KR102426371B1 - 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 제1 구간 동안, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어한다. 이에 의해, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.

Description

태양광 모듈{Photovoltaic module}
본 발명은 태양광 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 안정적인 파워 출력이 가능한 태양광 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
한편, 태양광 모듈은 태양광 발전을 위한 태양전지가 직렬 혹은 병렬로 연결된 상태를 의미한다.
한편, 태양광 모듈에서 컨버터와 인버터를 사용하여 교류 전원을 그리드로 출력하는 경우, 태양전지에서 생산되는 전력이 낮은 경우, 전력 변환을 하여도, 파워가 낮은 문제점이 있다. 이에 따라, 안정적인 파워 출력이 가능한 태양광 모듈에 대한 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 목적은, 안정적인 파워 출력이 가능한 태양광 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 태양광 모듈 내의 트랜스포머의 크기를 저감할 수 있는 태양광 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 제1 구간 동안, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수 가변시, 풀 브릿지 스위칭부와 하프 브릿지 스위칭부 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 인버터의 출력 전압의 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른, 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 제1 구간 동안, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어함으로써, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
한편, 컨버터 내에, 풀 브릿지 스위칭부와, 하프 브릿지 스위칭부가 구비됨으로써, 트랜스포머의 권선비(turn ratio)를 저감할 수 있으며, 이에 따라, 트랜스포머의 크기를 저감할 수 있게 된다. 결국, 컨버터 등을 포함하는 정션 박스의 크기를 저감할 수 있게 된다.
한편, 태양전지 모듈로부터의 제1 직류 전원의 레벨이 낮을수록, 제2 스위칭 주파수가 낮아지도록 제어함으로써, 입력되는 태양전지 모듈로부터의 직류 전원이 낮은 경우에도 출력할 수 있는 파워 범위의 제한 없이, 안정적인 파워의 출력이 가능하다.
한편, 인버터의 출력 전압의 피크 레벨이 낮아질수록, 제3 구간이 길어지도록 제어함으로써, 력 변환을 수행하여, 안정적으로 교류 전원을 출력할 수 있게 된다.
한편, 인버터의 출력 전압 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어함으로써, 안정적으로 교류 전원을 출력할 수 있게 된다.
한편, 컨버터와, 인버터를 통해, 2 스테이지로 전력 변환을 수행함으로써, 역률을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수 가변시, 풀 브릿지 스위칭부와 하프 브릿지 스위칭부 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어함으로써, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터와, 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부와, 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머와, 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부를 구비하고, 제어부는, 인버터의 출력 전압의 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 풀 브릿지 스위칭부 및 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어함으로써, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈을 포함하는 태양광 시스템의 일예를 도시한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈을 포함하는 태양광 시스템의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이다.
도 3은 도 2의 태양광 모듈의 배면도이다.
도 4는 도 2의 태양광 모듈 내의 정션 박스 내부의 회로도를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5b는 태양광 모듈의 전력변환장치의 다양한 예이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈 내의 전력변환장치의 회로도이다.
도 7 내지 도 12는 도 6의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
도 13은 도 2의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
본 명세서에서는, 태양광 모듈에서 출력되는 출력 전력의 손실을 저감하기 위한 방안으로, 태양광 모듈에서 출력되는 교류 전류와 교류 전압의 위상 차이인 역률(power factor)을 제어하는 방안을 제시한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈을 포함하는 태양광 시스템의 일예를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템(10a)은, 태양광 모듈(50)과, 게이트웨이(80)를 포함할 수 있다.
태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100), 및 태양전지 모듈에서의 직류 전원을 전력 변환하여 출력하는 전력변환장치(도 6의 500)를 포함하는 정션 박스(200)를 구비할 수 있다.
도면에서는, 정션 박스(200)가, 태양전지 모듈(100)의 배면에 부착되는 것을 도시하나, 이에 한정되지는 않는다. 정션 박스(200)가, 태양전지 모듈(100)과 이격되어 별도로 마련되는 것도 가능하다.
한편, 정션 박스(200)에서 출력되는 교류 전원을 그리드에 공급하기 위한 케이블(oln)이, 정션 박스(200)의 출력단에 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 게이트웨이(gateway)(80)는, 정션 박스(200)와 그리드(grid)(90) 사이에 위치할 수 있다.
한편, 게이트웨이(80)는, 케이블(oln)을 통해 흐르는, 태양광 모듈(50)에서 출력되는 교류 전류(io) 및 교류 전압(vo)을 검출할 수 있다.
한편, 게이트웨이(80)는, 태양광 모듈(50)에서 출력되는 교류 전류(io) 및 교류 전압(vo)의 위상 차이에 기초하여, 역률 조정을 위한 역률 조정 신호를 출력할 수 있다.
이를 위해, 게이트웨이(80)와 태양광 모듈(50)은, 케이블(323)을 이용하여, 전력선 통신(PLC 통신) 등을 수행할 수 있다.
한편, 태양광 모듈(50) 내의 전력변환장치(도 6의 500)는, 태양전지 모듈(100)에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 출력할 수 있다.
이를 위해, 태양광 모듈(50) 내의 전력변환장치(도 6의 500) 내에, 컨버터(도 6의 530), 인버터(도 6의 540)가 구비될 수 있다.
본 발명에서는, 전력변환장치(도 6의 500) 내에, 컨버터(530)를 통해, 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원의 레벨을 변환하고, 그 이후, 인버터(540)를 통해, 교류 전원 변환을 수행하는, 2 스테이지(stage) 기반의 전력변환장치를 기술한다.
한편, 본 발명에서는, 2 스테이지(stage) 기반의 전력변환장치에서, 안정적인 파워 출력을 수행할 수 있는 방안을 제시한다. 특히, 입력되는 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원이 낮은 경우에도 출력할 수 있는 파워 범위의 제한 없이, 안정적인 파워 출력을 수행할 수 있는 방안을 제시한다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100)과, 컨버터(530)와, 인버터(540)와, 제어부(550)를 포함할 수 있다.
특히, 컨버터(530)가, 풀 브릿지 스위칭부(532)와, 트랜스포머(536)와, 하프 브릿지 스위칭부(538)를 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다. 이에 의하면, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수의 가변에 의해, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
힌편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어부(550)는, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수 가변시, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
힌편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제어부(550)는, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
다음, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈을 포함하는 태양광 시스템의 다른 예를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템(10b)은, 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ..., 50n)과, 게이트웨이(80)를 포함할 수 있다.
도 1b의 태양광 시스템(10b)은, 도 1a의 태양광 시스템(10a)과 달리, 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ..., 50n)이 서로 병렬 접속되는 것에 그 차이가 있다.
복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ..., 50n) 각각은, 각 태양전지 모듈(100a, 100b, ..., 100n), 및 태양전지 모듈에서의 직류 전원을 전력 변환하여 출력하는 회로소자를 포함하는 정션 박스(200a, 200b, ..., 200n)를 구비할 수 있다.
도면에서는, 각 정션 박스(200a, 200b, ..., 200n)가, 각 태양전지 모듈(100a, 100b, ..., 100n)의 배면에 부착되는 것을 도시하나, 이에 한정되지는 않는다. 각 정션 박스(200a, 200b, ..., 200n)가, 각 태양전지 모듈(100a, 100b, ..., 100n)과 이격되어 별도로 마련되는 것도 가능하다.
한편, 각 정션 박스(200a, 200b, ..., 200n)에서 출력되는 교류 전원을 그리드에 공급하기 위한 케이블(31a, 31b, ..., oln)이, 각 정션 박스(200a, 200b, ..., 200n)의 출력단에 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 도 1b의 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ..., 50n) 각각의 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다.
또한, 도 1b의 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ..., 50n) 각각의 제어부(550)는, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수 가변시, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어할 수 있다.
또한, 도 1b의 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ..., 50n) 각각의 제어부(550)는, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이고, 도 3은 도 2의 태양광 모듈의 배면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100), 태양전지 모듈(100)의 배면에 위치하는 정션 박스(200)를 포함할 수 있다.
정션 박스(200)는, 음영 발생 등의 경우, 핫 스팟 방지를 위해, 바이패스 되는, 적어도 하나의 바이패스 다이오드를 구비할 수 있다.
도 4 등에서는, 도 2의 4개의 태양전지 스트링에 대응하여, 3개의 바이패스 다이오드(도 4의 Da,Db,Dc)를 구비하는 것을 예시한다.
한편, 정션 박스(200)는, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 변환할 수 있다. 이에 대해서는, 도 4 이하를 참조하여 기술한다.
한편, 태양전지 모듈(100)은, 복수의 태양 전지를 구비할 수 있다.
도면에서는 복수의 태앙 전지가 리본(도 12의 133)에 의해, 일렬로 연결되어, 태양전지 스트링(140)이 형성되는 것을 예시한다. 이에 의해 6개의 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)이 형성되고, 각 스트링은 10개의 태양전지를 구비하는 것을 예시한다. 한편, 도면과 달리, 다양한 변형이 가능하다.
한편, 각 태양전지 스트링은, 버스 리본에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 도 2는, 태양전지 모듈(100)의 하부에 배치되는 버스 리본(145a,145c,145e)에 의해, 각각 제1 태양전지 스트링(140a)과 제2 태양전지 스트링(140b)이, 제3 태양전지 스트링(140c)과 제4 태양전지 스트링(140d)이, 제5 태양전지 스트링(140e)과 제6 태양전지 스트링(140f)이 전기적으로 접속되는 것을 예시한다.
또한, 도 2는, 태양전지 모듈(100)의 상부에 배치되는 버스 리본(145b,145d)에 의해, 각각 제2 태양전지 스트링(140b)과 제3 태양전지 스트링(140c)이, 제4 태양전지 스트링(140d)과 제5 태양전지 스트링(140e)이 전기적으로 접속되는 것을 예시한다.
한편, 제1 스트링에 접속된 리본, 버스 리본(145b,145d), 및 제4 스트링에 접속된 리본은, 각각 제1 내지 제4 도전성 라인(미도시)에 전기적으로 접속되며, 제1 내지 제4 도전성 라인(미도시)은, 태양전지 모듈(100)에 형성된 개구를 통해, 태양전지 모듈(100)의 배면에 배치되는 정션 박스(200) 내의 바이패스 다이오드(도 4의 Da,Db,Dc)와 접속될 수 있다..
이때, 태양전지 모듈(100)에 형성된 개구는, 정션 박스(200)가 위치하는 영역에 대응하여 형성될 수 있다.
도 4는 도 2의 태양광 모듈 내의 정션 박스 내부의 회로도를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 정션 박스(200)는, 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원을 변환하여 변환된 전원을 출력할 수 있다.
특히, 본 발명과 관련하여, 정션 박스(200)는, 교류 전원을 출력하기 위한 전력변환장치를 구비할 수 있다.
이를 위해, 정션 박스(200)는, 컨버터(530), 인버터(540), 및 이를 제어하는 제어부(550)를 포함할 수 있다.
또한, 정션 박스(200)는, 바이패스를 위한 바이패스 다이오드부(510), 직류 전원 저장을 위한, 커패시터부(520), 출력되는 교류 전원 필터링을 위한 필터부(570)를 더 포함할 수 있다.
한편, 정션 박스(200)는, 외부의 게이트웨이(80)과의 통신을 위한 통신부(580)를 더 구비할 수 있다.
한편, 정션 박스(200)는, 입력 전류 검출부(A), 입력 전압 검출부(B), 컨버터 출력전류 검출부(C), 컨버터 출력전압 검출부(D), 인버터 출력 전류 검출부(E), 인버터 출력 전압 검출부(F)를 더 구비할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 컨버터(530), 인버터(540), 및 통신부(580)를 제어할 수 있다.
바이패스 다이오드부(510)는, 태양전지 모듈(100) 의 제1 내지 제4 도전성 라인(미도시)들 사이에, 각각 배치되는 바이패스 다이오드들(Dc,Db,Da)을 구비할 수 있다. 이때, 바이패스 다이오드의 개수는, 1개 이상이며, 도전성 라인의 개수 보다 1개 더 작은 것이 바람직하다.
바이패스 다이오드들(Dc,Db,Da)은, 태양전지 모듈(100)로부터, 특히, 태양전지 모듈(100) 내의 제1 내지 제4 도전성 라인(미도시)으로부터 태양광 직류 전원을 입력받는다. 그리고, 바이패스 다이오드들(Dc,Db,Da)은, 제1 내지 제4 도전성 라인(미도시) 중 적어도 하나로부터의 직류 전원에서 역전압이 발생하는 경우, 바이패스 시킬 수 있다.
한편, 바이패스 다이오드부(510)를 거친 직류 전원은, 커패시터부(520)로 입력될 수 있다.
커패시터부(520)는, 태양전지 모듈(100), 및 바이패스 다이오드부(510)를 거쳐 입력되는 입력 직류 전원을 저장할 수 있다.
한편, 도면에서는, 커패시터부(520)가 서로 병렬 연결되는 복수의 커패시터(Ca,Cb,Cc)를 구비하는 것으로 예시하나, 이와 달리, 복수의 커패시터가, 직병렬 혼합으로 접속되거나, 직렬로 접지단에 접속되는 것도 가능하다. 또는, 커패시터부(520)가 하나의 커패시터만을 구비하는 것도 가능하다.
컨버터(530)는, 바이패스 다이오드부(510)와, 커패시터부(520)를 거친, 태양전지 모듈(100)로부터의 입력 전압의 레벨을 변환할 수 있다.
특히, 컨버터(530)는, 커패시터부(520)에 저장된 직류 전원을 이용하여, 전력 변환을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터(530)는, 도 6을 참조하여 보다 상세히 기술한다.
한편, 컨버터(530) 내의 스위칭 소자들은, 제어부(550)로부터의 컨버터 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/오프 동작할 수 있다. 이에 의해, 레벨 변환된 직류 전원이 출력될 수 있다.
인버터(540)는, 컨버터(530)에서 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환할 수 있다.
도면에서는, 풀 브릿지 인버터(full-bridge inverter)를 예시한다. 즉, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa와S'a, Sb와 S'b)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,Sb,S'a,S'b)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터(540) 내의 스위칭 소자들(Sa,Sb,S'a,S'b)은, 제어부(550)로부터의 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/오프 동작할 수 있다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 교류 전원이 출력될 수 있다. 바람직하게는, 그리드(grid)의 교류 주파수와 동일한 주파수(대략 60Hz 또는 50Hz)를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 커패시터(C)는, 컨버터(530)와 인버터(540) 사이에, 배치될 수 있다.
커패시터(C)는, 컨버터(530)의 레벨 변환된 직류 전원을 저장할 수 있다. 한편, 커패시터(C)의 양단을 dc단이라 명명할 수 있으며, 이에 따라, 커패시터(C)는 dc단 커패시터라 명명될 수도 있다.
한편, 입력 전류 검출부(A)는, 태양전지 모듈(100)에서 커패시터부(520)로 공급되는 입력 전류(ic1)를 감지할 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(B)는, 태양전지 모듈(100)에서 커패시터부(520)로 공급되는 입력 전압(Vc1)을 감지할 수 있다. 여기서, 입력 전압(Vc1)은, 커패시터부(520) 양단에 저장된 전압과 동일할 수 있다.
감지된 입력 전류(ic1)와 입력 전압(vc1)은, 제어부(550)에 입력될 수 있다.
한편, 컨버터 출력전류 검출부(C)는, 컨버터(530)에서 출력되는 출력전류(ic2), 즉 dc단 전류를 감지하며, 컨버터 출력전압 검출부(D)는, 컨버터(530)에서 출력되는 출력전압(vc2), 즉 dc 단 전압을 감지한다. 감지된 출력전류(ic2)와 출력전압(vc2)은, 제어부(550)에 입력될 수 있다.
한편, 인버터 출력 전류 검출부(E)는, 인버터(540)에서 출력되는 전류(ic3)를 감지하며, 인버터 출력 전압 검출부(F)는, 인버터(540)에서 출력되는 전압(vc3)을 감지한다. 검출된 전류(ic3)와 전압(vc3)은, 제어부(550)에 입력된다.
한편, 제어부(550)는, 컨버터(530)의 스위칭 소자들을 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 특히, 제어부(550)는, 검출된 입력전류(ic1), 입력 전압(vc1), 출력전류(ic2), 출력전압(vc2), 출력전류(ic3), 또는 출력전압(vc3) 중 적어도 하나에 기초하여, 컨버터(530) 내의 스위칭 소자들의 턴 온 타이밍 신호를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 인버터(540)의 각 스위칭 소자(Sa,Sb,S'a,S'b)를 제어하는 인버터 제어 신호를 출력할 수 있다. 특히, 제어부(550)는, 검출된 입력전류(ic1), 입력 전압(vc1), 출력전류(ic2), 출력전압(vc2), 출력전류(ic3), 또는 출력전압(vc3) 중 적어도 하나에 기초하여, 인버터(540)의 각 스위칭 소자(Sa,Sb,S'a,S'b)의 턴 온 타이밍 신호를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 태양전지 모듈(100)에 대한, 최대 전력 지점을 연산하고, 그에 따라, 최대 전력에 해당하는 직류 전원을 출력하도록, 컨버터(530)를 제어할 수 있다.
한편, 통신부(580)는, 게이트웨이(80)와 통신을 수행할 수 있다.
예를 들어, 통신부(580)는, 전력선 통신에 의해, 게이트웨이(80)와 데이터를 교환할 수 있다.
한편, 통신부(580)는, 게이트웨이(80)로, 태양광 모듈(50)의 전류 정보, 전압 정보, 전력 정보 등을 전송할 수도 있다.
한편, 필터부(570)는, 인버터(540)의 출력단에 배치될 수 있다.
그리고, 필터부(570)는, 복수의 수동 소자를 포함하고, 복수의 수동 소자 중 적어도 일부에 기초하여, 인버터(540)에서 출력되는 교류 전류(io)와 교류 전압(vo) 사이의 위상 차이를 조정할 수 있다.
도 5a 내지 5b는 태양광 모듈의 전력변환장치의 다양한 예이다.
먼저, 도 5a의 태양광 모듈의 전력변환장치(600a)는, 커패시터부(620), 컨버터(630), 인버터(640), 필터부(670)를 구비한다.
도 5a의 컨버터(630)는, 인터리브 플라이 백 컨버터를 구비하는 것으로, 이에 의하면, 트랜스포머(T1a,T1b)를 사용하므로, 입력측과 출력측이 절연되며, 전압 변환율(voltage conversion ratio)이 뛰어나나, 역률(pf) 제어가 힘들다는 단점이 있다.
다음, 도 5b의 태양광 모듈의 전력변환장치(600b)는, 커패시터부(620b), 전력변환부(640b), 필터부(670b)를 구비한다.
도 5b의 전력변환부(640b)는, 풀 브릿지 인버터와 관련된, 스위칭 소자들(S1b~S4b) 외에, 추가로, 다이오드(Dbb)와 스위칭 소자(Sbb)를 구비한다.
도 5b의 전력변환부(640b)에 의하면, 역률(pf) 제어가 가능하나, 비절연 형태로서, 전압 변환율(voltage conversion ratio)이 낮으며, 누설 전류에 대한 규정을 만족하기 위해, 별도의 보호 회로 등이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 스위칭시, 하드 스위칭(hard switching)으로 인한, 하드 스위칭 손실이 발생하여, 전력 변환 효율이 낮은 단점이 있다.
한편, 본 발명에서는, 2 스테이지(stage) 기반의 전력변환장치에서, 안정적인 파워 출력이 가능한 방안을 제시한다. 또한, 출력 전력의 손실을 저감하는 방안을 제시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈 내의 전력변환장치의 회로도이고, 도 7 내지 도 12는 도 6의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100) 내의 전력변환장치(500)는, 도면에 도시된 컨버터(530), 인버터(540), 외에, 도 4의 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), 제어부(550), 통신부(580), 입력 전류 검출부(A), 입력 전압 검출부(B), 컨버터 출력전류 검출부(C), 컨버터 출력전압 검출부(D), 인버터 출력 전류 검출부(E), 인버터 출력 전압 검출부(F)를 구비할 수 있다.
한편, 인버터(540)의 출력단에 전자파 노이즈 저감위한 필터부(570)가 더 배치될 수 있다. 이때의 필터부(570)는 적어도 하나의 인덕터를 구비할 수 있다.
이하에서는, 도 6에 도시된 컨버터(530), 인버터(540) 등을 중심으로 기술한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100) 내의 전력변환장치(500)는, 복수의 태양 전지(130)를 구비하는 태양전지 모듈(100)과, 태양전지 모듈(100)로부터 입력되는 제1 직류 전원(Vin)의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터(530)와, 컨버터(530)로부터의 직류 전원을 교류 전원(Vac)으로 변환하는 인버터(540)와, 컨버터(530)와 인버터(540)를 제어하는 제어부(550)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터(530)는, 제1 직류 전원(Vin)에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부(532)와, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 출력단에 입력측(na,nb)이 접속되는 트랜스포머(536)와, 트랜스포머(536)의 출력측(nc,nd)에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부(538)를 구비할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다. 이에 의해, 입력되는 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원(Vin)이 낮은 경우에도 출력할 수 있는 파워 범위의 제한 없이, 안정적인 파워의 출력이 가능하다.
또한, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 태양광 모듈(100) 내의 전력변환장치(500) 내의 컨버터(530)는, 트랜스포머(536)와 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이에 접속되는 인덕터(Lr)를 더 구비할 수 있다.
이때의 인덕터(Lr)는, 트랜스포머(536)와, 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이의 에너지 전달을 위해 필요하다.
한편, 인덕터(Lr)는, 생략 가능하며, 다만, 트랜스포머(536)의 누설 인덕턴스(Leakage Inductance)가 그 역할을 대신할 수 있다.
도면에서와 같이, 풀 브릿지 스위칭부(532)는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)와, 제1 내지 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자(Q3,Q4)를 구비할 수 있다.
그리고, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 사이인 제1 노드(N1)와, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 사이인 제2 노드(N2) 사이에, 트랜스포머(536)의 입력측(na,nb)이 접속될 수 있다.
한편, 도면에서와 같이, 하프 브릿지 스위칭부(538)는, 서로 직렬 접속되는 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)와, 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.
이때, 제5 스위칭 소자(Q5), 제6 스위칭 소자(Q6)와, 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2)는, 서로 병렬 접속될 수 있다.
그리고, 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 사이인 제3 노드(N3)와, 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 사이인 제4 노드(N4) 사이에, 트랜스포머(536)의 출력측(nc,nd)이 접속될 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 스위칭을 위한 스위칭 제어 신호(Sfb)를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭을 위한 스위칭 제어 신호(Shb)를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 인버터(540)의 스위칭을 위한 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
도 7은 전력변환장치(500) 내의 다양한 파형에 대해 도시한 도면이다.
먼저, 도 7의 (a)는, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류(Ilr)를 도시한 파형이다.
다음, 도 7의 (b)는, 풀 브릿지 스위칭부(532) 내의 스위칭 소자(S1)에 인가되는 스위칭 제어 신호(Ss1)를 도시한 파형이다.
다음, 도 7의 (c)는, 하프 브릿지 스위칭부(538) 내의 스위칭 소자(S4)에 인가되는 스위칭 제어 신호(Ss4)를 도시한 파형이다.
다음, 도 7의 (d)는, 인버터(540) 내의 스위칭 소자(Sa)에 인가되는 스위칭 제어 신호(Ssa)를 도시한 파형이다.
다음, 도 7의 (d)는, 인버터(540)의 출력인 출력 전류(Iac)를 도시한 파형이다.
한편, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 스위칭 제어 신호(Ss1)와 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 제어 신호(Ss4)를 비교하면, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이의 제1 위상차(Dfa)가 발생하는 것을 알 수 있다.
즉, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 스위칭 제어 신호(Ss1)와, 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 제어 신호(Ss4) 사이에, 제1 위상차(Dfa)가 발생할 수 있다.
다음, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 스위칭 제어 신호(Ss1)와 인버터(540)의 스위칭 제어 신호(Ssa)를 비교하면, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 인버터(540) 사이의 제2 위상차(Dfb)가 발생하는 것을 알 수 있다.
즉, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 스위칭 제어 신호(Ss1)와, 인버터(540)의 스위칭 제어 신호(Ssa) 사이에, 제2 위상차(Dfb)가 발생할 수 있다.
이때, 제2 위상차(Dfb)가 제1 위상차(Dfa) 보다 더 클 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 인버터(540)의 출력 전압(Vac) 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다. 이에 대해서는 도 8 이하를 참조하여 기술한다.
한편, 도 8은 출력 전압 파형(Vac)에 따른, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수를 도시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)은, 대략 계통 주파수인 60Hz의 2배인 120Hz의 주파수를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에서는, 태양전지 모듈(100)에서 생성되는 직류 전원(Vin)의 레벨이 낮은 경우에도 안정적으로 계통 전압이 출력되도록 하는 방안을 제시한다.
이를 위해, 본 발명에서는, 입력 전압(Vin)의 절대값(|Vin|) 또는 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)에 기초하여, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수를 가변하는 것으로 한다.
풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 일정한 경우, 출력할 수 있는 출력 파워가 제한적이므로, 본 발명에서는, 안정적인 파워 출력을 위해, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수를 가변하는 것으로 한다.
스위칭 주파수가 커질수록, 출력 전력이 작아지며, 스위칭 주파수가 작아질수록, 출력 전력이 증대되므로, 본 발명에서는, 이러한 특징을 이용하여, 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
예를 들어, 도면과 같이, 입력 전압(Vin)의 절대값(|Vin|) 또는 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)에 반비례하여 스위칭 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다.
도면에서는, Paa 구간 부터 Pab 구간이, 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)의 주기에 대응하는 것을 예시한다.
구체적으로, 도면에서는, Paa 구간, Pb 구간 동안, 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)이 점차 증가하며, Pc 구간 중 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)이 피크치를 가지며, Pbb 구간, Pab 구간 동안, 출력 전압 파형의 절대값(|Vac|)이 감소하는 것을 예시한다.
한편, Pba 구간, Pbb 구간을 제1 구간이라 명명하며, Paa 구간, Pab 구간을 제2 구간이라 명명하며, Pc 구간을 제3 구간이라 명명할 수 있다.
한편 제어부(550)는, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되는 구간(Pba,Pbb)과, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 일정한 구간(Paa,Pc,Pab으로 나뉘어 구동되도록 제어할 수 있다.
특히, 제어부(550)는, 제2 구간(Paa,Pab) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)가, 제1 스위칭 주파수(fa)로 구동하도록 제어하며, 제3 구간(Pc) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)가 제1 스위칭 주파수(fa) 보다 낮은 제2 스위칭 주파수(fb)로 구동하도록 제어할 수 있다.
한편, 제2 구간(Paa,Pab)과 제3 구간(Pc) 사이에, 제1 구간(Pba,Pbb)이 배치될 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다.
특히, 제어부(550)는, 제2 구간(Paa)에서 제3 구간(Pc)으로의 이동 구간인 Pba 구간 동안, 도면과 같이, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(550)는, 제3 구간(Pc)에서 제2 구간(Paa,Pab)으로의 이동 ㄱ구간인 Pbb 구간 동안, 도면과 같이, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 출력 전압 파형의 일부 구간에서, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수를 가변함으로써, 컨버터(530)가 안정적으로 전압 레벨 변환을 수행할 수 있게 된다.
한편, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 인버터(540)의 스위칭 주파수(fc)가, 대략 120Hz로서 일정하도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수 가변시, 150에서 40Khz 사이의 스위칭 주파수를 가지도록 제어할 수 있다.
즉, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 인버터(540)의 스위칭 주파수(fc) 보다, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 더 큰 것이 바람직하다.
한편, 제어부(550)는, 태양전지 모듈(100)로부터의 제1 직류 전원(Vin)의 레벨이 낮을수록, 제2 스위칭 주파수(fb)가 낮아지도록 제어할 수 있다. 이에 의하면, 스위칭 주파수가 낮아지므로, 제1 직류 전원(Vin)의 레벨이 낮은 경우, 전력 변환을 더 많이 수행할 수 있게 되며, 결국, 안정적으로 일정한 출력 전압 파형을 출력할 수 있게 된다.
한편, 제어부(550)는, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 피크 레벨이 낮아질수록, 제3 구간(Pc)이 길어지도록 제어할 수 있다. 이에 의하면, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 피크 레벨이 낮아질수록, fb 스위칭 주파수에 의한 구간이 길어지므로, 출력 전력이 증대될 수 있게 된다.
한편, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수의 가변시, 도 7b 도시된 바와 같이, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이의 제1 위상차(Dfa)가 가변되도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수의 가변시, 도 7b 도시된 바와 같이, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 인버터(540) 사이의 제2 위상차(Dfb)가 가변되도록 제어할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8의 Poa,Pob,Poc 지점에서의 인덕터 전류 파형(ILra,ILrb,ILrc)를 도시하는 도면이다.
먼저, 도 9a를 참조하면, Poa 지점은 제3 구간(Pc) 내의 지점으로서, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538)가 최저 스위칭 주파수(fb)로 동작한다.
이때, 하프 브릿지 스위칭부(538)와 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류 값은(Psta,Pstb)는, 설정값(Seta,Setb) 보다 높아질 수 있다.
다음, 도 9b를 참조하면, Pob 지점은 제1 구간(Pbb) 내의 지점으로서, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변된다.
이때, 하프 브릿지 스위칭부(538)의 Commutation 전류 값은, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류 값 보다 크게 된다.
다음, 도 9c를 참조하면, Poc 지점은 제1 구간(Pbb) 내의 지점으로서, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변된다.
이때, 하프 브릿지 스위칭부(538)의 Commutation 전류 값은, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류 값 보다 크게 된다.
한편, 도 9c의 하프 브릿지 스위칭부(538)의 Commutation 전류 값은, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류 값은, 도 9b의 하프 브릿지 스위칭부(538)의 Commutation 전류 값은, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류 값 보다 작을 수 있다.
한편, 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 스위칭 주파수 가변시, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류 파형의 형상이 일정한 것을 알 수 있다.
즉, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어하며, 스위칭 주파수 가변시, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류 파형의 형상이 일정하도록 제어할 수 있다. 이때, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류의 레벨은, 스위칭 주파수가 높아질수록, 작아질 수 있다.
즉, 도 9b와 도 9c를 비교하면, 도 9c의 경우, 스위칭 주파수가 더 높으나, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류의 레벨이 더 낮아지는 것을 알 수 있다.
다음, 도 10a는 트랜스포머의 출력 측 전압 파형(V'1)과 인덕터(Lr) 양단의 전압 파형(V2)를 예시한다. 그리고, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류 파형도 예시한다.
아울러, 각 스위칭 소자(Q1 내지 S6)에 인가되는 스위칭 제어 신호 파형도 예시한다.
여기서, g는 Q4 스위칭 소자와 Q6 스위칭 소자 사이의 위상차를 나타내며, w는 Q6 스위칭 소자와 Q3 스위칭 소자 사이의 위상차를 나타낼 수 있다.
도 10a의 각 파형은, 액티브 파워 모드(active mode)로서, 도 10b와 같이, 컨버터(530)에서 인버터(540)로 전류가 흐르는 경우의 파형을 예시한다.
다음, 도 10c는 트랜스포머의 출력 측 전압 파형(V'1)과 인덕터(Lr) 양단의 전압 파형(V2)를 예시한다. 그리고, 인덕터(Lr)에 흐르는 전류 파형도 예시한다.
아울러, 각 스위칭 소자(Q1 내지 S6)에 인가되는 스위칭 제어 신호 파형도 예시한다.
여기서, w는 Q4 스위칭 소자와 Q6 스위칭 소자 사이의 위상차를 나타내며, g는 Q5 스위칭 소자와 Q3 스위칭 소자 사이의 위상차를 나타낼 수 있다.
도 10c의 각 파형은, 리액티브 파워 모드(reactive mode)로서, 도 10d와 같이, 인버터(540)에서 컨버터(530)로 전류가 흐르는 경우의 파형을 예시한다.
다음, 도 11a는 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류 파형을 예시하며, 도 11b는 하프 브릿지 스위칭부(538)의 Commutation 전류 파형을 예시한다.
제어부(550)는, 스위칭 주파수 가변시, 풀 브릿지 스위칭부(532)의 Commutation 전류와 하프 브릿지 스위칭부(538)의 Commutation 전류를 분리하여 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(550)는, 다음의 수학식 1 내지 4를 참조하여, 각 시점(τ0,τ1, τ2, τ3 )에서의 전류값을 연산할 수 있다.
Figure 112017092944044-pat00001
Figure 112017092944044-pat00002
Figure 112017092944044-pat00003
Figure 112017092944044-pat00004
여기서, Vac는 출력 전압이며, fs는 스위칭 주파수, Lτ는 인덕턴스, g,w는 위상차, Vsec는 입력 전압(Vin)을 나타낼 수 있다.
한편,
Figure 112017092944044-pat00005
,
Figure 112017092944044-pat00006
는 각각 T1,T2 시점의 스위치 Commutation 전류를 나타낼 수 있다.
한편, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 각 스위칭 소자가, 영전압 스위칭(ZVS)을 수행하기 위해, 수학식 5의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112017092944044-pat00007
한편, 도 12는 입력 전압, 출력 전압과 스위칭 주파수의 관계를 도시하는 도면이다.
먼저, 도 12의 (a)는, 입력 전압(Vin)에 비례하여, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수(Fsw)가 가변되는 것을 예시한다.
이에 따라, 제어부(550)는, 입력 전압(Vin)에 비례하여, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수(Fsw)가 가변되도록 제어할 수 있다.
다음, 도 12의 (b)는, 출력 전압(Vac)에 반비례하여, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수(Fsw)가 가변되는 것을 예시한다.
이에 따라, 제어부(550)는, 출력 전압(Vac)에 반비례하여, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수(Fsw)가 가변되도록 제어할 수 있다.
상술한 도 6 내지 도 12의 설명에 의하면, 제어부(550)는, 제1 구간(Pba,Pbb) 동안, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어함으로써, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
한편, 컨버터(530) 내에, 풀 브릿지 스위칭부(532)와, 하프 브릿지 스위칭부(538)가 구비됨으로써, 트랜스포머(536)의 권선비(turn ratio)를 저감할 수 있으며, 이에 따라, 트랜스포머(536)의 크기를 저감할 수 있게 된다. 결국, 컨버터(530) 등을 포함하는 정션 박스(200)의 크기를 저감할 수 있게 된다.
한편, 태양전지 모듈(100)로부터의 제1 직류 전원(Vin)의 레벨이 낮을수록, 제2 스위칭 주파수(fb)가 낮아지도록 제어함으로써, 입력되는 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원이 낮은 경우에도 출력할 수 있는 파워 범위의 제한 없이, 안정적인 파워의 출력이 가능하다.
한편, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 피크 레벨이 낮아질수록, 제3 구간(Pc)이 길어지도록 제어함으로써, 력 변환을 수행하여, 안정적으로 교류 전원을 출력할 수 있게 된다.
한편, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 피크 레벨이 낮아질수록, 제3 구간(Pc)이 길어지도록 제어함으로써, 력 변환을 수행하여, 안정적으로 교류 전원을 출력할 수 있게 된다.
한편, 인버터(540)의 출력 전압(Vac) 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어함으로써, 안정적으로 교류 전원을 출력할 수 있게 된다.
한편, 컨버터(530)와, 인버터(540)를 통해, 2 스테이지로 전력 변환을 수행함으로써, 역률을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어부(550)는, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수 가변시, 풀 브릿지 스위칭부(532)와 하프 브릿지 스위칭부(538) 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어함으로써, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 인버터(540)의 출력 전압(Vac)의 파형에 따라, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 풀 브릿지 스위칭부(532) 및 하프 브릿지 스위칭부(538)의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어함으로써, 안정적인 파워 출력이 가능하게 된다.
도 13은 도 2의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 13을 참조하면, 도 2의 태양전지 모듈(100)은, 복수의 태양 전지(130)를 포함할 수 있다. 그 외, 복수의 태양전지(130)의 하면과 상면에 위치하는 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150), 제1 밀봉재(120)의 하면에 위치하는 후면 기판(110) 및 제2 밀봉재(150)의 상면에 위치하는 전면 기판(160)을 더 포함할 수 있다.
먼저, 태양전지(130)는, 태양 에너지를 전기 에너지로 변화하는 반도체 소자로써, 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell), 염료감응형 또는 CdTe, CIGS형 태양전지, 박막 태양전지 등일 수 있다.
태양전지(130)는 태양광이 입사하는 수광면과 수광면의 반대측인 이면으로 형성된다. 예를 들어, 태양전지(130)는, 제1 도전형의 실리콘 기판과, 실리콘 기판상에 형성되며 제1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 반사방지막과, 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극과, 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함할 수 있다.
각 태양전지(130)는, 전기적으로 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 복수의 태양 전지(130)는, 리본(133)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 리본(133)은, 태양전지(130)의 수광면 상에 형성된 전면 전극과, 인접한 다른 태양전지(130)의 이면 상에 형성된 후면 전극집전 전극에 접합될 수 있다.
도면에서는, 리본(133)이 2줄로 형성되고, 이 리본(133)에 의해, 태양전지(130)가 일렬로 연결되어, 태양전지 스트링(140)이 형성되는 것을 예시한다.
이에 의해, 도 2에서 설명한 바와 같이, 6개의 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)이 형성되고, 각 스트링은 10개의 태양전지를 구비할 수 있다.
후면 기판(110)은, 백시트로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하며, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 도 4에서는 후면 기판(110)이 직사각형의 모양으로 도시되어 있으나, 태양전지 모듈(100)이 설치되는 환경에 따라 원형, 반원형 등 다양한 모양으로 제조될 수 있다.
한편, 후면 기판(110) 상에는 제1 밀봉재(120)가 후면 기판(110)과 동일한 크기로 부착되어 형성될 수 있고, 제1 밀봉재(120) 상에는 복수의 태양전지(130)가 수 개의 열을 이루도록 서로 이웃하여 위치할 수 있다.
제2 밀봉재(150)는, 태양전지(130) 상에 위치하여 제1 밀봉재(120)와 라미네이션(Lamination)에 의해 접합할 수 있다.
여기에서, 제1 밀봉재(120)와, 제2 밀봉재(150)는, 태양전지의 각 요소들이 화학적으로 결합할 수 있도록 한다. 이러한 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150)는, 에틸렌 초산 비닐 수지 (Ethylene Vinyl Acetate;EVA) 필름 등 다양한 예가 가능하다.
한편, 전면 기판(160)은, 태양광을 투과하도록 제2 밀봉재(150) 상에 위치하며, 외부의 충격 등으로부터 태양전지(130)를 보호하기 위해 강화유리인 것이 바람직하다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 태양광 모듈은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 컨버터와 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부;를 구비하고,
    상기 제어부는,
    제1 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어하며,
    상기 제1 구간 중 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원의 절대값이 커지는 경우, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하며,
    상기 제1 구간 중 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원의 절대값이 작아지는 경우, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수의 가변시, 상기 풀 브릿지 스위칭부와 상기 하프 브릿지 스위칭부 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수의 가변시, 상기 풀 브릿지 스위칭부와 상기 인버터 사이의 제2 위상차가 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브릿지 스위칭부는,
    서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자;를 구비하며,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 사이인 제1 노드와, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드 사이에, 상기 트랜스포머의 입력측이 접속되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 트랜스포머와 상기 하프 브릿지 스위칭부 사이에 접속되는 인덕터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하프 브릿지 스위칭부는,
    서로 직렬 접속되는 제5 스위칭 소자, 및 제6 스위칭 소자;
    서로 직렬 접속되는 제1 커패시터 및 제2 커패시터;를 포함하고,
    상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 사이인 제3 노드와, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 사이인 제4 노드 사이에, 상기 트랜스포머의 출력측이 접속되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간 동안, 상기 인버터의 스위칭 주파수가 일정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 구간 동안, 상기 인버터의 스위칭 주파수 보다, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 더 큰 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제2 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부가, 제1 스위칭 주파수로 구동하도록 제어하며,
    제3 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부가 상기 제1 스위칭 주파수 보다 낮은 제2 스위칭 주파수로 구동하도록 제어하며,
    상기 제2 구간과 상기 제3 구간 사이에, 상기 제1 구간이 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 구간에서 상기 제3 구간으로의 이동시, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하고,
    상기 제3 구간에서 상기 제2 구간으로의 이동시, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 태양전지 모듈로부터의 상기 제1 직류 전원의 레벨이 낮을수록, 상기 제2 스위칭 주파수가 낮아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인버터의 출력 전압의 피크 레벨이 낮아질수록, 상기 제3 구간이 길어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인버터의 출력 전압 파형에 따라, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어하며, 상기 스위칭 주파수 가변시, 상기 인덕터에 흐르는 전류 파형의 형상이 일정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인버터의 출력 전압의 파형에 따라, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  16. 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 컨버터와 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부;를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수 가변시, 상기 풀 브릿지 스위칭부와 상기 하프 브릿지 스위칭부 사이의 제1 위상차가 가변되도록 제어하며,
    제1 구간 중 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원의 절대값이 커지는 경우, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하며,
    상기 제1 구간 중 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원의 절대값이 작아지는 경우, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수의 가변시, 상기 풀 브릿지 스위칭부와 상기 인버터 사이의 제2 위상차가 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 위상차가, 상기 제1 위상차 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  19. 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈로부터 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하여, 제2 직류 전원을 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 컨버터와 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 제1 직류 전원에 대한 스위칭을 수행하는 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 입력측이 접속되는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 출력측에 접속되는 하프 브릿지 스위칭부;를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 인버터의 출력 전압의 파형에 따라, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되는 구간과, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 일정한 구간으로 나뉘어 구동되도록 제어하며,
    제1 구간 중 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원의 절대값이 커지는 경우, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하며,
    상기 제1 구간 중 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원의 절대값이 작아지는 경우, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제1 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수가 가변되도록 제어하며,
    제2 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부가, 제1 스위칭 주파수로 구동하도록 제어하며,
    제3 구간 동안, 상기 풀 브릿지 스위칭부 및 상기 하프 브릿지 스위칭부가 상기 제1 스위칭 주파수 보다 낮은 제2 스위칭 주파수로 구동하도록 제어하며,
    상기 제2 구간과 상기 제3 구간 사이에, 상기 제1 구간이 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
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