuit Summary4. Resonant Circuit Summary4. Resonant Circuit Summary4. Resonant Circuit Summary

어떤 응용 예든지 필요한 공진 인덕터 값과 여기 흐르는 공진에 필요한 최소 차1

전류를 만드는 모든 해법에는 여러 가지가 있다 이 각각은 다음 기본 관계식에 의.

거해서 만들어진다.

공진 탱크의 주파수는 경부하에서 최대 transition time, tmax 안에서 완전히 공진하

기 위해서는 보다 적어도 배 이상은 되어야 한다transition time 4 .

이 값은 단지 공진을 하는데 필요한 정확한 공진 인덕터 값이다 변압기 차측에. 1

연결되어 있는 공진 인덕터는 최대 차 전류 를 입력 전압의 함수1 slew rate, di/dt

로서 나타낸다.

만약 공진 인덕터의 값이 너무 클 경우에는 내에 도달하는 데 너무 긴conversion

시간이 걸릴 지도 모른다 이계산된 인덕터 값은 경부하 조건은 만족시키지만 전.

부하 영역은 재고되어야 한다.

- 38 -

5.Stored Energy Requirements5.Stored Energy Requirements5.Stored Energy Requirements5.Stored Energy Requirements

공진 인덕터에 저장된 에너지는 할당된 전환시간 내에 공진이 일어나도록 하기 위

해서는 필요한 보다 더 커야만 한다 그 수식은 아래와 같다capacitive energy . .

Cr과 Vin은 주어진 값이며 모든 주어진 응용 예에서 추정될 수 있으므로 이 량은,

상수이고 Lr이 계산된다.

6. Minimum Primary Current6. Minimum Primary Current6. Minimum Primary Current6. Minimum Primary Current

앞의 수식을 다시 정리하면 제어 응용 예에서 필요Phase Shifted Resonant PWM

한 최소 차 전류가 추정 될 수 있다1 .

이 값은 공진 커패시터를 로 바꾸는데 필요한 평균전류를 계산함으full rail voltage

로서 얻을 수 있다 이 값이. Ipri(min)보다 적을 지라도 산술확인을 위해서 사용될 수

있을 것이다.

필요한 차 전류를 얻는 방법은 여리 가지이다 가장 직접적인 방법은 최소 부하1 .

전류를 적절한 수준으로 제한하는 것이다 또 다른 방법은 변압기의. magnetizing

를 적절하게 조정하는 것이다 자화 전류에 더해지는 또 다른 전류는 병렬로current .

모델링되어 있는 변환된 차측 인덕터 전류에 의한 공진이다 또한 충전전류2 . peak

를 변형시키는 어떤 의 변화도 꼭 고려되어야 한다duty cycle .

일반적으로 자화전류 하나만으로는 많은 에서 충분치off-line high freq. converter

않다 변압기는 많은 권선이 감겨 있고 큰 가 있는 손실이. magnetizing inductance

제한되어 있는 들이다 적절한 량의 차 전류를 만들기 위해서 변압기를 외부core . 1

인덕터와 시키는 것은 가능한 한 방법이다 차 측의 공진을 돕기 위하여 출shunt . 1

력필터 인덕터의 자화 전류를 이용하는 것도 또 다른 선택이 될 수 있다.

- 39 -

나 용 컨버터 설계나 용 컨버터 설계나 용 컨버터 설계나 용 컨버터 설계. PV PCS DC/DC. PV PCS DC/DC. PV PCS DC/DC. PV PCS DC/DC

변압기 설계변압기 설계변압기 설계변압기 설계1.1.1.1.

고주파 변압기 설계과정을 다음과 같이 단계로 표현할 수 있다6 .

Step 1. Calculate Ap

선정Step 2. Core

Step 3. Calculate Np , Ns

단면적 계산Step 4. Wire

차 권선1 : IP_rms , D = 4.2 A/mm2

차 권선2 : IS_rms , D = 4.2 A/mm2

- 40 -

차권선단면적1 =

차권선단면적2 =

_

을 고려하여 위에서 선정된 권선의 단면적에서skin depth (penetration depth) >δ

이하의 를 사용하여 단면적 보타 큰 권선을 사용한다Litz wire .

Step 5. Calculate necessary window area (Aw) for winding.

Step 6. Unless Aw is sufficiently larger than Aw ´go back th the step 2.

선택한 코어의 A 이면 설계완료 이면 부터 다시 시> A ´ , A < A ´ Step 2ω ω ω ω

작한다.

- 41 -

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

고효율 컨버터 개발고효율 컨버터 개발고효율 컨버터 개발고효율 컨버터 개발1 DC/DC1 DC/DC1 DC/DC1 DC/DC

일반적으로 사용되는 전력소자는 와 가 있다 컨버터에 사용IGBT MOSFET . DC/DC

되는 전력소자로서는 고속 스위칭이 가능한 가 주로 사용된다 그러나 대MOSFET .

부분의 응용에서는 직류전압이 낮으므로 급을 사용하는 것이 보통이다 이런600V .

이유로 인해 대부분의 소자는 급에는 다양하게 전류용량이 나와 있으므로 선600V

택의 폭이 넓다 그러나 직류전압이 높아서 급으로는 내압이 부족할 경우. 600V

급의 소자를 사용해야 하나 이는 아직 전류용량이 원하는 값으로 다양하게1200V

존재하지 않는 문제점이 있다 본 과제에서는 이런 문제점을 해결하고자 직류전압.

이 높은 경우에도 급 소자를 사용하여 구성할 수 있는 새로운 구조의600V DC/DC

컨버터를 제안한다.

가 기존 구조에서의 문제점가 기존 구조에서의 문제점가 기존 구조에서의 문제점가 기존 구조에서의 문제점....

그림 일반적인 의 구조그림 일반적인 의 구조그림 일반적인 의 구조그림 일반적인 의 구조17 Full-brIdge converter17 Full-brIdge converter17 Full-brIdge converter17 Full-brIdge converter

일반적으로 교류전원을 정류하여 사용하는 경우 정도의 직류전압이 발생220V 300V

하기 때문에 급 소자를 사용하여 컨버터를 구성할 수 있다 그러나 교류600V . 380V

전원을 이용하는 경우 정도의 직류전압이 얻어짐으로 인해 스위칭 시 전압500V

를 고려하면 급 소자를 사용할 수가 없다 다른 예로 태양전지용 인버터surge 600V .

를 설계할 경우 계통연계형의 경우 태양전지 출력 직류전압을 최대 이220V 450V

하에서 설계를 하나 계통연계형인 경우 태양전지의 출력 직류전압을 급380V 700V

으로 설계를 하게 된다 이럴 경우 컨버터를 사용하게 되면 급 소자를 사용. 1200V

하여 구성 하여야만 한다 그림 은 대용량 태양전지용 발전 시스템을 설계할 시. 17

의 직류전압을 예로 설명하고 있다.

- 42 -

이때 직류전압은 일정하지 않고 까지 변하게 되고 최대 전압이 이300V-700V 700V

므로 급의 소자를 사용할 수 없으므로 그림 과 같이 급으로600V 17 1200V DC/DC

컨버터를 구성해야만 한다 그러나 급 는 전류용량이 다양하지 못할. 1200V MOSFET

뿐만 아니라 전류용량이 낮다는 문제점이 있다 또한 내압이 높으 로 인해 전체. am

적인 소자의 스위칭 손실이 증대된다는 문제점이 있다 따라서 원하는 용량의 컨버.

터를 제작하는데 어려움이 있다 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 직류전압이.

높음에도 불구하고 내압이 낮은 소자를 사용할 수 있는 를 강구하여야 한Topology

다.

나 새로운 직류분할 구동형 컨버터 구조나 새로운 직류분할 구동형 컨버터 구조나 새로운 직류분할 구동형 컨버터 구조나 새로운 직류분할 구동형 컨버터 구조....

그림 본 괴제에서 개발한 컨버터그림 본 괴제에서 개발한 컨버터그림 본 괴제에서 개발한 컨버터그림 본 괴제에서 개발한 컨버터18 topology18 topology18 topology18 topology

그림 은 고압직류전압의 경우에 내압을 낮출 수 있는 이다 이는 커패시18 topology .

터를 직렬로 연결하여 직류전압을 분할하여 두 개의 컨버터를 각각의 분할된 전압

으로 구동하여 컨버터에 분할된 직류전압이 걸리게 하여 내압을 줄이는 방식이다.

즉 두 개의 컨버터를 병렬 운전하는 방식과 같다 개발된 의 기본. DC/DC converter

모듈은 방식을 적용한 로 구성되어 있으며 태양광 모듈의ZVS Full bridge converter

출력이 고압이므로 기본모듈 개를 직렬로 구성하여 입력을 적용하였다 출력부분2 .

은 병렬로 구성되어 있어 트랜스와 인덕터등 회로 정수가 일정하다는 가정하에서

출력 전류 제어만으로 입력 분할 전압을 각각 일정하게 유지 할 수 있다는 장점이

있다 직렬로 연결되어 있으므로 주 스위치를 저항 성분이 작은 낮은 전압 사. ON-

양의 를 적용할 수 있으므로 컨버터 전체 효율도 증가 시킬 수 있는 장점MOSFET

이 있다 본 과제에서 개발된 컨버터의 사양은 표 와 같다. 3kW DC/DC 2 .

- 43 -

표 컨버터 개발 사양표 컨버터 개발 사양표 컨버터 개발 사양표 컨버터 개발 사양2 3kW2 3kW2 3kW2 3kW

구분 내용 기타

입력전압범위 350 700Vdc˜

출력전압범위 600Vdc

효율 94% 정격운전 시

topology2 Input Series Output Parallel connected(ISOP)

ZVS full bridge

스위칭 주파수 33.333KHz

컨버터 제어기 개발컨버터 제어기 개발컨버터 제어기 개발컨버터 제어기 개발2.2.2.2.

컨버터부의 시스템 구성은 위의 그림과 같다 개의 독립 가. 2 Full-bridge converter

직류전압을 분할한 전압을 입력으로 하고 출력은 병렬로 연결된 구조를 가지고 있

다 동일한 컨버터를 사용하므로 하나의 컨버터를 개발하여 개를 같이 사용할 수. 2

있는 구조를 취하고 있다 각각의 모듈에는 신호를 받아서. PWH Full-bridge

를 구동하는 회로와 를 감지하여 메인 제어기로 보내는 신호로 구성MOSFET FAULT

이 되어 있다 메인 제어기는 개의 독립 컨버터를 통합 제어를 하며 컨버터 개를. 2 2

단일 컨버터로 제어하는 기능을 한다 컨버터 모듈에는 개의 컨버터. 3kW 2 1.5kW

모듈이 장착되어 있다 앞서 설명한 바와 같은 구조로 인해 병렬제어 같은 특별한.

방법이 없이도 동시에 제어가 가능한 구조를 채택하고 있다 컨버터 모듈의 기능은.

전력소자인 를 직접 구동하는 기능과 을 포함하고 있다 신호MOSFET FAULT logic .

는 모두 포토커플러를 통해서 절연되어 있으며 신호는 상위 제어기로부터 받PWM

아들이는 구조이다 제어기의 전원은 전원을 받아 절연하여 사용하는 구조로. 15V

설계되어 있다 출력전류와 입력전압을 센싱할 수 있는 센서가 기본 장착되었다. .

그림 는 컨버터 모듈제어기의 제어보드를 보여주고 있다 개선된 컨버터 모듈제19 .

어기의 기능은 다음과 같다.

상◆ 위 제어기로부터 받은 신호를 이용하여 를 구동하는 회로PWM MOSFET

◆ 컨버터 모듈의 전압 전압 태양광 입력 모듈 전압 측정, DC link ,

◆ 컨버터 모듈의 과전류 컨버터 출력 전류 측정 센서,

◆ 통신부분CAN, RS232

◆ 각 컨버터 모듈 온도 센서

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그림 컨버터 모듈제어기그림 컨버터 모듈제어기그림 컨버터 모듈제어기그림 컨버터 모듈제어기19191919

개의 컨버터 모듈을 통합 제어하는 주 제어기는 프로세서로 개발 되었다2 DSP . 2

개의 모듈로부터 들어오는 신호로부터 보호동작과 제어 동작을 수행하게 된다 컨.

버터의 이 가능한 을 이용하PWM ZVS(Zero Voltage Switching) phase-shift PWM

였고 신호를 발생시키기 위해 를 이용하용 디지털 로직을 설계하였PWM ALTERA

다 주 제어기에는 다른 제어기와 통신을 위한 통신 기능을 갖추. RS232,485,CAN

고 있으며 다른 컨버터 모듈 또는 상위 인버터 모듈과의 통신이 원활하게 설계가

되었다.

본 연구에서 적용한 기법을 구현하기 위해서Phase shifted Altera PLD

을 이용해서 설계하였다 먼저 와 의(Programmable Logic Device) . FPGA EEPROM

특징에 대해서 간단히 살펴보면 다음과 같다.

그림 컨버터 주 제어기 기능별 구성도그림 컨버터 주 제어기 기능별 구성도그림 컨버터 주 제어기 기능별 구성도그림 컨버터 주 제어기 기능별 구성도20202020

- 45 -

■ 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

- 46 -

그림 내부 구성그림 내부 구성그림 내부 구성그림 내부 구성21 EEPROM21 EEPROM21 EEPROM21 EEPROM

블록도에서 보면 의 제어신호 와 와 직접 연FPGA device (nCS, RESET/OE DCLK)

결되어 있다 모든 는 과의 교환이나 등을. FPGA device EEPROM data configuration

외부의 제어기 없이 직접 제어 할 수 있는 특징이 있다 에서 핀은. EEPROM nCS

시리즈의 출력을 제어한다 즉 핀이 가 되면 카운터와 출력AT17A , nCS Low DATA

핀이 활성화 된다

그림 인터페이스 회로그림 인터페이스 회로그림 인터페이스 회로그림 인터페이스 회로22 EEPROM22 EEPROM22 EEPROM22 EEPROM

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는 메모리와 로직 함수 그리고 로직 어레이로 구성된ACEX1K device embedded

어레이를 가지고 있다 또한 어레이는 시리즈 로 구성되어 있으며. embedded EABs ,

각 는 로 되어 있다 이 는 로 멀티플렉서 마이크로프EAB 4096bit . EAB 100 600gate ,˜

로세서와 와 같은 복잡한 로직 함수를 구현 할 수 있다 본 연구에서는DSP . Phase

용 파형을 발생하기 위해서 의 칩을 사용해서 구현 하였고shifted PWM ALTERA PLD

회로도는 아래 그림과 같다 의 의. DSP GPIO(General Purpose Inut Output) A port

를 데이터 출력으로 이용했고 는 각종 신호의 제어기 입력으로, B port Digital input

사용하였다.

그림 의 인터페이스 회로도그림 의 인터페이스 회로도그림 의 인터페이스 회로도그림 의 인터페이스 회로도23 ACEX1k3023 ACEX1k3023 ACEX1k3023 ACEX1k30

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에 원하는 로직을 구현하기 위해서는 에서 제공하는ALTERA device Altera

라는 소프트 웨어를 이용한다 그림은 본 연구에서 작성한 로직이고 메MAK+pius .

인부분이다.

그림 의 메인부분그림 의 메인부분그림 의 메인부분그림 의 메인부분24 Phase shift PWM logic24 Phase shift PWM logic24 Phase shift PWM logic24 Phase shift PWM logic

왼쪽에 있는 부분이 입력데이터 함수 신호이고 가운데 위치하고 있는 박스로 되어,

있는 부분이 를 구현한 부분이다 이것은 구조로 되어 있어 내phase shift . Hierarchy

부에 각 기능별로 함수화 되어있다 오른쪽에 있는 포트는 출력 부분이며 이는.

의 디지털 입력으로 정의된 포트와 연결되어 있다 직류전압을 분할 운DSP GPIOB .

전하게 되므로 제안된 컨버터 제어기는 직류전압의 불균형을 감시할 수 있는 직류

전압 불균형 보호알고리즘을 갖추고 있다.

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그림 컨버터 주 제어기의 블록다이어그램그림 컨버터 주 제어기의 블록다이어그램그림 컨버터 주 제어기의 블록다이어그램그림 컨버터 주 제어기의 블록다이어그램23232323

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컨버터 개발컨버터 개발컨버터 개발컨버터 개발3. Power Stack3. Power Stack3. Power Stack3. Power Stack

그림 컨버터 설계 도면그림 컨버터 설계 도면그림 컨버터 설계 도면그림 컨버터 설계 도면26 power stack26 power stack26 power stack26 power stack

본 과제에서 개발된 컨버터의 배치 도면은 그림 과 같다 개의 컨power stack 26 . 2

버터로 구성되어져 있으며 트랜스포머 양쪽 옆에 배치되어 있고 출력 필터와 출력

전압 센싱을 위한 센싱보드가 뒤쪽에 위치해 있다.

전원장치인 는 두 분으로 구성이 되어 있다 첫 번째 는 교류 에서SMPS . SMPS 220V

의 직류로 변환하는 컨버터 형태로 구성되어져 있다 일단 로 전압15V AC/DC . 15V

을 변환한 다음 단계로 이 를 이용해여 보드에 사용한 전원을 절연된 형2 15V DSP

태로 변환하게 된다.

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그림그림그림그림 27 AC/DC SMPS27 AC/DC SMPS27 AC/DC SMPS27 AC/DC SMPS

그림그림그림그림 28 DC/DC SMPS28 DC/DC SMPS28 DC/DC SMPS28 DC/DC SMPS

는 개의 를 구동할 수 있게 하나의 보드로 개발되었으며Gate Driver 4 MOSFET

컨버터 개로 시스템이 구성되어 있어 개의 게이트 드라이브 보드1.5kW DC/DC 2 2

가 필요하게 된다 게이트 드라이브를 위한 독립된 전원은 게이트 드라이브 보드에.

서 트랜스포머를 사용하여 절연된 형태로 전원을 만들게 된다.

그림그림그림그림 29 Gate Driver board29 Gate Driver board29 Gate Driver board29 Gate Driver board

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본 과제에서 개발된 컨버터의 용량이 급이므로 이에 사용된 가 핀1.5kW MOSFET 3

을 가진 형태로 인해 기판에 장착하기에 여러 가지로 문제점이 많다 특히 소손에.

의해 소자를 제거하고자 할 경우 기판에 납땜으로 고정되어 있어 때어내고 다시 납

땜하는 과정에서 메인 전력 도 손상이 되어 기판 전체를 사용할 수 없는 일이PCB

종종 일어난다 따라서 이러한 문제점을 해결하고자 본 과제에서는 핀 소자를 고. 3

정 시키는 쪽 보드를 개발하여 소자를 전력 에 취부할 때 납땜이 아닌 나사로PCB

체결하는 형태를 취함으로 인해 소자의 착탈이 용이하게 하였다.

그림 본 과제에서 개발된그림 본 과제에서 개발된그림 본 과제에서 개발된그림 본 과제에서 개발된30303030

취부용 보드취부용 보드취부용 보드취부용 보드MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET

그림 은 위에서 개발된 모듈이 장착된 파워 를 보여주고 있다 파31 MOSFET PCB .

워 와 모듈은 나사로 채결되게 되어 있어 조립이 용이하다는 장점이PCB MOSFET

있다.

그림 기 장착된그림 기 장착된그림 기 장착된그림 기 장착된31 MOSFET Power PCB31 MOSFET Power PCB31 MOSFET Power PCB31 MOSFET Power PCB

아래 그림은 모듈과 마찬가지로 출력 다이오우드도 같은 조립형태를 가지MOSFET

고 제작되어 착탈이 용이하다 그림 은 컨버터를 제어하기 위한 제. 33 DC/DC DSP

어 보드를 보여주고 있으며 로 개발되어 졌다 향후 본 과제에서 개TMS320F2812 .

발된 컨버터를 이용하여 태양광 발전용 를 개발 할 경우 의 메인DC/DC PCS PCS

제어기와 통합하여 개발해야 할 예정이다.

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그림그림그림그림 32 DIODE PCB32 DIODE PCB32 DIODE PCB32 DIODE PCB

그림 제어 보드그림 제어 보드그림 제어 보드그림 제어 보드33 DSP33 DSP33 DSP33 DSP

아래 그림은 컨버터의 메인 트랜스포머와 출력 필터 인덕터를 보여주고 있DC/DC

다.

그림 트랜스포머그림 트랜스포머그림 트랜스포머그림 트랜스포머34343434 그림 필터 인덕터그림 필터 인덕터그림 필터 인덕터그림 필터 인덕터35353535

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그림 은 위에서 설명한 보드가 위에 장착36 SMPS, Gate driver, DSP power stack

된 모습을 보여주고 있다.

그림 보드그림 보드그림 보드그림 보드36 SMPS, Driver, DSP36 SMPS, Driver, DSP36 SMPS, Driver, DSP36 SMPS, Driver, DSP

그림 은 제어기 아래 부분에 방열판에 장착되어 트랜스포머 필터 인덕터 등이37 ,

결선되어진 부분을 보여주고 있다Power stack .

그림 부분그림 부분그림 부분그림 부분37 POWER STACK37 POWER STACK37 POWER STACK37 POWER STACK

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실실실실험험험험 결과결과결과결과5.5.5.5.

아래 그림들은 의 출력 전압 리플 측정 파형을 보여주고 있다 그림 과SMPS . 38 39

은 무부하 시 무부하 시 출력전압 파형 을 보여주고 있으AC/DC SMPS 5V (1V/div.)

며 그림 는 확대된 파형을 보여주고 있다 최대 리플이 임을 볼. peak-to-peak 0.3V

수 있다 이는 무부하시의 값으로 무부하시에도 가 잘 제어되면서 동작되고. SMPS

있음을 보여준다.

그림그림그림그림 무무무무부하시 출력전압 파형부하시 출력전압 파형부하시 출력전압 파형부하시 출력전압 파형38 AC/DC SMPS 5V (1V/div)38 AC/DC SMPS 5V (1V/div)38 AC/DC SMPS 5V (1V/div)38 AC/DC SMPS 5V (1V/div)

그림그림그림그림 무무무무부하시 출력전압 확대 파형부하시 출력전압 확대 파형부하시 출력전압 확대 파형부하시 출력전압 확대 파형39 AC/DC SMPS 5V (100mV/div)39 AC/DC SMPS 5V (100mV/div)39 AC/DC SMPS 5V (100mV/div)39 AC/DC SMPS 5V (100mV/div)

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그림 과 은 파형은 부하 시 전원의 전압파형으로 확대된 파형으40 41 SMPS Full 5V

로 의 리플을 가지고 있음을 볼 수 있으며 전원장치가 안정된 동작을 보여줌을9mV

알 수 있다.

그림그림그림그림 풀풀풀풀 부하시 출력전압 파형부하시 출력전압 파형부하시 출력전압 파형부하시 출력전압 파형40 AC/DC SMPS 5V (1V/div.)40 AC/DC SMPS 5V (1V/div.)40 AC/DC SMPS 5V (1V/div.)40 AC/DC SMPS 5V (1V/div.)

그림그림그림그림 풀풀풀풀 부하시 출력전압 확대 파형부하시 출력전압 확대 파형부하시 출력전압 확대 파형부하시 출력전압 확대 파형41 AC/DC SMPS 5V (20mV/div.)41 AC/DC SMPS 5V (20mV/div.)41 AC/DC SMPS 5V (20mV/div.)41 AC/DC SMPS 5V (20mV/div.)

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그림 은 두 개의 컨버터의 왼쪽 상위 의 게이트 구동신42 1.5kW DC/DC MOSFET

호를 보여주고 있다 이는 두신호가 동싲 에 동작하고 있는 것을 보여주며 이 경. \

우 출력의 전류 리플의 상쇄효과를 가져올 수 없기 때문에 출력 전류의 리플이 늘

어나는 단점을 가지게 된다 이런 단점을 극복하기 위하여 본 과제에서는 개의 컨. 2

버터가 된 게이트 신호로 구동되게 하여 전류리플을 감쇄 시킬 수 있게interleave

구동 신호를 발생시키고 있다 그림 은 게이트 신화가 개의 컨버터에 대해서. 43 2

주기 지연되어 구동되게 함으로써 동작을 하고 있음을 보여주고 있1/4 interleaving

다.

그림 개그림 개그림 개그림 개 풀브리풀브리풀브리풀브리지 모듈의 각각 신호지 모듈의 각각 신호지 모듈의 각각 신호지 모듈의 각각 신호42 2 Gate A (10V/div, 5us.div)42 2 Gate A (10V/div, 5us.div)42 2 Gate A (10V/div, 5us.div)42 2 Gate A (10V/div, 5us.div)

그림 운전을 하기 위한 개그림 운전을 하기 위한 개그림 운전을 하기 위한 개그림 운전을 하기 위한 개 풀풀풀풀부부부부리리리리지 모듈의지 모듈의지 모듈의지 모듈의43 interleaved 243 interleaved 243 interleaved 243 interleaved 2

신호신호신호신호Gate A (10V/div, 5us/div)Gate A (10V/div, 5us/div)Gate A (10V/div, 5us/div)Gate A (10V/div, 5us/div)

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그림 는 컨버터의 동작 파형을 보여주고 있다 동작이 잘되고44 ZVS DC/DC . ZVS

있음을 확대된 파형을 통하여 확인 할 수 있다 전류 파형이 전형적인. phase shift

컨버터의 파형임을 볼 수 있다ZVS .

그림 파형그림 파형그림 파형그림 파형44 ZVS (Vds, Vg, lp, 5us/div)44 ZVS (Vds, Vg, lp, 5us/div)44 ZVS (Vds, Vg, lp, 5us/div)44 ZVS (Vds, Vg, lp, 5us/div)

그림 확대 파형그림 확대 파형그림 확대 파형그림 확대 파형45 ZVS (1us/div)45 ZVS (1us/div)45 ZVS (1us/div)45 ZVS (1us/div)

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표 에서 까지는 입력전압이 일 때 각 전압별 컨버터의 효율과3 6 450V 600V DC/DC˜

본 과제에서 제안한 의 효율을 나타낸 값이다 이 때 컨버터의 출력은topology .

로 제어한다 본 과제에서 제안한 에서는 입력이 출력에 가까워질수620V . topology

록 컨버터에 부담하는 부하율이 떨어지게 됨으로 인해 효율은 더욱 좋아 지는 경향

을 보인다 출력 전압 즉 를 입력전압이 넘어설 경우에는 컨버터는 제어를 하. 620V

지 않게 되며 이 경우 모든 전력을 컨버터를 통하지 않고 전부 되어 출력bypass

에 전달 되므로 효율은 에 가깝게 된다 물론 이 경우 출력전압은 제어되지100% .

않으며 입력과 출력이 같이 변하게 된다 계통연계 인버터의 계통 전압이 있기 때.

문에 계통에 에너지를 밀어 넣기 위해서는 이보다 높은 전압이 필요하게 되므로 계

통 연계를 위한 최소 전압이상이 필요로 하기 때문에 높은 전압에서는 인버터에서

제어할 수 있기 때문에 전혀 컨버터의 출력 즉 인버터의 입력전압이 일정전압 이상

일 경우에는 전압이 변동되어도 아무 문제가 되지 않는다.

표 효율표 효율표 효율표 효율 데데데데이터이터이터이터3 (Vin : 450V, Vo:620V)3 (Vin : 450V, Vo:620V)3 (Vin : 450V, Vo:620V)3 (Vin : 450V, Vo:620V)


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본 과제에서 적용한 기존 방식의 방식의 컨버터의Phase Shift Full bridge DC/DC

효율은 입력전압이 이고 부하가 작을 때 효율이 로 가장 낮게 나타난다600V 65.3% .

그러나 본 연구에서 제안한 방식에서는 같은 조건에서도 로 효율이 아주 높97.3%

은 값을 얻을 수 있다 그리고 부하와 입력전압에 관계없이 넓은 범위에서. 96.5%

이상의 효율을 가지는 점이 본 연구에서 제안한 방식의 특징이다 그림 은 표. 126 3

에서 까지의 데이터를 바탕으로 효율 곡선을 표시하였다 기존의 컨버6 3D . DC/DC

터에 비해서 본 과제에서 제안한 방식의 효율은 전 영역에서 효율 곡선을 가Flat

지는 것을 볼 수 있다.

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그림 전압 및 부하별 효율 비교그림 전압 및 부하별 효율 비교그림 전압 및 부하별 효율 비교그림 전압 및 부하별 효율 비교46464646

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제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

지원목표 및 평가착안점에 입각한 지원목표의 달성도 및 관련분야의 기술발전에의(

기여도 등을 기술)

기술지원 항목 및 달성도□

지원항목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

부하 시 최저효율20% 85% 이상94% 측정PM3000

최대 효율 94% 이상98% 측정PM3000

컨버터 용량 10kW 3kW 적용 시10kW PCS

제 장 기술지원 결과의 확용계획제 장 기술지원 결과의 확용계획제 장 기술지원 결과의 확용계획제 장 기술지원 결과의 확용계획5555

추가지원의 필요성 타연구에의 응용 기업화 추진방안을 기술( , , )

사업별 특성에 따라 목차는 변경가능함※

기술 지원 완료한 급 컨버터 설계 기술은 고효율 의 중요 기술로3kW DC/DC PCS

다음 제품에 모두 적용하여 의 제품 라인업을 늘려나갈 예정이다PCS .

고효율 단상 PCS▷

고효율 비절연형 중형 급PCS 10kW 50kW▷ ˜

대용량 비절연 급PCS 100kW 250kW▷ ˜

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Documents

태양광 발전용 고효율 급3kW DC/DC 컨버터 설계 기술 지원 - ITFIND · 2011-12-20 · 17 2008/09/19 회로 실험3kW DC/DC gate drive 기술지원실적 업로드 참조