Infineon_IR : A Powerful Combination

Infineon과 IR의 강력한 조합을 만나보세요.
다양한 포트폴리오와 고객에게 이전보다 새로운 가치를 드립니다.

 
등록된 댓글이 없습니다

전력전자장치의 효율


Martin Schulz, 인피니언테크놀로지스
 
1983년10월 기록적인 풍력발전기가 가동에 들어가고 Growian(대규모풍력발전소라는 의미의 독일어약자)이라는 이름의 세계 최대 풍력발전컨버터가 돌아가기 시작했다. 이3MW 기기는 그 이후 세계가 어떻게 변하는지 보여주는 하나의 사례로 간주되었다. 당시 풍력발전기는 독창적인 설계였지만 비동기 발전기에 의해 수확되는 전력은 여러 개의 기어박스를 통해 그리드에 전달되었으며, 가변주파수로부터 고정주파수로의 변환은 회전기기를 이용하는 기계적 컨버터가 사용되었다. 적층형의 5개 기계적 시스템은 80% 미만의 변환효율과600kW이상의 손실을 발생시켰다. 오늘날에도 전기에너지의 수확과 전달, 저장, 이용은 산업국가가 당면한 주요과제 중 하나이며, 규모가 와트에서 메가와트로 달라졌지만 과업자체는 그대로 남아있다.
 
와트 규모의 에너지
1W 규모의 에너지 절감은 매우 미미한 수준 같지만, 이 범위 안에 드는 장치의 숫자는 막대하다.  모바일폰은 이러한 예의 하나이다. USB 포트를 사용할 때 휴대전화는 5V 충전과 2.5W 소비를 한다. 고전압 MOSFET이나 오기 전에 이러한 작업은 트랜스포머와 정류기, 선형레귤레이터를 이용해 수행되었으며, 시스템 효율은 약 50%에 머물렀다. 오늘날 초소형 스위치모드 전원장치는 동일한 작업을 85% 변환효율로 수행한다. 독일에 만약 1억대의 휴대전화가 사용되는 것을 감안하면 매일 1시간씩 충전을 한다고 할 때 반도체로 인한 향상은 연간최대 146,000MWh에 이른다.
 
1kW 미만 작업
PC는 1982년Commodore C64를 시작으로 유럽의 거의 모든 가정에  들어가있다. 하지만, 2004년이 되어서야 최소 80% 효율을 갖는 전원장치사용을 권장하는80Plus 정책이 시행되었다. 컴퓨터는 대부분 100W 레벨에서 동작하지만, 고전력 그래픽카드와 추가적인 액세서리는 최대 1000W까지  전력소모를 높일 수 있다.
 
C64의 전원장치가 트랜스포머와 선형 레귤레이터를 기반으로 하는데 반해, 현대의 스위치모드 전원장치는 보다 복잡한 구조를 가지면서 효율은 더 높고 가볍고 작기 때문에 출력전력와트 당 더 적은 자원을 소비한다. 6600만대의 개인PC에서 전력반도체는 독일에서 만연간 10,000,000MWh를 절감하는데 기여한다. 만약 평균효율을 80%에서 90%로 높인다면 이러한 수치는 두 배가 될 것이다.
 
MW를 다루는 과제
독일의 Energiewende(에너지전환)은 2020년까지 핵발전시설의 수요를 없애고 중앙집중식 전력발전소를 재생 가능한 에너지를 이용해 대체한다는 프로젝트이다. 모든 재생 가능한 전력원은 변동하는 특성을 가지고 있으므로 에너지저장이 필요하다. 에너지 생산시간과 소비시간간의 균형을 맞추는 일은 원하는 가용성으로 안정적 공급을 달성하는 핵심요소이다. 전력반도체의 과제는 이제보다 명확해지고 있다. 그림 1에서는 전력그리드의 에너지흐름을 볼 수 있다.
 


그림 1: 재생 가능한 전력발전과 배터리기반 에너지저장을 통합한 전력그리드 모형도
 
태양광 어레이(1) 또는 풍력컨버터(2)로부터 수확된 에너지는 그리드와 호환되는 전력전자장치에 의해 처리된다. 1983년의 Growian과 비교할 때 오늘날의 풍력컨버터는 효율이 약 20% 증가했다. 현대의 평균적인 2MW 풍력발전소는 연간 1000 출력운전시간을 가동하면서 기계적 컨버터를 전력전자장치로 대체해 효율을 향상시킴으로써 400,000kWh의 범위에서 추가적인 에너지수확을 제공한다. 2013년에 독일의 재생 가능한 전력발전은 약 1천350억kWh였다. 전력전자장치가 없었다면 270억 kWh가 손실되었을 것이다.
 
장거리에너지전송(3)은 AC/DC 및 DC/AC 변환하는 고전압 DC 라인(HVDC)을 사용할 때 가장효율적이다. 에너지의 배터리저장(4)은 다시 AC/DC 변환이 필요하며,에너지수신은 DC/AC 경로이다. 에너지가 최종소비자에게 도달하기까지 최소 5번 전력전자장치를 통과하며, 배터리의 화학전 변화를 포함하면 7번 변환된다. 각 단계마다 95% 변환효율을 갖는다고 하면,초기에너지의 30%는 손실되는 셈이다. 전력전자장치변환시스템과 관련해 이러한 상황을 향상시키는 작업은 다양하면서 상호작용하는 레벨에서 수행할 수 있다.
 
기술적 향상
기존 기술은 공정을 변경하거나 재료에 약간의 변화를 주면 일정한 정도까지 향상시킬수 있다. 전력반도체스위치 IGBT는 스위칭 손실을 줄여주는 박막웨이퍼기술로부터 이점을 얻고 있다. 동일한 원재료를 유지하면서 셀설계를 변경하는 경우 순방향전압과 관련해 최적화 할 수 있다. 수명을 희생하지 않으면서 접합부 온도를 증가시키면 더 높은 전력밀도와 함께 설치된 kW당 더 적은 재료를 사용할 수 있다. 그림 2의 다이어그램은 전력반도체기술의 최근까지와 진행중인 발전을 보여준다.
 
 

그림 2: 30여년에 걸친 전력반도체발전
 
기술적 변화
그림 2는 또한 기존기술의 단점을 극복하려면 일정한 지점에서 기술적 변화가 필요하다는 사실을 보여준다. 전력반도체의 경우실리콘카바이드(탄화규소) 또는 갈륨나이트라이드(질화갈륨)과 같은 넓은 밴드갭을 갖는 물질은 효율을 더욱 향상시키는 유망한 재료이다. 다음 두 가지 방안은 이러한 새로운 재료의 이용으로부터 나온다.
 
먼저 바이폴라트랜지스터인 IGBT를 전계효과에 기반한 소자로 변경하면 PN 접합 딜레마를 극복 할 수 있다. IGBT를 병렬로 구성하면 PN 접합에 여전히 순방향전압을 제공하게 돼, 효율면에서 이점을 제한한다. 그러나 전계효과에 기반한 소자는 채널저항을 가지며, 디바이스를 n개 병렬구성 하면 n-1 만큼 전체저항이 향상된다. 효율은 얼마나 많은 소자를 집적할 수 있는가의 문제가 되고 있으며, 이는 즉각적으로 투자된 비용과 관련을 갖는다.
 
두 번째 방법은 실리콘 IGBT와 SiC쇼트키장벽다이오드를 결합한 하이브리드소자를 사용하는 것이다(그림 3). SiC다이오드는 IGBT에 더 빠른 턴 온 속도를 제공하고,턴 온 손실을 줄여준다. 또한 복구전하가 없어 다이오드의 복구손실이 제거된다.
 
시스템개발
오늘날 전력전자장치에서 가장 널리 사용되는 토폴로지로는 기본빌딩블록으로 2레벨 하프 브리지를 기반으로 하는 3상 인버터가 있다. 애플리케이션에 따라 토폴로지를 변경하면 효율과 관련한 이점을 얻을 수 있다. 최근에 태양광인버터는 2레벨에서 3레벨 설계로 전환하는 것을 볼 수 있다. 이러한 변화는 1200V 부품대신 650V 반도체를 사용함으로써 효율을 증가시키고 있다. 무엇보다 근본적으로 낮은 스위칭 손실이 효율이득에 기여한다.
 
효율을 극대화하면서 재료함유량을 최소화하기 위한 노력으로 인피니언은 노팅엄대학(University of Nottingham)과 협력을 통해 서로 다른토폴로지로 새로운 기술을 결합하는데 성공했다. 그 결과실리콘카바이드JFET를 사용해 제작된 매트릭스컨버터를 선보일 수 있었다. 이 4-쿼드런트 컨버터는 풀 부하에서 97% 효율을 달성하고,부분부하에서는 더 높은 수치를 보인다.
 
그림 3: 높은 효율을 구현하는20kVA 컨버터. SiC-JFET로 제작되고12.2cm x 6.2cm x 11.7cm 크기 및 1.7kg 무게를 갖는다.
 
충분히 우수하다?
최근의 에너지 변환효율은 지난 10여년에 걸쳐 놀라운 성장을 보여왔다. 그럼에도 재생가능한 에너지 수확 및 저장과 함께 증가하는 에너지수요는 여전히 더욱 큰 향상을 요구하고 있다. 전기의 발전에서부터 소비에 이르는 반도체 이용은 고도로 효율적인 반도체가 에너지 절감을 위한 진정한 게이트웨이 역할을 한다는 것을 보여준다. 이에 따라 미래의 엔지니어는 명백한 목표를 앞에 두고 더 높은 효율을 달성하기 위해 노력하지 않으면 안된다.  “1”보다 작은수치도 결코 충분하지 않다.