아나로그디바이스의 절연 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 게이트 드라이버를 이용할 경우, iCoupler짋 절연 기술이 어떤 방식으로 비용을 절감하고 스마트 그리드와의 통합성을 높이며 태양광 인버터의 안전성을 향상시킬 수 있는지 설명한다.


글 | 마틴 머네인(Martin Murnane)
산업 계측 부문 PV 시스템 엔지니어, 아나로그디바이스






태양광 인버터
태양 빛에서 직접 생산되는 전기 에너지의 대부분은 태양광(Solar Photo-voltaic, PV) 전지에서 만들어진다. 태양광 전지는 빛 에너지의 광자를 전자의 흐름으로 변환하여 전류를 생산한다. 그림 1은 대규모 태양광 시설을 촬영한 항공사진이다.



태양광 인버터는 태양 전지판에서 생산된 전력을 변환하여 그리드에 효율적으로 공급한다. DC 전원 역할을 하는 태양 전지판에서 생산된 DC 전력은 AC로 변환되어 정확한 위상으로 그리드에 공급된다. 변환 효율은 최대 98%에 이른다. 태양광 인버터 변환 과정은 하나 이상의 단계로 이루어질 수 있다.
일반적으로 1단계는 전지판을 구성하는 태양 전지의 저전압-대전류를 그리드의 AC 전압에 맞춰 고전압-소전류로 변환하는 DC-DC 변환 단계이다. 토폴로지에 따라, DC 측에 충분한 수의 태양 전지가 직렬로 연결되어 있어 모든 부하 조건에서 안정적인 고전압을 얻을 수 있는 경우 이 단계가 불필요하게 될 수도 있다.
2단계는 DC에서 AC로 변환이 이루어지는 단계로, 일반적으로 H-브리지 토폴로지가 사용된다. 태양광 인버터를 설계할 때 시스템의 효율을 높이고 무효 전력(reactive power)을 줄이기 위해 중성점 클램프(Neutral Point Clamp, NPC) 등의 다양한 H-브리지를 사용할 수 있다.
초기의 태양광 인버터는 단순히 전력을 그리드로 보내는 모듈에 불과했지만 최근에는 안전, 스마트 그리드와의 통합 및 비용절감에 초점을 맞춰 설계되고 있다. 설계자는 기존의 태양광 인버터 모듈에 사용되지 않은 신기술을 이용해 성능을 향상시키고 비용을 줄이기 위해 노력하고 있다.
그러한 경우에 컴퓨터에 의한 계측 및 제어 구현이 요구되지만, 이를 달성하기 위해서 전력 관리 회로나 스위칭에 의한 과도 신호 등 측정 회로 및 계산 회로를 보호하는 절연 장벽(isolation barrier)이 필요하다.

스마트 그리드
스마트 그리드란 무엇인가? IMS 리서치에 따르면, “사용 가능한 자원을 최대한 활용하면서 전력 생산 및 소비를 효율적으로 연결, 관리하기 위한 전력 공급 설비”라고 정의한다. 이 정의를 따른다면, 차세대 태양광 인버터는 스마트 그리드와 연결할 수 있도록, 특히 그리드가 필요로 하는 이상의 전력이 다양한 발전원에서 공급될 때의 불균형을 해결할 수 있도록 더욱 지능화될 필요가 있다. 이러한 이유로 태양광 인버터 시스템을 지능화할 때 초점을 맞춰야 할 것은 그리드와의 통합 문제다. 그리드와 통합할 때 시스템의 전력 관리와 관련된 요소는 단순히 개 루프(open-loop) 제어로 전력을 공급하는 것이 아니라 그리드를 안정시키기 위해 서로 협력해야 한다. 그러자면 그리드와 통합 시 그리드에 공급되는 에너지의 품질을 더 정확히 측정, 제어, 분석해야 한다. 또한 새로운 규제 및 더 높은 수준의 기술 요건에 부합하는 신기술이 요구된다.
그리드의 불안정성을 없애고 스마트 그리드와의 통합을 진행시키는 데 있어서 중요한 위치를 차지하는 로컬 기능의 예로는 당장 사용되지 않는 전기 에너지를 피크 시간대에 필요할 때 사용할 수 있도록 저장하는 기술을 들 수 있다. 다음은 iCoupler 기술의 주요 기능에 주목하면서 전력 공급원, 상호 연결 및 저장 요소의 계측과 제어에 사용되는 측정 회로 보호에서 전기적 절연의 역할에 대해 설명한다. 특히 AD7401A 절연 ADC와 ADuM4223 절연 게이트 드라이버는 새로운 태양광 인버터 설계의 엄격한 요구사항을 충족시킬 수 있는 성능을 제공한다.

절연 기술
iCoupler 기술은 별개로 전력이 공급되는 두 회로 간의 갈바닉 연결을 피하면서 변압기를 통해 이 두 회로 사이에 데이터 전달을 한다. 변압기는 웨이퍼 수준의 공정 기술을 사용해 칩에 직접 통합돼 있다. 금층의 아래쪽에 있는 높은 절연 파괴 강도를 가지는 폴리이미드 층이 위쪽 코일과 아래쪽 코일을 절연한다. 1 ns의 펄스를 사용해서 부호화된 입력 로직 전이(transition)는 변압기의 1차 측에 전달된다. 변압기의 한쪽 코일에서 다른 쪽 코일로 전달되는 이 펄스는 변압기의 2차측 회로에 의해 검출된다.

절연 ADC
앞서 설명한 것과 같은 태양광 인버터 한 쌍을 그림 2에 나타낸다. 그리드에 연결되는 전력 버스에 접속된 이러한 인버터는 개별적으로 측정 및 스위칭 할 수 있다. 각각의 태양광 패널은 DC/DC 승압 회로와 DC/AC 인버터가 직렬로 연결되어 있다.(실제로 사용할 때는 축전용 배터리를 연결하고, 이를 제어를 통해 스위칭을 수행하지만, 여기서는 알기 쉽게 설명하기 위해 축전에 관한 고찰은 생략한다).
이 과정은 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor, DSP)가 제어한다. AD7401A 절연 ADC의 AC 출력 전류는 25 A 전후이다. 태양광 인버터 시스템은 출력 측에 절연 변압기를 반드시 사용할 필요는 없다. 비용 절감을 위해 변압기를 사용하지 않는 경우에는 태양광 인버터가 출력 전류의 DC 성분에 대해서도 측정해야 한다. 그리드에 가해지는 DC 전류가 지나치게 크면, 그 경로의 변압기가 포화 상태가 될 수 있기 때문에, 이 “DC 주입(dc injection)”의 존재와 크기는 중요한 문제다. 이 DC 전류는 mA 단위의 미세한 값으로 유지해야하므로, AD7401A는 25 A 범위의 AC 전류와 mA 범위의 미세한 DC 전류를 모두 측정해야 한다.



그림 3에서 보듯이, iCouper 기술에 의해 절연된 시그마-델타(ΣΔ) 모듈레이터 ADC인 AD7401A는 전류 션트 양단의 전압을 지속적으로 샘플링 한다. 그 출력은 1-비트 데이터 스트림으로, 절연 분리되어 DSP에 직접 입력된다. 출력 스트림의 밀도는 입력 진폭을 나타내며, 이 진폭은 DSP에 구현된 디지털 필터에 의해 재구성될 수 있다.
태양광 인버터 시스템 내에 절연이 필요하지만, 이것은 주로 AC 그리드 측의 전압이 높기 때문이다. AC 전압의 최댓값은 단상 시스템에서 380 V까지 올라갈 수 있다. AD7401A는 최대 561 V의 바이폴라 전압을 처리할 수 있는 절연 성능을 갖추고 있어, 이 같은 애플리케이션에 이상적이다. AD7401A는 패키지 크기가 작기 때문에 실제 AC 전류 션트에 아주 가까이 배치할 수 있다. 반면, DSP는 일정한 거리를 확보할 수 있으며, 심지어 시스템 내의 다른 보드에 둘 수도 있다. 이렇게 해서 측정 및 제어 시스템의 데이터 정확성과 신뢰성이 향상된다. ADC의 출력 데이터는 단일-비트 스트림을 통해 DSP가 제공하는 16 MHz 클록 속도로 연속해서 DSP로 전송된다.
이 시스템은 최대 25 A의 AC 전류와 mA 범위의 미세한 DC 주입을 측정할 수 있다. 그림 4는 AD7401A SMS 태양광 모듈의 오프셋 및 선형성(linearity) 오차를 보여준다. 이 그림은 전체 온도 영역에서 션트의 오프셋 전류가 ±20 mA임을 보여준다. 따라서 이 모듈은 단일 솔루션으로 최소 20 mA의 DC 주입과 최대 25 A의 시스템 전류를 측정할 수 있다. 전류 변압기 및 기타 유형의 측정 시스템의 경우, AC 대전류용(25 A 범위)과 DC 소전류용(300 mA 범위)으로 1개씩 모두 2개의 장치가 필요하다. 이것은 iCoupler 기술이 비용을 절감하면서 스마트 그리드의 통합을 실현할 수 있음을 보여주는 예이다.
션트의 전력 손실(및 자기 발열에 의한 열손실)을 최소화하기 위해, 저항은 최대한 작은 값(일반적으로 1 mΩ 정도)으로 유지해야 한다. 그림 4에서 보듯이, Σ-Δ 컨버터의 분해능이 매우 높으면 정밀도를 향상시킴과 동시에 오프셋 값을 낮게 유지하면서 전류 션트 손실을 기존의 자기 변환기(magnetic transducer) 솔루션 정도로 줄일 수 있다.
풀 스케일 정밀도(full-scale accuracy)가 매우 양호하더라도 장치의 선형성에 있어서 실제로 중요한 것은 절대 오차이며, 특히 낮은 범위에서는 중요성이 높아진다. 절대 오차(absolute error)는 단순한 풀 스케일 오차가 아니라 구체적인 측정 범위에서 발생하는 오차를 가리킨다. 일부 전류 변압기 규격에서는 풀 스케일 범위의 정밀도를 0.1%로 명시하고 있다. 이것은 괜찮은 수치 같지만 실상을 반영하지 않는 경우도 있다.
그림 4에 나타난 데이터에서는 AD7401A를 사용하면 전류 측정값의 절대 오차가 전체 범위에 걸쳐 매우 작은 것을 알 수 있다. 이것은 태양광 인버터의 출력 파형의 비선형성이 낮고 고조파 왜곡도 작다는 것을 보여준다. 즉, 이것은 그리드와의 통합에서 고조파 왜곡을 낮추는 데 기여하는 것이며, 이 새로운 기술이 성능 향상에 효과적임을 보여주는 또 하나의 증거이다.

절연 게이트 드라이버
태양광 인버터의 효율이 높아지면 연간 주어진 태양광 입력으로부터 더 많은 에너지를 생산할 수 있으며, 이것은 태양광 발전소의 투자수익률(Return On Investment, ROI)을 높여준다. 변압기를 생략하여 비용을 절감할 수 있기 때문에, 최근에는 변압기가 없는 전기 시스템을 사용하여 공공 전력망에 전력을 보내는 추세이다. 따라서 인버터도 높은 수준의 효율성이 요구되지만, 동시에 측정 및 제어 전자 기기의 내부 절연에도 주의를 기울여야 한다. 다시 말해, 인버터 MOSFET 및(또는) 게이트 드라이버의 전원 섹션과 저전압 회로 사이의 절연이 필요하다.



그림 5는 대표적인 태양광 인버터의 DC-AC 컨버터용 H-브리지 구성을 실제로 구현한 것이다. 회로에서 DC 링크 전압 범위는 현재 상용화된 신형 SiC 타입의 JFET의 경우, 300~1000 V 정도이다. H-브리지의 출력 전류 파형은 인덕터와 커패시터를 사용하여 필터링 된다. 출력 릴레이는 제어된 형태로 필터 출력을 그리드에 연결한다. 고전압 환경에서 MOSFET의 게이트 단자와 소스 단자를 구동하려면 게이트 드라이버가 필요하지만, 이 경우 태양광 인버터에서 절연이 요구되는 또 다른 예이다.



예를 들어, 두 개의 독립적인 절연 채널을 갖춘 4-A 절연 듀얼 채널 게이트 드라이버인 ADuM4223을 그림 6에 보여주고 있다. 이 드라이버는 60 ns의 최대 전파 지연과 최대 ＞100 kV/μs의 공통 모드 과도 내성(common-mode transient immunity)을 가지고 있다. 이 드라이버는 데이터 시트에 기술된 대로 DIN VDE0110, DIN VDE088410, UL1577 등의 해당 항목을 비롯한 다양한 표준을 준수한다.
ADuM4223의 주요 절연 파라미터는 다음과 같다.

- 최대 연속 동작 전압
  ㆍAC 유니폴라 및 DC     1131 V
  ㆍAC 바이폴라         565 V
- 서지 절연 전압         6 kV
- 정격 유전체 절연 전압     5 kV

이 디바이스는 하이-사이드 MOSFET과 로우-사이드 MOSFET용으로 각각 1개씩 총 두 개의 채널이 하나의 패키지에 있다. 하나의 패키지에 두 개의 채널이 있기 때문에, 비용 절감 및 PCB 공간을 절약할 수 있다.
기존의 옵토커플러(optocoupler)를 사용할 경우에는 절연된 게이트 상에 레벨 시프트 한 옵토커플러를 하나 놓거나 두 개의 옵토커플러를 사용해야 한다(자세한 내용은 기술 문서 MS-2318 참조,http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/TA10756-0-5_12.pdf). 하지만, 이 새로운 절연 기술을 이용하면 이를 피할 수 있기 때문에 비용을 절감할 수 있다.
태양광 인버터의 또 다른 중요한 과제는 용량성 결합(coupled capacitively)인지 아닌지 여부를 불문하고 시스템의 높은 과도전압(dV/dt)이 절연 장벽을 넘지 못하도록 높은 공통 모드 과도 내성(common-mode transient immunity)이 요구된다는 것이다. 과도전압이 절연 장벽을 넘으면 하이-사이드 MOSFET과 로우-사이드 MOSFET이 동시에 켜져 심각한 손상을 초래할 수 있다. ADuM4223은 최대 ＞100 kV/μs의 높은 공통 모드 과도 내성을 가지고 있으며, 이 신기술이 어떻게 시스템의 안전성을 향상시킬 수 있는지를 보여주는 또 다른 좋은 예가 된다.

결론
갈바닉 절연은 다수의 태양광 인버터를 통합하는 스마트 그리드의 실현에 필요한 측정 및 제어 시스템을 구축하는 데 있어서 중요한 요구사항이다. 아나로그디바이스의 절연 ADC는 대전류 및 DC 주입 전류를 하나의 솔루션으로 측정할 수 있어, 스마트 그리드 통합 회로의 소형화와 효율화에 기여한다. 또한 우수한 공통 모드 과도 내성 사양을 제공하는 ADI 절연 게이트 드라이버는 이러한 새로운 태양광 인버터 시스템의 안전성과 신뢰성을 높여준다.
새로운 기술은 스마트 그리드의 통합과 안전하고 효율적인 그린 에너지의 생산에 있어서 중요한 요소가 될 것이며, 그리드의 안정화와 그리드 시스템을 기반으로 작업하는 개인의 안전성 향상에 중요한 역할을 하게 될 것이다. 여기에서 다룬 절연 제품은 아나로그디바이스의 광범위한 산업용 측정 및 제어 제품 포트폴리오에 포함된 대표적인 혁신 제품들이며 현재 및 향후 설계 면에서도 뛰어난 제품들이다.  ES