KR101434098B1 - 태양광 전력 공급 장치 - Google Patents

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KR101434098B1
KR101434098B1 KR1020130038318A KR20130038318A KR101434098B1 KR 101434098 B1 KR101434098 B1 KR 101434098B1 KR 1020130038318 A KR1020130038318 A KR 1020130038318A KR 20130038318 A KR20130038318 A KR 20130038318A KR 101434098 B1 KR101434098 B1 KR 101434098B1
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이태원
장진우
원충연
김영호
김준구
허민호
지용혁
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삼성전기주식회사
성균관대학교산학협력단
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    • H02S40/30—Electrical components
    • H02S40/32—Electrical components comprising DC/AC inverter means associated with the PV module itself, e.g. AC modules
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

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Abstract

본 발명은 전력 변환 효율을 증대시킨 태양광 전력 공급 장치에 관한 것으로, 태양전지로부터의 입력 전력을 스위칭하여 전력 변환하고, 전력 변환 스위칭에 따라 전력 변환된 전력을 동기 정류하여 출력하는 전력 공급부; 및 상기 전력 변환 스위칭에 따라 동기 정류 동작을 영전압(zero voltage) 스위칭 제어하는 제어부를 포함하는 태양광 전력 공급 장치를 제안한다.

Description

태양광 전력 공급 장치{SOLAR POWER SUPPLYING APPARATUS}
본 발명은 전력 변환 효율을 증대시킨 태양광 전력 공급 장치에 관한 것이다.
20세기 말부터 화석연료의 고갈과 이산화탄소, NOx, SOx 등으로 인한 환경오염 및 지구온난화의 심각성 등으로 인한 신재생 에너지원의 개발 및 수요가 증가해 왔고, 특히 최근 교토 의정서에 준한 온실가스 감축 의무부담 본격화와 국제유가 급등으로 인한 기술개발 요구와 수요가 급속히 증가되고 있다. 이에 따라, 현대의 에너지자원에 대한 문제는 국가 안보문제와 직결되며 이산화탄소 배출 저감에 대한 의지 및 기술이 국가 경쟁력으로 인식되고 있다.
또한, 다양한 신재생 에너지원 중 최근 국내 시장에서는 낮은 효율을 갖는 단점에도 불구하고 무한 청정에너지원이며 국내 반도체 기술과 부합된 장점을 갖는 태양전지(PV, 쏠라셀(solar cell))가 계속해서 시장을 넓혀가고 있다. 해외의 경우, 장기간 축적된 기술력 및 자금력을 바탕으로 일본 및 독일 주도하에 태양전지(PV)를 이용한 태양광 전력 공급 장치의 상용화가 완료되었다.
이러한, 태양광 전력 공급 장치는 일반적으로, 하기의 선행기술문헌과 같이 태양전지(PV)로부터의 직류 전력을 일정 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 컨버터의 직류 전력을 상용 교류 전력으로 변환하기 위한 인버터를 채용하는데, 상술한 컨버터에 있어서, 전력 변환 효율이 가장 중요한 이슈가 되고 있다.
그러나, 이러한 컨버터는 고스위칭 주파수로 동작함으로써 발전 전력이 급변하는 상황에서는 전력변환에 있어서 손실이 발생하는 문제점이 있다.
국내공개특허공보 제10-2009-0133036호
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 동기 정류 스위치의 제어를 통해 전력 변환 효율을 증대시킨 태양광 전력 공급 장치를 제안한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 태양전지로부터의 입력 전력을 스위칭하여 전력 변환하고, 전력 변환 스위칭에 따라 전력 변환된 전력을 동기 정류하여 출력하는 전력 공급부; 및 상기 전력 변환 스위칭에 따라 동기 정류 동작을 영전압(zero voltage) 스위칭 제어하는 제어부를 포함하는 태양광 전력 공급 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전력 공급부는 상기 입력 전력을 스위칭하는 전원 스위치; 및 상기 전원 스위치의 전력 변환 동작에 따라 전력 변환된 전력을 동기 정류하는 동기 정류 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 상기 전원 스위치의 전력 변환 동작에 따라 상기 동기 정류 스위치를 영전압 스위칭 제어할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 태양 전지로부터의 전류 및 전압을 입력받아 최대 전력점을 추종하는 최대 전력 추종부; 태양 전지로부터의 전류 레벨을 제어하는 전류 제어부; 전류 제어부의 제어된 전류 레벨에 따라 상기 전원 스위치의 스위칭을 제어하는 전원 스위치 신호 생성부; 상기 전원 스위치 신호 생성부의 스위칭 제어에 따라 상기 동기 정류 스위치의 스위칭 온 타임을 계산하는 동기 정류 스위치 온 타임 계산부; 및 상기 동기 정류 스위치 온 타임 계산부의 계산된 스위칭 온 타임에 따라 상기 동기 정류 스위치의 스위칭을 제어하는 동기 정류 스위치 신호 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 태양 전지의 전압 기울기로부터 위상을 검출하는 위상 검출부; 상기 전류 제어부로부터의 제어된 전류값과 위상 연산값을 곱하는 제1 연산부; 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상의 사인값의 절대값을 연산하여 상기 제1 연산부에 제공하는 제2 연산부; 및 상기 위상 검출부의 검출된 위상에 따라 인버터 스위치의 스위칭을 제어하는 인버터 스위치 신호 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전력 공급부로부터의 출력 전력을 사전에 설정된 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전력 공급부는 복수개가 병렬 연결되고, 병렬 연결된 복수개의 전력 공급부의 출력은 적어도 일부가 결합되어 출력될 수 있다.
본 발명에 따르면, 동기 정류 스위치가 전원 스위치의 스위칭에 따라 영전압 스위칭 제어되어 전력 변환 효율을 증대할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양광 전력 공급 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 개략적인 구성도.
도 3은 본원발명의 태양광 전력 공급 장치에 채용된 제어부의 개략적인 구성도.
도 4a 및 도 4b는 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 회로 동작 및 동작 전압 파형을 나타내는 도면.
도 5a 내지 도 5h 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 동작 모드별 회로 동작을 나타내는 도면이고, 도 6은 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 동작 모드시 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일반적인 태양광 전력 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 태양광 전력 시스템은 태양 전지(100), 직류-직류 전력 변환 모듈(200) 및 직류-교류 전력 변환 모듈(400)을 포함할 수 있다.
태양 전지(100)로부터의 직류 전력을 직류-직류 전력 변환 모듈(200)에 의해 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환될 수 있다. 태양 전지(100) 및 직류-직류 전력 변환 모듈(200)는 복수개 구비될 수 있으며, 복수개의 직류-직류 전력 변환 모듈(200)로부터의 직류 전력은 각각 블로킹 다이오드(300)를 거쳐 직류-교류 전력 변환 모듈(400)에 전달될 수 있다.
직류-교류 전력 변환 모듈(400)는 전달된 직류 전력을 사전에 설정된 교류 전력으로 변환하여, 연계된 상용 전력 계통(500)에 제공할 수 있다.
도 2는 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본원발명의 태양광 전력 공급 장치(200)의 개략적인 구성은 전력 공급부(210) 및 제어부(240)를 포함할 수 있다.
전력 공급부(210)는 전원 스위치(211), 트랜스포머(213) 및 동기 정류 스위치(236)를 포함할 수 있다.
전원 스위치(211)는 제어부(240)의 제어에 따라 트랜스포머(213)의 일차 권선을 통해 입력된 태양 전지로부터의 입력 전력을 스위칭할 수 있으며, 트랜스포머(213)의 이차 권선은 상기 일차 권선과 자기 결합되어 사전에 설정된 권선비에 따라 전력을 출력할 수 있다.
동기 정류 스위치(236)는 제어부(240)의 제어에 따라 전원 스위치(211)의 스위칭에 동기되어 상기 이차 권선으로부터의 전력을 정류하여 출력할 수 있다.
도 3은 본원발명의 태양광 전력 공급 장치에 채용된 제어부의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 제어부(240)는 최대 전력점 추종부(Maximum Power Point Tracker;MPPT)(241), 전류 제어부(242), 위상 검출부(254), 제1 연산부(255), 제2 연산부(246), 전원 스위치 신호 생성부(247), 동기 정류 스위치 신호 생성부(251), 인버터 스위치 신호 생성부(249) 및 동기 정류 스위치 온 타임 계산부(250)를 포함할 수 있다.
최대 전력점 추종부(MPPT)(241)는 태양 전지로부터의 전류(Ipv) 및 전압(Vpv)를 입력받아 최대 전력점을 추종하여 태양 전지의 이동을 제어할 수 있으며, 전류 제어부(242)는 태양 전지로부터의 전류(Ipv) 레벨을 제어할 수 있다.
위상 검출부(254)는 전압 기울기(VGRID)로부터 위상을 검출하고, 제2 연산부(246)는 검출된 위상의 사인값의 절대값을 연산하여, 제1 연산부(255)는 전류 제어부(242)로부터의 제어된 전류값과 제2 연산부(246)로부터의 연산값을 곱하여 전원 스위치 신호 생성부(247)에 전달하고, 전원 스위치 신호 생성부(247)는 전원 스위치 신호(263,264)를 제공하여 전원 스위치의 스위칭을 제어할 수 있다.
동기 정류 스위치 신호 생성부(251)는 동기 정류 스위치 온 타임 계산부(250)의 계산 결과에 따라 동기 정류 스위치 신호(265,266)를 제공하여 동기 정류 스위치의 스위칭을 제어할 수 있다.
동기 정류 스위치 온 타임 계산부(250)는 전압 기울기(VGRID)와 전원 스위치 신호 생성부(247)의 전원 스위치 신호에 따라 동기 정류 스위치의 스위칭 온 타임을 계산할 수 있으며, 이에 따라 동기 정류 스위치 신호(265,266)는 전원 스위치 신호(263,264)에 동기될 수 있으며, 영전압 스위칭 제어될 수 있다.
한편, 본원발명의 태양광 전력 공급 장치는 전력 공급부로부터의 출력 전력을 사전에 설정된 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 제어부(240)는 인버터부의 스위칭을 제어하는 인버터 스위칭 신호 생성부(249)를 더 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 회로 동작 및 동작 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 적어도 둘의 전력 공급부가 병렬 연결될 수 있으며, 출력 전력은 하나의 출력 단자로 결합될 수 있다. 본원발명의 태양광 전력 공급 장치는 스너버 스위치가 채용되지 않았기 때문에, 전원 스위치(211,221)의 정격 전압을 고려하면, 전원 스위치(211,221)의 양단의 스파이크 전압을 계산하여야 하며, 스파이크 전압의 크기는 다음의 수식1과 같다.
(수식1)
Figure 112013030518634-pat00001
여기서 Ipri _ peak는 트랜스포머의 일차 권선에 흐르는 전류로 전원 스위치에 흐르는 전류(273)의 첨두치이며, Ilk는 트랜스포머의 누설 인덕턴스(215,225), Coss _ eq는 전원 스위치의 양단의 등가 출력 캐패시턴스이다.
Coss _ eq는 다음의 수식2와 같이 전원 스위치의 출력 캐패시터 Coss _ main 및 동기 정류 스위치의 출력 캐패시터(236,238)Coss_ sync의 캐패시턴의 합과 같다. 여기서 n은 트랜스포머의 권선비이다.
(수식2)
Figure 112013030518634-pat00002
전원 스위치에 흐르는 전류 첨두치 Ipri _ peak는 다음의 수식3과 같이 입력 받은 전압(261)을 통해 연산될 수 있다.(S1)
(수식3)
Figure 112013030518634-pat00003
여기서, Dm은 전원 스위치의 스위칭 듀티의 최대값이고, fsw는 전원 스위치의 스위칭 주파수이다. 또한 Lm은 자화 인덕터(214,224)를 나타내며, 수식1 내지3을 통해 연산된 공진 스파이크 전압은 전원 스위치의 정격 전압을 고려하게 된다.
도 4b를 참조하면, 전원 스위치(263,264)와 동기 정류 스위치(255)의 입력 펄스 신호와 전원 스위치 양단의 전압(276) 및 전류(273) 파형을 볼 수 있다.
동기 정류 스위치 신호(255,256)는 전원 스위치 신호(263,264) 전후로 인가될 수 있다.
전원 스위치 신호(263,264) 앞에 짧게 인가되는 동기 정류 스위치 신호는 보조 스위칭 신호로 출력단(204)로부터의 역전류를 일차측에 전달하도록 하여 자화 인덕터(214,224)에 충전할 수 있다. 자화 인덕터(214,224)에 충전되 에너지는 전원 스위치의 기생 캐패시터(212,222)를 방전시키면서 전원 스위치 양단의 전압(276)을 '0'으로 만들어 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다. 또한 동기 정류 스위치 자체에 흐르는 전류가 '0'에 가까울 때 동기 정류 스위치의 스위칭 신호가 인가되므로 스위칭 손실은 거의 없을 것이다.
전원 스위치 신호(263,264) 뒤에 인가되는 동기 정류 스위치 신호는 일차측에서 넘어온 에너지를 출력단으로 전달하는 기능을 하기 위한 신호이며, 동기 정류 스위치가 도통 손실이 일반적인 다이오드에 비하여 적으므로 전력 변환 효율이 개선될 수 있다.
도 5a 내지 도 5h는 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 동작 모드별 회로 동작을 나타내는 도면이고, 도 6은 본원발명의 태양광 전력 공급 장치의 동작 모드시 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5h 및 도 6을 참조하면, 모드 1(t0-t1)에서 전원 스위치(Sp)가 턴-온되고 일차측 자화 인덕터는 전류를 축적할 수 있다. 다음으로, 모드 2(t1-t2)에서 전원 스위치(Sp)는 턴-오프되고 전원 스위치(Sp)의 병렬 캐패시터에 전원이 충전될 수 있다. 이후, 모드3(t2-t3)에서는 모드 2로부터 자화 인덕터에 축적되었던 에너지가 이차측으로 전달될 수 있으며, 이차측에 위치한 동기 정류 스위치(Sr)의 영전압 스위칭(zero voltage switching;ZVS)동작을 위해, 동기 정류 스위치(Sr)의 안티-패러럴(anti-parallel) 다이오드가 턴-온될 수 있다. 다음으로, 모드4(t3-t4)에서는 모드3과 동일하게 자와 인덕터에 축적된 에너지가 이차측으로 전달되고, 동기 정류 스위치(Sr)은 턴-온되어 영전압 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
이후, 모드5(t4-t5)에서는 자화 인덕터의 전류가 '0'으로 감소되고, 일차측에서는 자화 인덕터 전류와 전원 스위치(Sp)의 병렬 캐패시터 사이에서 LC 공진(Lm,Lk,Coss)이 발생될 수 있으며, 이차측에서는 이차측 자화 인덕터와 동기 정류 스위치(Sr)의 병렬 캐패시터와 출력 캐패시터의 합이 LC 공진할 수 있다.
다음으로, 모드6(t5-t6)에서는 이차측의 동기 정류 스위치(Sr)이 턴-온되고, 이차측의 자화 인덕터에 동기 정류 스위치(Sr)의 병렬 캐패시터와 출력 캐패시터의 합(Co+Coss)의 에너지가 축적될 수 있다.
이휴, 모드7(t6-t7)에서는 동기 정류 스위치(Sr)는 턴-오프되고, 이차측 자화 인덕터의 에너지가 일차측으로 전달될 수 있으며, 전원 스위치(Sp)의 병렬 캐패시터(Coss)가 방전될 수 있다.
마지막으로, 모드8(t7-t8)에서는 전원 스위치(Sp)의 안티-패러럴 다이오드가 턴-온하여 다음의 모드1에서 전원 스위치(Sp)가 영전압 스위칭 턴-온될 수 있다.
상술한 동작 모드를 통해 공진에 의해서 전압이 '+'레벨일 경우 전류가 '-'레벨이 돼고, '+' 레벨의 전류와 '-'레벨의 전류가 각각 흘러서 결과적으로는 스위칭 손실이 '0'으로 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 동기 정류 스위치가 종래의 스너버 스위치를 대신하여 보조 스위칭 동작할 수 있으며, 전원 스위치의 스위칭에 따라 영전압 스위칭 제어되어 전력 변환 효율을 증대할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
200: 태양광 전력 공급 장치
210: 전력 공급부
211: 전원 스위치
235: 동기 정류 스위치
240: 제어부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 태양전지로부터의 입력 전력을 스위칭하여 전력 변환하고, 전력 변환 스위칭에 따라 전력 변환된 전력을 동기 정류하여 출력하는 전력 공급부; 및
    상기 전력 변환 스위칭에 따라 동기 정류 동작을 영전압(zero voltage) 스위칭 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력 공급부는
    상기 입력 전력을 스위칭하는 전원 스위치; 및
    상기 전원 스위치의 전력 변환 동작에 따라 전력 변환된 전력을 동기 정류하는 동기 정류 스위치를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전원 스위치의 전력 변환 동작에 따라 상기 동기 정류 스위치를 영전압 스위칭 제어하고,
    상기 제어부는
    태양 전지로부터의 전류 및 전압을 입력받아 최대 전력점을 추종하는 최대 전력 추종부;
    태양 전지로부터의 전류 레벨을 제어하는 전류 제어부;
    전류 제어부의 제어된 전류 레벨에 따라 상기 전원 스위치의 스위칭을 제어하는 전원 스위치 신호 생성부;
    상기 전원 스위치 신호 생성부의 스위칭 제어에 따라 상기 동기 정류 스위치의 스위칭 온 타임을 계산하는 동기 정류 스위치 온 타임 계산부; 및
    상기 동기 정류 스위치 온 타임 계산부의 계산된 스위칭 온 타임에 따라 상기 동기 정류 스위치의 스위칭을 제어하는 동기 정류 스위치 신호 생성부
    태양 전지의 전압 기울기로부터 위상을 검출하는 위상 검출부;
    상기 전류 제어부로부터의 제어된 전류값과 위상 연산값을 곱하는 제1 연산부;
    상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상의 사인값의 절대값을 연산하여 상기 제1 연산부에 제공하는 제2 연산부; 및
    상기 위상 검출부의 검출된 위상에 따라 인버터 스위치의 스위칭을 제어하는 인버터 스위치 신호 생성부
    를 포함하는 태양광 전력 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력 공급부로부터의 출력 전력을 사전에 설정된 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 더 포함하는 태양광 전력 공급 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전력 공급부는 복수개가 병렬 연결되고,
    병렬 연결된 복수개의 전력 공급부의 출력은 적어도 일부가 결합되어 출력되는 태양광 전력 공급 장치.
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Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IEEE 논문1(제목: Interleaved Active Clamp Flyback Inverter using a Synchronous Rectifier for a Photovoltaic AC Module System), 논문발표 2011년 6월 *
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IEEE 논문2(제목: Design Considerations and Performance Evaluations of Synchronous Rectification in Flyback Converters), 논문발표 1997년 *
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