전력 변환의 새 물결: 태양광 PV 인버터의 안전, 속도, 비용 효율 고려한 설계

  • 2017년 08월호
  • 한스 브뤼게만(Hans Brueggemann), 아나로그디바이스



태양 에너지는 더 이상 새로운 기술이 아니다. 오히려 빠르게 성장하며 중대한 기술 변화를 겪고 있는 기술이다.

태양열 발전 비용이 기존의 전기 발전 비용과 균형을 이루게 되는 그리드 패리티(Grid Parity)에 도달하는 시점이 가까워지고 있다. 태양 전지판으로부터 받은 DC 전력을 사용 가능한 AC로 변환시키는 효율성이 증가하고 비용은 줄어들고 있기 때문이다.

그러나 태양 전지판이 최근 몇 년간 상당히 저렴해졌음에도 불구하고, 태양 에너지 발전의 새 물결은 전력 변환 시스템에 사용될 새로운 기술이 견인하게 될 것이다. 더욱 뛰어나고 정교한 멀티 레벨 전력 스위칭 토폴로지가 등장하면서 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN)과 같은 물질을 기반으로 더 빠른 전력 스위칭이 가능해지고, 보다 높은 작동 전압과(최대 1,600VDC) 결합되어 기존 시스템 대비 성능 면에서 상당한 진전을 이루게 될 것이다.

스위칭 주파수가 높아지면 전력 컨버터의 수동 소자인 유도성 코일과 커패시터(축전기)의 크기를 많이 줄일 수 있어서 무게와 비용을 낮출 수 있다. 이 두 가지는 향후 태양열 기반 시스템의 시장을 확장하는 데 중요한 장점이 된다.

그 결과, 이러한 새로운 전력 스위칭 토폴로지가 태양열 기반 시스템을 제어하고 지원하는 부품들의 변화를 가져오고 있다. 더 작고 빠른 시스템을 구현하기 위해서는 전력 변환 신호 체인을 통해 프로세싱 속도를 높이고 부품 집적을 향상시켜야 한다. 최신 PV 인버터의 크기가 줄어들고 있기는 하나, 이러한 혁신으로 인해 안전 면에서 전력 변환에 내재된 심각한 문제를 처리해야 하는 어려움이 한 층 커질 수 있다. 즉, 시스템의 크기가 줄어들면 위험 수준의 전압을 물리적으로 절연하는 일이 더욱 어려워지게 된다.

태양 전지판이나 태양광 모듈이 태양열 시스템의 핵심이자 당연하게 여겨지는 부품인 반면, 더욱 복잡하게 고려되는 것은 바로 시스템을 제어하는 두뇌에 해당하는 PV 인버터다. PV 인버터를 설계할 때에는 전류 측정과 계산 회로를 전력 처리 회로로부터, 또 스위칭으로 인한 과도 신호로부터 보호하기 위해서 주의를 기울여야 한다.

그러나 이러한 보호 기능을 얻기 위해 추가적인 절연 부품을 사용하게 되면서, 시스템의 비용과 복잡성 증가라는 대가를 치뤄야 한다. 또한 이러한 시스템에 필요한 더욱 정교한 알고리즘을 실행할 수 있도록 프로그래머블 프로세서를 내장하면 코드 무결성과 관련헤 안전 문제가 발생한다.

안전성에 대한 공식적인 인증 또한 모든 개발자들이 마주하는 요건 중 하나다. 안전 연결 차단(및 재연결)과 관련해 지켜야 할 규정들은 무수히 많다. 시스템 응답 속도, 부분적, 전체적 정전 처리 방법, 빠른 연결 차단, 아크 방전의 감지 같은 문제들을 모두 해결해야 하며, 심지어 이를 국가별로 처리해야 하는 경우가 대부분이다. 인증을 거치기 위해서는 개발 시간과 비용이 추가로 필요하기 때문에 적합성이 이미 확인된 부품과 방식이 매력적으로 다가올 수밖에 없다. 지역별로 진화하고 있는 여러 안전 규정을 만족시킬 유연성 또한 요구된다.

다행히 이러한 문제는 보조 절연 전류 감지 및 게이트 드라이버 기술로 이루어져 향상된 혼합 신호 제어 프로세서를 통합시킨 전력 인버터 플랫폼을 사용하면 해결할 수 있다.

예비 안전 점검-단일 오류 안전성 

태양열 PV 인버터용 AC 모니터와 차단기(Disconnector) 같이 안전이 중요한 애플리케이션의 경우, 안전성 기준 요건으로 단일 오류 안전성(Single-Fault Safety)을 보장하기 위해 모니터링 장치 외에 중복으로 감시 장치를 두어야 한다. 기존의 PV 인버터에서는 이를 위해 시스템에 감시용 프로세서를 추가해 릴레이 K2를 제어하는 중복 모니터링 장치의 역할을 하도록 했다(그림 1).

 

[그림 1] 기존의 PV 인버터 제어 하드웨어에서는 별도의 감시용 프로세서가 중복 안전성 감시 장치인 K2의 역할을 했다. 두 가지 프로세서는 모두 안전 소프트웨어의 일부를 실행시키고 표준 I/O 장치를 통해 통신한다.


〈그림 1〉을 보면 쉽게 알 수 있지만, 이렇게 하면 시스템 제어를 위해 하드웨어에 들여야 하는 전반적인 비용이 크게 증가한다. 감시용 장치는 실제로 무해한 성능 요건을 갖춘 프로세서로 구성되어 있지만, 별도의 지원을 위한 인프라 역시 구축되어야하기 때문이다. 반면, 이러한 배열이 선호되는 이유는 추가되는 장치가 분리되어 있음을 눈으로 거의 확인할 수 있어 안전 당국의 적합성 검사 시 안전성 관련 배열을 이해하기 쉽기 때문이다.

PV 인버터 제조사는 인버터 성능을 향상시키기 위해 노력하는 동시에, 전 세계 시장으로부터 태양열 PV 시스템의 총 작동 비용을 낮추라는 압박을 지속적으로 받고 있으며, 그로 인해 인버터 토폴로지의 성능 향상과 PV 인버터의 핵심 안전 부품에 대한 비용 절감을 위한 연구를 강화하고 있다. 따라서 안정한 차단기의 중복 감시 장치는 비용 절감 가능성을 염두에 두고 연구해야 하는 부품이 됐다.

듀얼 코어 설계로 얻을 수 있는 커다란 장점 

아나로그디바이스는 인버터의 작동을 단순화시키는 동시에 성능을 향상시키기 위해 혁신적인 혼합 신호 제어 프로세서인 ADSP-CM41x 제품군을 개발했다. ADSP-CM41x 설계의 중심에는 듀얼 독립형 코어 기반의 안전성이라는 완전히 새로운 개념이 있었다. 이 개념은 예비 안전 시스템과 여러 기능을 하나의 칩에 통합시키는 것을 말한다. 해당 아키텍처는 현재 표준으로 사용되고 있는 외부 감시 요소를 필요로 하지 않기 때문에 개발 시간과 시스템 비용을 크게 줄여준다.

신형 ADSP-CM41x는 오늘날의 전력 변환 문제를 해결하기 위해 핵심 기능에 필요한 처리 능력을 향상시키도록 최적화된 하드웨어 가속기 등 재생 에너지 변환 시스템의 요건을 만족시키기 위한 여러 기능을 탑재하고 있다. 뿐만 아니라 장치의 온-보드 아크 방전 오류 감지 기능은 설계를 단순화시키고, 신뢰도와 정확도를 향상시키기 위한 현명한 의사 결정 방식을 통해 안전성을 증진시킨다.

별도의 M0 감시용 코어를 단일 다이 상의 메인 M4 제어 코어에 추가하면 예비 모니터링 및 제어 신호 경로를 갖춘 단일 오류 방지 시스템 설계 방식은 상당히 단순해질 수 있다. 동시에, 전체적인 시스템 비용 또한 줄어든다(그림 2).

M0와 M4 코어가 동일한 실리콘 칩을 공유하면서 안전성 측면에서 비용을 최소화하는 반면, 코어는 혁신적인 시스템 조립 설계를 통해 물리적으로 분리된다. 듀얼 포트 RAM 메일함을 통한 프로세서 간 통신을 사용하면 예비 수집된 프로세스 파라미터의 개별 확인과 검증이 가능하다. 


[그림 2] 듀얼 코어 설계는 개별 M0 감시 코어를 통합해 예비 안전 장치의 설계를 단순화시켜준다. 프로세서에서는 핵심적인 신호 전송 등을 포함하는 전용 메일함 시스템을 통해 통신이 이뤄진다.
 

코드 안전성

물리적인 전력 안전성 외에 이러한 시스템을 실행시키는 알고리즘이 제대로 해석되는지도 살펴봐야 한다.

프로세스에 오류가 발생할 경우 안전을 해치는 동작 상태로 이어질 수 있기 때문이다. 또한 프로세서 코어의 기능을 분리시키는 메일함 통신 시스템을 사용하는 프로세서 간 통신을 절연시키는 편이 도움이 된다. 직접 송수신 방식이 아닌 메일함 시스템을 사용하면 각각의 코어가 언제라도 절연된 상태에서 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

코드 안전성의 경우, M4 코어는 자체적으로 1 MB 플래시 메모리와 최대 160 kB SRAM을 내장하고 있는 반면, M0 코어는 32 kB SRAM을 자체 내장하고 있다. M4와 M0 프로세서의 L1 SRAM, 플래시 메모리, 메일함 메모리는 모두 대기 상태 없는 SECDED ECC로 보호되며, 처음부터 32비트 메모리 소자를 보호하도록 설계됐다.

8비트와 16비트 쓰기를 하는 경우 자동으로 백그라운드 읽기-수정-쓰기 ECC 업데이트가 발생하며, 이 경우 프로세서에서 눈에 띄는 지연은 보통 생기지 않는다. 재생을 지원하는 하드웨어의 경우 주기적으로 단일 비트 오류를 제거한다. 다중 비트 에러 감지는 선택에 따라 인터럽트 그리고/또는 오류 신호를 보낼 수 있다.

또한 오류 감지의 경우, 순환 중복 검사(Cyclic Redundancy Check: CRC)를 위한 하드웨어 블록을 사용해서 데이터 블록의 CRC를 계산할 수 있다. 이는 32비트 데이터 단어의 CRC 값을 계산하는 CRC32 엔진을 기반으로 한다. 특히 CRC 장치는 플래시 메모리와 SRAM 데이터(텍스트나 코드) 상수 블록의 내용을 검증하는 데 사용될 수 있다.

듀얼 코어 혼합 신호 제어 프로세서를 사용하는 AC 그리드 모니터링 

듀얼 코어 설계를 사용하는 방식의 한 예로 PV 인버터에서의 AC 그리드 모니터링의 원리를 살펴보자. AC 그리드 모니터링은 기본적으로 주파수와 전압 모니터링 두 가지의 기능으로 구성된다.

주파수 모니터링에는 오차가 거의 없는 시간 기반의 측정이 필요하지만, RC 발진기를 백업 시간축으로 사용하며 이를 구현하기란 상당히 까다로울 수 있다. 따라서 프로세서에는 메인 시스템 클록(SYSCLK) 입력으로 발진기 1개, 또는 수정 발진기(XTAL)를 사용하며, 메일함을 통한 메인 클록 발생 장치의 드리프트 모니터로 M0에 XTAL을 추가로 사용한다.

드리프트가 아닌 SYSCLK 선의 클록 오류는 내부의 발진기 비교 장치(Oscillator Comparator Unit: OCU)에서 직접 처리된다. OCU는 외부의 저주파 발진기(Low Frequency Oscillator: LFO)를 사용해서 클록 데드나 클록 주파수 한계 초과 등의 여러 상황을 감지하며, 프로세서에 이러한 문제를 알리기 위해 이벤트를 생성할 수 있다. ‘클록 오류’ 신호(Clock Not Good: CLKNG)는 오류 이벤트를 감지했을 때 칩을 리셋하기 위해 사용될 수 있으며, GPIO 핀 안전 상태 매커니즘을 초기화시킬 수도 있다.

AC 전압 모니터링은 위상 전압이 필요한 허용 범위 내에 있도록 해야 하며 차단기 릴레이 2개를 자체 테스트하는 기능에 사용될 수도 있다. 단일 오류 검증을 위한 전압 모니터링이 가능하려면, 프로세서의 아날로그 프론트 엔드(AFE)가 별도의 2개의 ADC 블록을 구성하며, 이들 블록은 각각 ADC 컨트롤러, 전압 레퍼런스를 포함한 여러 전압 공급 경로로 이뤄져야 한다.

이들 중 ADC 블록 하나는 M4로, 다른 하나는 M0로 제어되기 때문에 메일함 시스템 전반에서 완전한 중복 전압 측정과 오류 확인이 가능하다. 이 외에도 온보드 DAC는 PV 인버터를 인터넷에 연결하기에 앞서 별도로 AFE 신호 체인의 모든 부품을 내부적으로 점검하는 데 사용될 수 있다.

모두 하나로 통합-PV 인버터 플랫폼 

혼합 신호 프로세서 외에도 여러 주요 부품들이 PV 시스템에서 데이터와 전류를 안전하게 전달하고 제어하기 위해 함께 사용된다.

이런 설계의 특징으로는 내부 발진기와 전압 모니터링 장치 외에도 예비 레퍼런스, ADC, XTAL을 포함하는 예비 단일 경로 컨셉과, 모니터링 시스템에서 추가로 외부 감시 장치를 전혀 사용할 필요가 없는 프로세서간 메일함 통신 시스템이 있다는 것이다(그림 3).


[그림 3] VDE-AR-N-4105 기술 시험기의 블록 다이어그램. VDE-AR-N-4105 평가보드와 ADSP-CM419F EZ-KIT?로 구성된다.

LCD 화면은 모든 관련 상태 정보를 한 눈에 볼 수 있도록 제공하며, 버튼을 한 번만 누르면 전체 시스템의 모든 보정이 이루어진다. 해당 장치는 방대한 문서로 기록된 소프트웨어 패키지와 함께 제공되며, 독일의 TUV-SUD로부터 2016년 3월 VDE-AR-N4105 적합성 평가 인증을 획득했다.

태양열 발전의 미래는 밝아 보이지만 기술 발전은 아직 미흡한 상태다. 여러 기술을 하나의 플랫폼에서 통합하는 스마트 통합 방식이 전력 변환기 설계의 효율성과 안전성을 담보해 줄 것이다. 각각의 개별 부품은 에너지 시장의 안전성, 효율성, 비용 요건에 맞도록 설계되어야 한다. 단순한 부품이 아닌 완전하고 안정적인 플랫폼을 제공할 수 있어야 미래의 전력 변환 제품을 생산하고자 하는 기업들이 깨끗하고 안전하고 저렴한 시스템을 개발할 수 있다.


[그림 4] 아나로그디바이스의 VDE-AR-N-4105 Technology Demonstrator에는 직렬 연결된 메인 릴레이가 2개 있어서 단상 시스템에서 AC 메인 전력 경로와 AC 메인 전압을 추가로 모니터링하는 개별 고정밀 절연 전압 측정 채널, PV 인버터 출력과 릴레이 간 전압을 구성한다.

안전성 인증

비용 절감 노력으로 인해 시스템에서 필요로 하는 안전성 수준이 쉽게 저해될 수 있다. 아나로그디바이스는 잠재적인 안전 문제를 해결하기 위해 독일 쾰른에 소재한 독일직장인책임보험연합(German Employers’ Liability Insurance Association, BGETEM), 스트라우빙에 소재한 TUV-SUED와 협력을 통해 감시 장치를 메인 프로세서의 동일한 실리콘 다이에 두 번째 프로세서로 정확하게 통합시키는 방법을 연구했다. 이때 이러한 듀얼 코어 프로세서가 PV 인버터의 안전성 AC 차단을 위한 규제 기준을 준수하기 위해 충족시켜야 하는 최소 요건을 추가로 고려했다.

그 결과, 아나로그디바이스의 신형 ADSP-CM41x 프로세서 제품군은 독일의 TUV-SUD로부터 2016년 3월 VDE-AR-N4105(Doc D8 16 03 95142 002) 인증을 발급받았다. 특히 ADSP-CM41x는 재생 에너지 변환 시스템의 전력 변환 요건에 초점이 맞춰져 있다. 이러한 요건에는 안전성 기준을 완전히 준수하는 AC 차단기를 구성하는 데 필요한 모든 안전 장치가 포함된다.

또한 아나로그디바이스의 전력 변환 플랫폼은 안전성 지원을 위해 iCoupler? 디지털 절연 기술을 바탕으로 하는 게이트 드라이버와 전류 센서가 내장되어 있다. ADI의 디지털 절연기에는 스트레스가 낮은 후막(Thick Film) 폴리마이드 절연 기술이 사용되어 수천 볼트의 절연이 가능하다. 이는 표준 실리콘 IC에 내장되어 있어서 단일 채널, 다중 채널, 쌍방향 구성으로 조립될 수 있다.

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