[논문]단상 계통연계형 태양광 발전 시스템용 고효율 MOSFET 인버터

류형민

doi:10.6113/tkpe.2014.19.3.227

[국내논문] 단상 계통연계형 태양광 발전 시스템용 고효율 MOSFET 인버터
Highly Efficient MOSFET Inverter for Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic Power Generation Systems 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.3, 2014년, pp.227 - 232

류형민 (Dept. of Electrical Eng., Dong-Eui University)

Abstract ▼ AI-Helper

A highly efficient MOSFET inverter for single-phase grid-connected photovoltaic power generation systems is presented in this paper. It is a full-MOSFET version of the conventional transformerless full-bridge inverter with dual L-C filters using unipolar PWM. The key idea lies on smart pre switching(SPS), which can make the large switching loss due to a poor reverse recovery of the MOSFET's body diode reduced dramatically. The validity of the proposed inverter is verified by experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고효율 태양광 인버터의 효율을 더욱 개선한 초고효율 태양광 인버터를 제안하였다. 3kW급 시작품의 실험 결과를 통하여 제안된 방식의 효율 개선과 안정된 동작을 검증하였다.
본 논문은 고효율 태양광 인버터가 단위 역률로 운전되고 asymmetric unipolar PWM을 사용한다는 점에 착안하여 IGBT와 FRD를 모두 MOSFET으로 대체함으로써 전도 손실뿐만 아니라 스위칭 손실까지 저감할 수 있는 방식을 제안한다. 또한 참고문헌 [9]에서는 SPS 기술에 대한 기본 개념만을 간략히 소개하고 있는데, 본 논문에서 실제 구현에 필요한 구체적인 기술 정보와 분석 결과를 제공한다.
본 논문은 고효율 태양광 인버터의 효율을 더욱 개선하기 위한 일명 초고효율 태양광 인버터를 제안한다. 제안된 방식은 에어컨 압축기용 고효율 인버터를 소개한 참고 문헌 [9]의 SPS(smart pre switching) 기술을 활용한다.

가설 설정

여기서, Cp는 태양 전지와 접지 간의 기생 커패시턴스를 의미한다. H4 기본 토폴로지와 비교할 때 직류단 음극과 계통 측을 두 개의 필터 커패시터로 연결한 것이 유일한 차이점인데, 이 단순한 차이가 누설 전류 문제가 없는 unipolar PWM을 가능케 한다.

제안 방법

낮은 출력에서 보다 정확한 효율 비교를 위해 스위칭 소자에서의 손실뿐만 아니라 게이트 구동 회로에서의 손실, SPS 회로의 입력 전원으로도 사용하는 15V 전원(SMPS)에서의 손실까지 반영하였다.
I-V 곡선은 제조사가 제공하는 datasheet를 참고하였고, 턴온 및 턴오프 손실은 모두 직접 측정하였다. 또한 출력에 따라 온도가 달라지므로 그에 따른 I-V 곡선과 턴온 및 턴오프 손실의 변동을 반영하였다. 그림 13에서 주목할 만한 특징은 제안된 방식의 전도 손실은 출력이 감소함에 따라 더욱 감소한다는 사실이며, 이는 MOSFET의 순저항성에 기인한다.
스위칭 전류 및 전압을 측정하기 위해 각각 100MHz(band width) 프로브(probe) CP031, 100MHz 프로브 ADP305가 사용되었다. 오실로스코프는 400MHz WR44Xi-A이고, Math 메뉴의 곱셈과 적분 기능을 이용하여 스위칭 손실을 측정하였다. 주 스위치와 SPS 스위치의 게이트 구동 IC는 각각 IR2113, ICL7667이며, 입력 전압 신호의 시간 구간 T2 및 T3(그림 8)은 각각 1µsec, 1.

대상 데이터

단상 태양광 인버터는 가변 직류 전원인 태양 전지와 계통을 연결하기 위해 통상 두 단계의 전력 변환, 승압 DC/DC 컨버터와 단상 DC/AC 컨버터로 구성된다. 본 논문의 연구 대상은 후자이며, 이하 태양광 인버터는 별도의 언급이 없는 한 단상 DC/AC 컨버터만을 의미한다.
스위칭 소자의 부품 번호는 표 2와 같다. 스위칭 전류 및 전압을 측정하기 위해 각각 100MHz(band width) 프로브(probe) CP031, 100MHz 프로브 ADP305가 사용되었다. 오실로스코프는 400MHz WR44Xi-A이고, Math 메뉴의 곱셈과 적분 기능을 이용하여 스위칭 손실을 측정하였다.
제안된 방식의 효율 개선과 안정된 동작을 입증하기 위해 3kW급 시작품(그림 9)을 제작하였다.

이론/모형

본 논문은 고효율 태양광 인버터의 효율을 더욱 개선하기 위한 일명 초고효율 태양광 인버터를 제안한다. 제안된 방식은 에어컨 압축기용 고효율 인버터를 소개한 참고 문헌 [9]의 SPS(smart pre switching) 기술을 활용한다.

성능/효과

1. 비슷한 효율을 기대할 수 있는 SiC MOSFET이나 SiC JFET을 사용한 것보다 저렴하다.
2. 방열 비용이 줄어들고, 향상된 효율만큼 발전 수입이 증가하거나 전기 사용 요금이 절약된다.
3. 기존 효율을 유지하는 대신 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 필터, 특히 인덕터의 크기를 줄여서 제품의 원가를 절감할 수 있다.
본 논문에서는 고효율 태양광 인버터의 효율을 더욱 개선한 초고효율 태양광 인버터를 제안하였다. 3kW급 시작품의 실험 결과를 통하여 제안된 방식의 효율 개선과 안정된 동작을 검증하였다. 제안된 초고효율 태양광 인버터의 장점 및 기대 효과는 다음과 같다.
MOSFET은 테일 전류가 없으므로 스위칭 손실 또한 그만큼 줄어든다. 결과적으로, 실질적인 에너지 절약을 가늠할 수 있도록 실제 일사량에 따른 출력 분포를 반영하여 정의한 European 효율에서 48%로 가장 높은 비중을 차지하는 정격의 50% 출력에서 제안된 방식의 손실은 12.3W로 기존 20.7W의 거의 절반으로 감소한다.
낮은 출력에서 보다 정확한 효율 비교를 위해 스위칭 소자에서의 손실뿐만 아니라 게이트 구동 회로에서의 손실, SPS 회로의 입력 전원으로도 사용하는 15V 전원(SMPS)에서의 손실까지 반영하였다. 기존의 방식과 제안된 방식의 European 효율은 각각 98.5%, 99.0%이다.
또한 참고문헌 [9]에서는 SPS 기술에 대한 기본 개념만을 간략히 소개하고 있는데, 본 논문에서 실제 구현에 필요한 구체적인 기술 정보와 분석 결과를 제공한다. 제안된 방식의 효율 개선과 안정된 동작은 3kW급 시작품의 실험 결과를 통해 증명된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	bipolar PWM 방식의 문제점은?	하지만 bipolar PWM 방식은 unipolar PWM 방식에 비해 동일한 최대 리플 전류 조건에서 스위칭 손실과 인덕턴스의 곱이 네 배가 되므로 변압기를 제거한 이점이 크게 희석된다. 따라서 효율 향상 및 비용 절감을 위한 개선안으로 일명 고효율 태양광 인버터들이 제안되 었고, Sunways사의 HERIC을 비롯한 수십 개의 H4, H5, H6 토폴로지가 상용화되었다[2]-[8].
	단상 태양광 인버터는 어떻게 구성되는가?	단상 태양광 인버터는 가변 직류 전원인 태양 전지와 계통을 연결하기 위해 통상 두 단계의 전력 변환, 승압 DC/DC 컨버터와 단상 DC/AC 컨버터로 구성된다. 본 논문의 연구 대상은 후자이며, 이하 태양광 인버터는 별도의 언급이 없는 한 단상 DC/AC 컨버터만을 의미한다.

참고문헌 (9)

Oscar Lopez, Remus Teodorescu, Francisco Freijedo, and Jesus DovalGandoy, "Leakage current evaluation of a single-phase transformerless PV inverter connected to the grid," 22th Applied Power Electronics Conference, Anaheim, USA, pp. 907-912, Feb. 2007.
Bruno Burger and Dirk Kranzer, "Extreme high efficiency PV-power converters," 13th European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1-13, Sep. 2009.
Samuel Vasconcelos Araujo, Peter Zacharias, and Regine Mallwitz, "Highly efficient single-phase transformerless inverters for grid-connected photovoltaic systems," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 9, pp. 3118-3128, Sep. 2010.

상세보기
Bruno Burger, "Power electronics for grid connected PV," International Seminar Power Electronics for Photovoltaiks, OTTI, Munich, Germany, pp. 163-216, Jun. 2009.
H. Schmidt, S. Christoph, and J. Ketterer, "Current inverter for direct/alternating currents, has direct and alternating connections with an intermediate power store, a bridge circuit, rectifier diodes and an inductive choke," German Patent DE10 221 592 A1, Dec. 2003.
M. Victor, F. Greizer, S. Bremicker, and U. Huebler, "Verfahren zum umwandeln einer elektrischen gleichspannung einer gleichspannungsquelle, insbesondere einer photovoltaik-gleichspannungsquelle in eine wechselspannung," German Patent DE102004 030 912 B3, Jan. 2006.
Roberto Gonzalez, Jesus Lopez, Pablo Sanchis, and Luis Marroyo, "Transformerless inverter for single-phase photovoltaic systems," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 2, pp. 693-697, Mar. 2007.

상세보기
Bo Yang, Wuhua Li, Yunjie Gu, Wenfeng Cui, and Xiangning He, "Improved transformerless inverter with common-mode leakage current elimination for a photovoltaic grid-connected power system," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 2, pp. 752-762, Feb. 2012.

상세보기
Shinya Shimizu, Michika Uesugi, Tomoaki Toshi, Takahisa Endo, and Hiroshi Mochikawa, "Application and development of high efficient inverter system for air conditioner," Domestic Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Industry Application, I-113, 2006 (Japanese).

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