태양에너지 애플리케이션을 위한 아키텍처
태양 전지의 제조 효율성을 높이는 기술에 미디어의 관심이 쏠리는 것은 당연하다. 그러나 태양광 발전 시스템의 글로벌 효율성은 태양 전지판으로만 결정되는 것이 아니다. 직류 전류를 변환하고 최대 출력점을 유지하는 역할의 전력 부품도 영향을 미친다. 여기서는 ST마이크로일렉트로닉스의 솔루션과 함께 마이크로인버터 방식을 기초로 하는 새로운 트렌드에 대해 설명한다.
Luigi Galioto, Gianfranco Di Marco STMicroelectronics
태양 전지판으로 발전한 직류 전류를 변환하고 최대 출력점을 유지하는[이 기능은 Maximum Power Point Tracker(MPPT : 최대 출력점 추종장치) 알고리즘으로 실행된다] 역할의 전력 부품은 태양광 발전 시스템의 효율에 영향을 미친다.
전력 관련 부품의 배치에 따라 다양한 계통연계형(Grid-connected) 태양광 시스템 아키텍처를 실행할 수 있다.
센트럴 및 스트링 인버터 아키텍처는 전형적인 계통연계형 태양광 발전 시스템을 대표하는 아키텍처이다. 센트럴 인버터 아키텍처의 특징은 PV 어레이의 DC 출력 전체가 일정 지점으로 모아진 후 인버터 하나로 AC 변환된다는 것이다. 이와 같은 아키텍처의 경우 MPPT를 시스템 레벨에서 실행한다.
스트링 인버터 아키텍처는 각 스트링에서 전력 변환이 일어나는 시스템(PV 어레이가 나눠진다)에서 사용된다. 낮은 와트당 비용 및 단순한 설계 덕분에 대형 PV 발전소에서는 전력 변환에 센트럴 및 스트링 인버터를 사용한다. STMicroelectronics(이하, ST)는 이를 위해 3kW 계통연계형 태양광 인버터 평가보드를 개발했다. 시스템 레벨로 MPPT를 채택한다는 것은, 패널의 성능이 다르거나 오염 및 음영 때문에 MPPT가 제기능을 다할 수 없고, 패널이 일렬로 연결되므로 성능이 가장 낮은 모듈을 따라 에너지 시스템 생산이 저하된다는 의미이다.
센트럴 또는 스트링 인버터를 사용하는 PV 시스템은 상대적으로 유지 비용이 크다. 설치 모니터링도 모듈이 아닌 시스템 레벨로 이행되기 때문에, 결함이 있거나 음영이 생긴 태양광 모듈을 찾는 것은 시간이 많이 소모되고 비용도 많이 든다. 시스템의 신뢰성은. 전자적으로 센트럴 인버터 작동에 달려 있다(이상이 발생할 경우 전체 시스템 중단).
태양광 발전 아키텍처의 새로운 트렌드는 분산 시스템을 중심으로 하는데, 이는 모듈 레벨 전력관리(Module Level Power Management, MLPM)를 이용한다는 뜻이다. 이 경우, 모듈 레벨의 MPPT 덕분에 시스템 에너지 생산 개선, 각 패널의 완전한 모니터링 및 관리, 안전성 개선, 시스템 신뢰성 증가와 시스템 설계상의 유연성 증대 등이 가능해진다.
MLPM 기반의 아키텍처
1. 파워 옵티마이저
이것은 패널 레벨에서 MPPT 및 통신 기능과 함께 DC-DC 전력 컨버전을 실행한다. 어레이 레벨의 AC 그리드 연결은 센트럴 인버터로 불리는 DC-AC 컨버터 1개로 실행된다.
파워 옵티마이저 아키텍처는 DC-DC 컨버터의 출력전압에 따라 저전압 아키텍처(각 스트링에서 파워 옵티마이저에 일렬로 연결. 그림 1)와 고전압 아키텍처(파워 옵티마이저가 메인 인버터에 병렬로 직접 연결. 그림 2)로 나뉜다. 
ST는 저전압 아키텍처를 위해 SPV1020 인터리브드(Interleaved) DC-DC 부스트 컨버터와 같은 제품을 개발했다.
이 디바이스는 모놀리식 4상 인터리브드 DC-DC 부스트 컨버터로 내장된 로직이 컨버터에 연결된 PV 셀에서 MPPT 알고리즘을 수행한다. 시스템 평가보드(예를 들면 STEVAL-ISV009V1)를 이용하면 IC 성능 평가가 가능하다. 고전압 아키텍처의 경우에는 다른 평가보드(예를 들면 STEVAL-ISV013V1)를 이용할 수 있다.
2. 마이크로인버터
이것은 패널 레벨에서 전력 변환 단계(MPPT 기능을 갖춘 DC-DC, DC-AC), 통신 기능 및 AC 그리드 연결을 실행한다. 이 방식에서는 각 패널이 AC 그리드에 병렬로 직접 연결된다. ST는 전체 제품의 포트폴리오를 기반으로 하여 효율적인 솔루션(평가보드) STEVAL-ISV003V1[플러그인 PV 패널을 위한 250W 마이크로인버터(Microinverter)]을 개발했다(그림 3). 다음에는 이 솔루션에 대해 상세히 설명한다.
모듈 레벨에서 MPPT를 실행하면 태양광 시스템 설치에 있어서의 에너지 생산량을 최대 25%까지 증가시킬 수 있다.
시장조사업체인 아이서플라이(iSuppli)에 따르면, 태양광 발전의 효율을 높여주는 MLPM 솔루션은 빠른 성장세를 나타냄에 따라, 올해 주택용 PV 설치 용량의 약 40%가 이 기술을 이용할 것으로 기대된다고 한다. MLPM 시스템의 올 한해 글로벌 선적량은 작년 160MW 대비 약 40배 증가한 6.2GW에 이를 것으로 예상된다. 올해 말에는 전세계 주택용 PV 설치용량의 38%가 MLPM 솔루션을 채택할 것으로 전망되고 있는데, 이는 2010년의 2%에 비해 크게 증가한 수치이다(그림 4 참조).
MLPM 기반 아키텍처는 사용 전원이 낮고 부분적 음영이 큰 문제가 되는 주택용 PV 시스템에 적합하다. MLPM의 경우, 파워 옵티마이저보다 마이크로인버터쪽의 장점이 많다. 마이크로인버터 솔루션은 화재 리스크를 낮출 수 있는데, 이는 DC 아크(arc)가 연속적인 데 비해 AC 시스템 아크는 초당 120번(60Hz 파워 시스템) 자체 소화(Self Extinguish)를 시키기 때문이다. 이 경우, 위험한 고전압 DC 버스 분배가 없다.
신뢰성 면에서는, 패널 또는 마이크로인버터 하나에 이상이 발생하더라도 해당 모듈만 정지된다. 나머지 어레이는 계속해서 정상 작동할 것이다.
이에 비해 파워 옵티마이저 아키텍처를 채택할 경우, 센트럴 인버터에 문제가 생기면 전체 시스템의 에너지 생산이 중단된다. 그리고 분산형 마이크로인버터 아키텍처의 또 다른 장점은, 시간이 지나면서 설치 용량을 확대할 수 있다는 것이다. 첫 태양광 패널 세트를 설치한 후, 중앙집중형 인버터 교체 없이 다른 모듈을 추가하여 전력발전소의 용량을 확대할 수 있다.
마이크로인버터 토폴로지
마이크로인버터 토폴로지는 크게 1단형과 2단형으로 나눌 수 있다. 1단형(그림 5)은 패널에서 정류 정현파(Rectified Sinusoid)로 전력 변환되는 것이 단일 단계에서 수행되므로 1단형이라고 한다. 
인터리브드 플라이백(준공진 및 비준공진), 포워드 컨버터와 같이 서로 다른 토폴로지를 사용한다. 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier, SCR)의 풀브리지를 이용하여 정류 출력 전압/전류를 정현파 전압/전류로 변환한다. 이에 따라 SCR은 라인주파수(Line Frequency)로 스위치된다.
ST는 피크 반복 오프 전압 VDRM/VRRM 600V 및 800V, 역저지 기능(AC 라인 커넥션에는 필수) 및 ZCS 오퍼레이션을 특징으로 하는 TN805/TN815 또는 TYN608/TYN812와 같은 SCR을 제공한다.
1단 토폴로지 마이크로인버터의 장점으로는 보다 낮은 컴포넌트 갯수, 언폴딩 브리지(Unfolding Bridge)의 낮은 스위칭 주파수 및 아이솔레이션 수행의 용이성을 들 수 있다.
그리고 단점으로는 1차 측 스위치 및 2차 측 다이오드에서 높은 전압 정격, 전력 손실을 유발할 수 있는 인풋 고진폭 100/120Hz 리플 전류(PV 패널의 최대 전력점 이탈 때문) 등을 들 수 있다.
두 번째 2단 토폴로지(그림 6)는 PV 패널 전압을 높은 DC 버스 정전압으로 높이는 DC/DC 컨버터와, 그리드 전압과 동기화되는 정현 출력 전압 및 전류를 생산하는 전통적인 PWM DC/AC 컨버터로 구성된다. 
DC/DC 컨버터의 경우, 일반적으로 사용되는 토폴로지는 푸시풀, 풀브리지 또는 인터리브드 플라이백(Interleaved Flyback)이다. DC-AC 컨버터에 사용된 토폴로지는 풀브리지이다.
2단 토폴로지의 장점으로는 무효전력(Reactive Power) 관리 및 낮은 인풋 리플 전류의 PV인풋 사이드를 들 수 있다. 첫 번째 장점은 무효전력에 대한 규제가 있는 국가에서 매우 중요하다. 두 번째 장점은 작은 크기에 신뢰성이 높은 축전기(전해식 대신 필름식)를 이용하여 마이크로인버터의 수명을 늘릴 수 있다. 2단 토폴로지는 1단에 비해 더 복잡하며 비용도 높다.
ST는 다양한 반도체 제품 포트폴리오를 기반으로 마이크로인버터 개발의 모든 섹션(전력 관리, 데이터 프로세싱, 인터페이스)을 지원한다(그림 7). 전력 관리 제품, 데이터 프로세싱 제품, 커넥티비티 제품은 다음과 같다.
1. 전력 관리 제품
(1) 전력 MOSFETs
650V MDmesh V 시리즈 : STL18N55M5, STL17 N65M5, STL19N65M5
850V SuperMESH5 시리즈 : STL23N85K5
STripFET VI DeepGATE 시리즈 : STL80N75F6, STL75N8LF6
(2) 다이오드
600V 실리콘-카바이드(SiC) 시리즈 : STPSC1006, STPSC1206, STPSC2006CW, STPSC406, STPSC 606, STPSC806
600V Ultrafast 시리즈 : STTH15L06D, STTH 60L06CW, STTH30L06CW, STTH6006W, STTH 3006W, STTH806DTI, STTH1506DPI
(3) MOSFTEs/IGBT 드라이버
PM8834, L6386E, L6390, L6391, L6393, TD220, TD350, TD351, TD352
(4) IGBT/MOSFET 보호장치
SMAJ, SMA6J, SMBJ, P6KE, SM15T, 1.5KE Transil
(5) 보조(Auxiliary) SMPS
VIPerPLUS 제품군
2. 데이터 프로세싱 제품
데이터 프로세싱 제품에는 다음과 같은 32-bit ARM Cortex MCU가 있다.
STM32F1
STM32F2
STM32F4
3. 커넥티비티 제품
(1) RF MCU 제품군
STM32W
(2) 파워 라인 트랜시버 및 STarGRID
(파워 라인 네트워킹 SoC) 제품군
ST7540, ST7570, ST7580, ST7590
(3) 이더넷 트랜시버
ST802RT1A, ST802RT1
마이크로인버터 컨버터의 비용이 더 높긴 하지만, 실제 에너지 생산비용을 평가하기 위해서는 균등화 전력비용(Levelized Cost of Electricity, LCOE) 모델을 사용해야 한다.
LCOE는 미터법으로 특정 PV 시스템에서 킬로와트 시당 전력생산비용으로 나타낼 수 있다. 이 때 시스템 비용, 에너지 수확량, 성능, 현재 시스템 작동 및 수명주기 동안의 유지보수를 감안한다.
여러 애플리케이션의 각 전력 옵션에 대한 LCOE를 살펴보면, 주택용 시장에는 마이크로인버터가 가장 적합한 것으로 보인다.
ST 시스템 솔루션 : 플러그인 PV 패널을 위한 250W 마이크로인버터
ST는 마이크로인버터 접근법을 지원하기 위해 250W 시스템 솔루션(주문 코드 STEVAL-ISV003V1)을 제공한다(그림 8, 사진 1). 이 설계는 2단 토폴로지, 즉 인터리브드 아이솔레이티드 부스트 DC/DC 컨버터 및 혼합 주파수 풀브리지 DC/AC 컨버터에 기초한다. 전력기기 선택은 효율성 면에서 올바른 토폴로지 실행을 위해 매우 중요하다.
이 솔루션의 주요 전기 시스템 시방서는 다음과 같다(표 1). 
인터리브드 아이솔레이티드 부스트 DC/DC 단을 사용하면 PV 모듈의 출력 전압을 최대 400V DC까지 높이고 MPPT를 프로세스할 수 있다. 이를 위해 일반적이면서 쉬운 Perturb & Observe(P&O) 방법을 사용했는데, 이 경우 PV 패널 전력 및 전압 변화에 따라 32bit ARM CortexTM-M3 프로세서 기반 마이크로컨트롤러인 STM32F1에 의해서 DC-DC 컨버터의 듀티 사이클이 증가 또는 감소하게 된다(그림 9).
DC-DC 컨버터의 전기적 분리(Galvanic Isolation)는 입력단과 정류기 출력단 사이에 연결되는 고주파 변압기로 보장된다. 1단에서는 STH180N10F3-2-100V/3.9mOhm STripFETTM Ⅲ Power MOSFET을 사용한다. ST의 STripFETTM Ⅲ 기술은 우수한 스위치 성능을 위해 온저항 및 게이트 차지를 최소화하도록 설계되었다.
이와 같은 전력 모스펫은 고용량 모스펫과 함께 작동하도록 설계된 듀얼 로우 사이드 드라이버인 PM8834로 구동된다. 정류기 출력단에서는 STTH12R06-600V/12A 터보 2 초고속 고전압 정류기(Ultrafast High Voltage Rectifier)를 사용한다(그림 10).
DC/AC 컨버터는 풀브리지이며, 그 특징은 정현 PWM 방식의 고주파 레그 스위칭(17kHz)과 그리드 주파수(50Hz)에서의 저주파 레그 스위칭을 들 수 있다(그림 11). 
이와 같은 모듈레이팅 전략을 채택하면 스위칭 손실의 합리적 감소로 인해 저부하 운전 시 마이크로인버터의 효율성을 최적화할 수 있다.
DC/AC 컨버터에서는 STPSC606-600V/6A Silicon Carbide(SiC) 다이오드를 프리휠링(freewheeling) 다이오드와 같이, STPS1545C-45V/15A 쇼트키 다이오드를 블로킹 다이오드와 같이 사용하고, STB18N65M5-650V/ 0.198Ohm MDmeshTM Ⅴ Power MOSFET을 사용한다. 게이트 드라이버는 PM8834와 공동으로 L6390(하프 브리지 드라이버)을 사용한다.
실리콘 카바이드(Silicon Carbide)에 기반을 둔 기기는 다양한 장점을 갖고 있다. 실리콘 카바이드는 전력 반도체에 있어서 혁신적인 소재라고 할 수 있다. 물리적인 특징으로는, 가장 빠른 시판용 바이폴라 실리콘 다이오드에 비하여 같은 특성이 4배나 개선되었고 순전압이 15% 감소했다는 것을 들 수 있다.
ST의 실리콘 카바이드 다이오드는 역회복 특성이 낮아 마이크로인버터에서 에너지 절약에 크게 기여한다.
스위치의 경우 MDmeshTM Ⅴ는 혁명적인 전력 모스펫 기술로, 많이 알려진 ST의 PowerMESHTM 수평 레이아웃 구조와 결합된 혁신적 수직 프로세스에 기초한 것이다.
그 결과로 나온 제품은 온저항이 크게 낮은데, 이는 실리콘 기반의 전력 모스펫 중 최저 수준이며 이 때문에 높은 전력 밀도 및 효율성을 필요로 하는 애플리케이션에 적합하다.
컨트롤 섹션은 MPPT를 관리하는 동일한 STM32F1 마이크로컨트롤러에 기반을 두고 있다. 특히 PV 애플리케이션에 적합한 STM32F103ZE를 사용하고 있다.
이 시리즈는 72MHz Cortex-M3 CPU, 64Kbyte SRAM, 512Kbyte Flash, SPI, I2C, USB FS Device, 불감 시간 및 비상 정지가 가능한 2×16bit PWM 타이머, CAN 2.0B, 12-채널 DMA 컨트롤러 등과 같은 특징을 갖고 있다.
STM32F103ZE 마이크로컨트롤러는 또한 그리드 연결을 관장한다. 이를 위해 DQ-PLL 축의 컨트롤을 사용하는데, 이 경우 정상 상태의 오차가 없고(PI 컨트롤러 사용 때문) 실행이 단순하다는 장점이 있다(그림 12).
그리드 전압 및 90도 위상차 전압(90 Degrees Phase Shifted Voltage)을 사용하여 참조 프레임 변화 또는 ‘파크 변환(Park Transformation)’을 수행하고 d-q 참조 프레임에 두 전압 컴포넌트(Vd, Vq)를 생성한다. 두 컴포넌트 중 하나는 PI 레귤레이터로 0로 제어된다. PI 레귤레이터의 아웃풋은 그리드 주파수로 이를 집적하여 그리드 각도를 얻을 수 있다.
동일한 마이크로컨트롤러로 다른 작업도 실행할 수 있다. 다른 작업이란 입력 전압/전류 모니터링, 버스 DC 전압 컨트롤, 가동 시 버스트 모드 작동, 라인 전압과 주파수 감지 및 단독운전 방지, 과전류 아웃, 개방 루프 동작 및 LCD 디스플레이 관리 등을 말한다.
컨트롤 알고리즘을 개발하여 하드웨어 수정 없이 230V AC, 50Hz 그리드와 240V AC, 60Hz 그리드 모두에서 시스템 작동이 가능하다. 120V AC, 50/60Hz 그리드와 연계하기 위해 하드웨어를 거의 변경하지 않아도 되며, 최고의 시스템 성능을 보장할 수 있다. 시스템 피크 효율성은 94% 이상이며 CEC 효율성은 93.4%이다. 각 출력값에서의 효율성 곡선은 그림 13과 같다. 
ST 마이크로인버터 솔루션에 대한 상세 정보는 애플리케이션 노트 AN4070 및 UM1538을 참조하기 바란다.
