KR102614497B1 - 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자 중 제2 스위칭 소자에, 하프 브릿지로 접속되는 트랜스포머와, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자 사이에 접속되며, 제1 직류 전원이 입력되는 제1 인덕터와, 제1 스위칭 소자의 양단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터와, 부스트 커패시터를 포함한다. 이에 의해, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.

Description

전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈{Power converting device and and photovoltaic module including the same}
본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 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 인버터를 사용하여 교류 전원을 그리드로 출력하는 경우, 출력 전력의 손실을 저감하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 태양광 모듈에서 출력되는 출력 전력의 손실을 저감하기 위한 방안이 연구되고 있다.
본 발명의 목적은, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 다단의 부스팅을 구성함으로써, 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자 중 제2 스위칭 소자에, 하프 브릿지로 접속되는 트랜스포머와, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자 사이에 접속되며, 제1 직류 전원이 입력되는 제1 인덕터와, 제1 스위칭 소자의 양단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터와, 부스트 커패시터를 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 제1 직류 전원을 1차 부스팅하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 1차 부스팅된 전원을 2차 부스팅하는 하프 브릿지 컨버터를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자 중 제2 스위칭 소자에, 하프 브릿지로 접속되는 트랜스포머와, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자 사이에 접속되며, 제1 직류 전원이 입력되는 제1 인덕터와, 제1 스위칭 소자의 양단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터와, 부스트 커패시터를 포함하는 전력변환장치를 구비한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 제1 직류 전원을 1차 부스팅하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 1차 부스팅된 전원을 2차 부스팅하는 하프 브릿지 컨버터를 포함하는 전력변환장치를 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈은, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자 중 제2 스위칭 소자에, 하프 브릿지로 접속되는 트랜스포머와, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자 사이에 접속되며, 제1 직류 전원이 입력되는 제1 인덕터와, 제1 스위칭 소자의 양단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터와, 부스트 커패시터를 포함함으로써, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 스위칭 소자는, 제1 인덕터에 흐르는 전류, 제2 인덕터에 흐르는 전류, 및 제3 인덕터에 흐르는 전류에 기초하여, 영전압 스위칭을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
특히, 컨버터부 내의 제2 인덕터로 인하여, 제1 인덕터에 흐르는 전류 보다, 블로킹 커패시터에 흐르는 전류의 레벨이 더 커질 수 있으며, 제1 스위칭 소자에 역전류가 흐르는 패쓰가 형성되어, 제1 스위칭 소자의 스위칭시 영전압 스위칭이 가능하게 된다. 이에 따라, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 블로킹 커패시터로 인하여, 트랜스포머에 직류 성분이 제거되어 제공되므로, 트랜스포머의 동작 효율이 향상될 수 있게 된다.
한편, 전압 더블러로 인하여, 트랜스포머의 출력측의 전압을 다시 부스팅할 수 있게 되므로, 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있게 된다.
한편, 인버터부가 듀얼 벅 변조 방식으로 동작함으로써, 바이폴라 방식에 의해, 스위칭 횟수 또는 스위칭 주파수가 절반 정도로 저감되므로, 결국, 인버터부에서의 스위칭 손실도 저감되게 된다. 또한, 출력 전류의 전류 리플이 개선되므로, 필터부의 사이즈 저감, 및 고조파(Total Harmonic Distortion;THD) 저감도 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈은, 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부와, 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 컨버터부와 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터부는, 제1 직류 전원을 1차 부스팅하는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터로부터의 1차 부스팅된 전원을 2차 부스팅하는 하프 브릿지 컨버터를 포함함으로써, 다단의 부스팅을 구성할 수 있어, 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈은, 전압 더블러로 인하여, 트랜스포머의 출력측의 전압을 다시 부스팅할 수 있게 되므로, 더욱 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있게 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 7a 내지 도 13은 도 6의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
도 14a 내지 도 14b는 도 6의 전력변환장치가 태양광 모듈에 장착되는 것을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 15는 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, 컨버터부(도 6의 530), 인버터부(도 6의 540)가 구비될 수 있다.
본 발명에서는, 전력변환장치(도 6의 500) 내에, 컨버터부(530)를 통해, 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원의 레벨을 변환하고, 그 이후, 인버터부(540)를 통해, 교류 전원 변환을 수행하는, 2 스테이지(stage) 기반의 전력변환장치를 기술한다.
한편, 본 발명에서는, 2 스테이지(stage) 기반의 전력변환장치에서, 출력 전력의 손실을 저감하는 방안을 제시한다. 특히, 스위칭 소자를 구비하는 컨버터부(530)에서, 영전압 스위칭(ZVS)이 되도록, 구성하는 방안을 제시한다.
또한, 컨버터부(530)의 레벨 변환시, 단일의 컨버터 회로를 사용하여, 레벨 변환을 수행하는 경우, 레벨 변화량이 클수록, 역률(pf)이 나빠지는 경향이 있으므로, 다단의 부스팅을 구성하여, 효율적으로 역률 향상을 도모하는 방안을 제시한다.
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.
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 15의 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, 컨버터부(530), 인버터부(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, 컨버터부(530), 인버터부(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.
컨버터부(530)는, 바이패스 다이오드부(510)와, 커패시터부(520)를 거친, 태양전지 모듈(100)로부터의 입력 전압의 레벨을 변환할 수 있다.
특히, 컨버터부(530)는, 커패시터부(520)에 저장된 직류 전원을 이용하여, 전력 변환을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터부(530)는, 도 6을 참조하여 보다 상세히 기술한다.
한편, 컨버터부(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.
인버터부(540)는, 컨버터부(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(SW1,SW3) 및 하암 스위칭 소자(SW2,SW4)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(SW1와SW2, SW3와 SW4)로 연결된다. 각 스위칭 소자(SW1~SW4)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터부(540) 내의 스위칭 소자들(SW1~SW4)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, 컨버터부(530)와 인버터부(540) 사이에, 배치될 수 있다.
커패시터(C)는, 컨버터부(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, 컨버터부(530)에서 출력되는 출력전류(ic2), 즉 dc단 전류를 감지하며, 컨버터 출력전압 검출부(D)는, 컨버터부(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, 인버터부(540)에서 출력되는 전류(ic3)를 감지하며, 인버터 출력 전압 검출부(F)는, 인버터부(540)에서 출력되는 전압(vc3)을 감지한다. 검출된 전류(ic3)와 전압(vc3)은, 제어부(550)에 입력된다.
한편, 제어부(550)는, 컨버터부(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, 컨버터부(530) 내의 스위칭 소자들의 턴 온 타이밍 신호를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 인버터부(540)의 각 스위칭 소자(SW1~SW4)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, 인버터부(540)의 각 스위칭 소자(SW1~SW4)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, 컨버터부(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)로부터, 역률 조정 신호(Sph)를 수신할 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, 인버터부(540)의 출력단에 배치될 수 있다.
그리고, 필터부(570)는, 복수의 수동 소자를 포함하고, 복수의 수동 소자 중 적어도 일부에 기초하여, 인버터부(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), 컨버터부(630), 인버터부(640), 필터부(670)를 구비한다.
도 5a의 컨버터부(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.
이에 대응하여, 본 발명에서는, 본 발명에서는, 2 스테이지(stage) 기반의 전력변환장치에서, 출력 전력의 손실을 저감하는 방안을 제시한다. 특히, 스위칭 소자를 구비하는 컨버터부(530)에서, 영전압 스위칭(ZVS)이 되도록, 구성하는 방안을 제시한다.
또한, 컨버터부(530)의 레벨 변환시, 단일의 컨버터 회로를 사용하여, 레벨 변환을 수행하는 경우, 레벨 변화량이 클수록, 역률(pf)이 나빠지는 경향이 있으므로, 다단의 부스팅을 구성하여, 효율적으로 역률 향상을 도모하는 방안을 제시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈 내의 전력변환장치의 회로도이고, 도 7a 내지 도 13은 도 6의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100) 내의 전력변환장치(500)는, 도면에 도시된 컨버터부(530), 인버터부(540), 제어부(550), 필터부(570) 외에, 도 4의 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), 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.
이하에서는, 도 6에 도시된 컨버터부(530), 인버터부(540), 제어부(550), 필터부(570) 등을 중심으로 기술한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100) 내의 전력변환장치(500)는, 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부(530)와, 컨버터부(530)로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부(540)와, 컨버터부(530)와 인버터부(540)를 제어하는 제어부(550)를 포함하고, 컨버터부(530)는, 서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 스위칭 소자(S2)와, 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 스위칭 소자(S2) 중 제2 스위칭 소자(S2)에, 하프 브릿지로 접속되는 트랜스포머(536)와, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2) 사이에 접속되며, 제1 직류 전원이 입력되는 제1 인덕터(Lb)와, 제1 스위칭 소자(S1)의 양단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터(La)와, 부스트 커패시터(Cs)를 포함할 수 있다. 이에 의해, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 컨버터부(530)로 입력되는 제1 직류 전원은, 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원 또는, 커패시터부(520)로부터의 직류 전원 또는 바이패스 다이오드부(510)로부터의 직류 전원일 수 있다.
한편, 컨버터부(530)는, 상술한 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 스위칭 소자(S2), 트랜스포머(536), 제1 인덕터(Lb) 제2 인덕터(La), 부스트 커패시터(Cs) 외에, 블로킹 커패시터(Cb), 제3 인덕터(Lik)를 더 포함할 수 있다.
블로킹 커패시터(Cb)는, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)의 사이와, 제2 인덕터(La) 사이에 접속되어, 직류 오프셋 제거를 위해 동작할 수 있다. 이에 따라, 트랜스포머(536)의 동작 효율이 향상될 수 있게 된다.
제3 인덕터(Lik)는, 제2 스위칭 소자(S2)와, 트랜스포머(536)의 입력측 사이에 접속될 수 있다.
한편, 컨버터부(530) 내의 제2 인덕터(La)는, 제1 스위칭 소자(S1)에 역전류가 흐르는 패쓰(path)를 형성할 수 있다.
한편, 제1 스위칭 소자(S1)는, 제1 인덕터(Lb)에 흐르는 전류(ilb), 제2 인덕터(La)에 흐르는 전류, 및 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류에 기초하여, 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있다. 이에 따라, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제2 스위칭 소자(S2)는, 제1 인덕터(Lb)에 흐르는 전류(ilb), 및 블로킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류에 기초하여, 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있다. 이에 따라, 2 스테이지의 전력변환장치 내에서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 컨버터부(530)는, 트랜스포머(536)의 출력측에, 하프 브릿지로 접속되는 제1 커패시터(C1)와, 제2 커패시터(C2)와, 트랜스포머(536)의 출력측과 제1 커패시터(C1) 사이에 접속되는 제1 다이오드(D1)와, 트랜스포머(536)의 출력측과 제2 커패시터(C2) 사이에 접속되는 제2 다이오드(D2)를 더 포함할 수 있다.
제1 커패시터(C1)와, 제2 커패시터(C2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2)는, 전압 더블러(538)를 구성할 수 있으며, 전압 더블러(538)로 인하여, 트랜스포머(536)의 출력측의 전압을 다시 부스팅할 수 있게 되므로, 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있게 된다.
한편, 컨버터부(530) 내부의 회로에 대해 보다 상세히 기술하면, 서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 사이와, 컨버터부(530)의 입력단 사이에, 제1 인덕터(Lb)가 배치될 수 있다.
한편, 제1 스위칭 소자(S1)의 일단은 접지단에 접속될 수 있다. 제1 스위칭 소자(S1)의 타단과 제2 스위칭 소자(S2)의 일단이 접속될 수 있다.
한편, 트랜스포머(546)의 입력측의 일단과, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 사이에, 블로킹 커패시터(Cb)가 배치될 수 있다.
한편, 트랜스포머(546)의 입력측의 일단과, 제1 스위칭 소자(S1)의 일단, 즉 접지단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터(La)와, 부스트 커패시터(Cs)가 배치될 수 있다.
한편, 트랜스포머(546)의 입력측의 타단과, 제2 스위칭 소자(S1)의 타단 사이에, 제3 인덕터(Lik)가 배치될 수 있다.
한편, 트랜스포머(546)의 출력측의 일단에, 제1 다이오드(D1)의 애노드 접속되고, 트랜스포머(546)의 출력측의 티단에, 제2 다이오드(D1)의 캐소드 접속될 수 있다.
그리고, 제1 다이오드(D1)의 캐소드와, 제2 다이오드(D1)의 애노드 사이에, 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)가 직렬 접속될 수 있다.
한편, 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 사이에, 트랜스포머(546)의 출력측의 타단이 접속될 수 있다.
다음, 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 양단 사이에, 인버터부(540)가 접속될 수 있다. 그리고, 인버터부(540)의 출력단에, 필터부(570)가 접속될 수 있다.
도 7a와 도 7b를 참조하면, 컨버터부(530)는, 제1 직류 전원을 1차 부스팅하는 부스트 컨버터(532)와, 부스트 컨버터(532)로부터의 1차 부스팅된 전원을 2차 부스팅하는 하프 브릿지 컨버터(537)를 포함할 수 있다.
부스트 컨버터(532)는, 제1 스위칭 소자(S1), 및 제1 인덕터(Lb)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 컨버터부(530)는, 제1 스위칭 소자(S1), 및 제1 인덕터(Lb)를 이용하여, 부스트 컨버터(532)로 동작시켜, 1차 부스팅을 수행할 수 있다.
하프 브릿지 컨버터(537)는, 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 트랜스포머(536)를 구비할 수 있다. 이에 따라, 컨버터부(530)는, 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 트랜스포머(536)를 이용하여, 하프 브릿지 컨버터(537)로 동작시켜, 2차 부스팅을 수행할 수 있다.
이와 같이, 다단의 부스팅을 구성할 수 있어, 도 6의 전력변환장치(500)는, 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있게 된다.
한편, 도 7a와 도 7b를 참조하면, 컨버터부(530)는, 브릿지 컨버터로부터의 2차 부스팅된 전원을 3차 부스팅하는 전압 더블러(538)를 더 포함할 수 있다.
전압 더블러(538)는, 제1 커패시터(C1)와, 제2 커패시터(C2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2)를 구비할 수 있다. 이에 따라, 컨버터부(530)는, 제1 커패시터(C1)와, 제2 커패시터(C2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2)를 이용하여, 전압 더블러(538)로 동작시켜, 3차 부스팅을 수행할 수 있다.
특히, 컨버터부(530) 내의, 제1 커패시터(C1)와, 제2 커패시터(C2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2)는, 트랜스포머(536)의 출력측 전원을 정류하며, 트랜스포머(536)의 출력측 역전압을 반전시켜, 3차 부스팅을 수행할 수 있다.
한편, 전압 더블러(538)로 인하여, 트랜스포머(536)의 출력측의 전압을 다시 부스팅할 수 있게 되므로, 더욱 효율적으로 역률 향상을 도모할 수 있게 된다.
한편, 도 7b를 참조하여, 부스트 컨버터(532)는, 제1 승압부로 명명할 수 있으며, 하프 브릿지 컨버터(537)는, 제2 승압부로 명명할 수 있으며, 전압 더블러(538)는, 제3 승압부로 명명할 수 있다.
한편, 도 8a는, 제2 스위칭 소자(S2)가 오프된 후, 제1 스위칭 소자(S1)가 온되기 전까지의 데드 타임 시의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다.
다음, 도 8b는, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 시의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다. 도 8b에 따르면, 제2 인덕터(La)에 흐르는 전류, 및 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류에 기초하여, 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있게 된다.
다음, 도 8c는, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 이후, 턴 온이 지속되는 경우의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다.
제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 이후, 턴 온이 지속되는 경우, 부스트 커패시터(Cs)에 저장된 에너지가, 트랜스포머(536)의 출력측에 전달되고, 블로킹 커패시터(Cb)에 에너지가 저장될 수 있다.
한편, 도 8d는, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 직전의 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다. 이때, 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb)는, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila)의 합과 동일하게 된다.
한편, 도 8e는, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 시의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다.
이때, 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb)는, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila)의 합과 동일하게 되며, 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb)가, 제1 인덕터에 흐르는 전류(ilb) 보다 크게 된다.
즉, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 시, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila)의 합은, 제1 인덕터에 흐르는 전류(ilb) 보다 크게 된다.
따라서, 제1 스위칭 소자(S1)의 바디 다이오드(body diode)로 프리휠링 전류가 흐르며, 제1 스위칭 소자(S1)의 양단의 전압(Vs1)이 제로가 되는 시점에, 턴 온이 가능하게 된다. 따라서, 영전압 스위칭이 가능하게 된다.
도 8f는, 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2)의, 턴 온, 턴 오프, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila), 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb), 제1 인덕터에 흐르는 전류(ilb), 및 제1 스위칭 소자(S1)에 흐르는 전류(is1)를 도시한다.
도 8f에 따르면, to 시점에, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 되며, 제1 스위칭 소자(S1)의 바디 다이오드(body diode)로 프리휠링 전류가 흐르며, 이에 따라, 영전압 스위칭(ZVS)이 가능하게 된다.
이러한 제1 스위칭 소자(S1)의 영전압 스위칭은, 컨버터부(530) 내의 제2 인덕터(La)가, 트랜스포머(536)의 입력측의 일단과, 부스트 커패시터(Cs) 사이에 배치됨으로 인하여 가능한 것이다.
즉, 제2 인덕터(La)로 인하여, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 시, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila)의 합은, 제1 인덕터에 흐르는 전류(ilb) 보다 크게된다. 따라서, 영전압 스위칭이 가능하게 된다. 따라서, 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 도 9a는, 제1 스위칭 소자(S1)가 오프된 후, 제2 스위칭 소자(S2)가 온되기 전까지의 데드 타임 시의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다.
다음, 도 9b는, 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 시의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다. 도 9b에 따르면, 제1 인덕터(Lb)에 흐르는 전류(ilb), 및 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb)에 기초하여, 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있게 된다.
이때, 제1 인덕터(Lb), 및 부스트 커패시터(Cs)에 에너지가 저장되면서, 트랜스포머의 출력측에 에너지가 전달될 수 있다.
다음, 도 9c는, 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 이후, 턴 온이 지속되는 경우의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다.
제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 이후, 턴 온이 지속되는 경우, 블러킹 커패시터(Cb)에 저장된 에너지가, 트랜스포머(536)의 출력측에 전달될 수 있다.
한편, 도 9d는, 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 직전의 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다. 이때, 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb)는, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila)의 합과 동일하게 된다.
한편, 도 9e는, 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 시의, 전력변환장치(500) 내의 회로 전류 패쓰를 도시한다.
이때, 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb)는, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila)의 합과 동일하므로, 항상 영전압 스위칭이 성립되게 된다.
도 9f는, 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2)의, 턴 온, 턴 오프, 제3 인덕터(Lik)에 흐르는 전류(ilik)와 제2 인덕터에 흐르는 전류(Ila), 블러킹 커패시터(Cb)에 흐르는 전류(Icb), 제1 인덕터에 흐르는 전류(ilb), 및 제1 스위칭 소자(S1)에 흐르는 전류(is1)를 도시한다.
도 9f에 따르면, t1 시점에, 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 되며, 이때, 영전압 스위칭(ZVS)이 가능하게 된다. 따라서, 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
다음, 도 10a 내지 도 13은, 인버터부(540)의 듀얼 벅 변조(dual buck modulation) 방식을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 10a는, 컨버터부(530)의 출력단인, 노드 c,d의 양단 사이에, 인버터부(540)와 필터부(570)가 배치되는 것을 예시한다.
도면에서는, 인버터부(540) 내의 제1 내지 제4 스위칭 소자(SW1~SW4)가 구비되는 것을 예시한다.
도 10b의 (a), (b)는, 바이폴라 변조(bipolar modulation) 방식에 의해, 인버터부(540) 내의 제3 스위칭 소자(SW3), 인버터부(540) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)에, 각각 인가되는 스위칭 제어 신호의 듀티를 도시한 도면이다.
도 10b의 (c), (d)는, 듀얼 벅 변조(dual buck modulation) 방식에 의해, 인버터부(540) 내의 제3 스위칭 소자(SW3), 인버터부(540) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)에, 각각 인각되는 스위칭 제어 신호의 듀티를 도시한 도면이다.
도 10b의 (a), (b)와 도 10b의 (c), (d)를 비교하면, 듀얼 벅 변조(dual buck modulation) 방식에서의 스위칭 주파수가, 바이폴라 변조(biopolar modulation) 방식에 의해, 절반이 되므로, 인버터부(540) 내의 스위칭 손실이, 대략 절반으로 저감되게 된다. 또한, 출력 전류의 전류 리플이 개선되므로, 필터부의 사이즈 저감, 및 고조파(Total Harmonic Distortion;THD) 저감도 가능하게 된다.
구체적으로, 도 10c의 (a), (b)는, 도 10b의 (a), (b)의, 바이폴라 변조(biopolar modulation) 방식에 의해, 인버터부(540) 내의 제3 스위칭 소자(SW3), 인버터부(540) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)에, 각각 인각되는 스위칭 제어 신호의 듀티를 도시한다.
그리고, 도 10c의 (c), (d)는, 도 10c의 (a), (b)에 의해, 각각, 인버터부(540)에서 출력되는, 전압 파형(Vgrida)과 전류 파형(Igrida)을 예시한다.
한편, 도 10d의 (a), (b)는, 도 10b의 (c), (d)의, 듀얼 벅 변조(dual buck modulation) 방식에 의해, 인버터부(540) 내의 제3 스위칭 소자(SW3), 인버터부(540) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)에, 각각 인각되는 스위칭 제어 신호의 듀티를 도시한다.
그리고, 도 10d의 (c), (d)는, 도 10d의 (a), (b)에 의해, 각각, 인버터부(540)에서 출력되는, 전압 파형(Vgridb)과 전류 파형(Igridb)을 예시한다.
도 10c에 비해, 도 10d의 스위칭 손실이 저감되며, 나아가, 역률도 대략, 94%에서, 97 ~98%로 개선될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는, 교류 전원의 정극성(positve) 부분 출력시의, 인버터부(540)의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
교류 전원의 정극성(positve)에서, 제2 스위칭 소자(SW2)는 계속 턴 온되게 된다.
먼저, 도 11a는, 충전 모드(charge mode)로서, 제2 스위칭 소자(SW2)와 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온되는 것을 예시한다. 이에 따라, 컨버터부(530)의 출력단, 제3 스위칭 소자(SW3), 필터부(570)의 제1 인덕터(L1), 제2 인덕터(L2), 제2 스위칭 소자(SW2)를 흐르는 전류 패쓰가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 인덕터(L1)에 에너지가 축적될 수 있다.
다음, 도 11b는, 방전 모드(discharge mode)로서, 제2 스위칭 소자(SW2)와 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온되는 것을 예시한다. 이에 따라, 필터부(570)의 제1 인덕터(L1), 제2 인덕터(L2), 제2 스위칭 소자(SW2), 제4 스위칭 소자(SW4)를 흐르는 전류 패쓰가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 인덕터(L1)에 축적된 에너지가, 계통으로 출력될 수 있다.
즉, 도 11c의 (b)와 같이, 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온되어, 충전 모드(charge mode)로서, 출력 전압 파형이 상승하고, 도 11c의 (c)와 같이, 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온되어, 방전 모드(discharge mode)로서, 출력 전압 파형이 하강할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는, 교류 전원의 부극성(negative) 부분 출력시의, 인버터부(540)의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
교류 전원의 부극성(positve)에서, 제4 스위칭 소자(SW4)는 계속 턴 온되게 된다.
먼저, 도 12a는, 충전 모드(charge mode)로서, 제1 스위칭 소자(SW1)와 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온되는 것을 예시한다. 이에 따라, 컨버터부(530)의 출력단, 제1 스위칭 소자(SW1), 필터부(570)의 제2 인덕터(L2), 제1 인덕터(L1), 제4 스위칭 소자(SW4)를 흐르는 전류 패쓰가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 인덕터(L2)에 에너지가 축적될 수 있다.
다음, 도 12b는, 방전 모드(discharge mode)로서, 제2 스위칭 소자(SW2)와 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온되는 것을 예시한다. 이에 따라, 필터부(570)의 제1 인덕터(L1), 제2 인덕터(L2), 제2 스위칭 소자(SW2), 제4 스위칭 소자(SW4)를 흐르는 전류 패쓰가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 인덕터(L2)에 축적된 에너지가, 계통으로 출력될 수 있다.
즉, 도 12c의 (b)와 같이, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온되어, 충전 모드(charge mode)로서, 출력 전압 파형이 상승하고, 도 12c의 (c)와 같이, 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온되어, 방전 모드(discharge mode)로서, 출력 전압 파형이 하강할 수 있다.
도 13은, 듀얼 벅 변조(dual buck modulation) 방식에서의, 인버터(540) 동작을 위한, 제어부(550) 내부의 블록도를 도시한다.
제어부(550)는, 전압 변환부(1303), 전류 변환부(1305), 추정부(1310), 축변환부(1314), 축변환부(1312), 전압 지령 생성부(1320), 스위칭 제어 신호 출력부(1330)를 구비할 수 있다.
전압 변환부(1303)는, 인버터 출력 전압 검출부(F)로부터의 검출 전압(Vou)를, 2상 전압(Vds,Vqs)으로 변환할 수 있다.
전류 변환부(1305)는, 인버터 출력 전류 검출부(E)로부터의 검출 전류(Iou)를 2상 전류(Ids,Iqs)으로 변환할 수 있다.
추정부(1310)는, 전압 변환부(1303)로부터의 2상 전압(Vds,Vqs)에 기초하여 위상을 추정하고, 추정된 위상(
Figure 112017020557281-pat00001
)을 출력할 수 있다.
축변환부(1314)는, 전류 변환부(1305)로부터의 2상 전류(Ids,Iqs), 및 추정부(1310)로부터의 추정된 위상(
Figure 112017020557281-pat00002
)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2상 전류를 회전 좌표계 기반의 2상 전류(Idc,Iqc)로 변환한다.
전압 지령 생성부(1320)는, 회전 좌표계 기반의 2상 전류(Idc,Iqc), 전류 지령치(Idc_ref, Iqc_ref), 및 인덕턴스에 기초하여, 회전 좌표계 기반의 2상 전압 지령치(Vhdc,Vhqc)를 출력할 수 있다.
그리고, 축변환부(1312)는, 정부(131)로부터의 추정된 위상(
Figure 112017020557281-pat00003
)에 기초하여, 전압 지령 생성부(1320)로부터의 회전 좌표계 기반의 2상 전압 지령치(Vhdc,Vhqc)를, 정지 좌표계 기반의 2상 전압 지령치(Vhds)로 변환한다.
스위칭 제어 신호 출력부(1330)는, 정지 좌표계 기반의 2상 전압 지령치(Vhds)에 기반하여, 제1 내지 제4 스위칭 소자(SW1~SW4)의 게이트 단자에 입력될 수 있는 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
이에 따라, 인버터(540) 내의 제1 내지 제4 스위칭 소자(SW1~SW4)가, 스위칭 동작을 수행하게 된다. 특히, 듀얼 벅 변조(dual buck modulation) 방식에 기반하여, 스위칭 동작을 수행하게 된다.
도 14a 내지 도 14b는 도 6의 전력변환장치가 태양광 모듈에 장착되는 것을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 14a를 참조하면, 도 6의 전력변환장치(500)는, 태양광 모듈(50)의 배면 프레임(FRa~FRd) 중 상측 배면 프레임(FRa)에 배치될 수 있다.
특히, 도 6의 전력변환장치(500)는, 인터리브 방식이 아니므로, 트랜스포머(536)를 하나만 사용할 수 있다.
이에 따라, 전력변환장치(500) 내의 회로 소자 구성이 간단하게 되며, 도 5a와 같이, 2개의 트랜스포머를 사용하는 경우에 비해, 전력변환장치(500)의 부피가 작아지게 된다.
따라서, 도 3과 같이, 태양광 모듈(50)의 배면에, 별도의 정션 박스(200) 내에 전력변환장치(500)가 배치되지 않아도 된다.
결국, 도면과 같이, 태양광 모듈(50)의 배면 프레임(FRa~FRd) 중 상측 배면 프레임(FRa)에, 매립되거나, 부착되는 것이 가능하다.
구체적으로, 전력변환장치(500)의 양 측면에, 제1 케이블 접속부(CNA)와 제2 케이블 접속부(CNB)가, 배치되며, 제1 케이블 접속부(CNA), 제2 케이블 접속부(CNB), 및 전력변환장치(500)가, 하나의 모듈인 전력변환모듈(400)을 구성될 수 있다.
즉, 전력변환모듈(400)은, 제1 케이블 접속부(CNA), 제2 케이블 접속부(CNB), 전력변환장치(500)를 구비할 수 있다.
한편, 제1 케이블 접속부(CNA)와 제2 케이블 접속부(CNB)에 각각 교류 전원 케이블이 연장되며, 인접하는 태양광 모듈의 전력변환장치 등에 접속될 수 있다.
한편, 전력변환모듈(400)은, 태양광 모듈(50)의 배면 프레임(FRa~FRd) 중 상측 배면 프레임(FRa)에, 측면에서부터 슬라이딩 방식으로 결합되며, 스크류 등으로 개구부 등에 고정될 수 있다. 스크류 방식에 의한 결합에 대해, 도 14b를 참조하여 기술한다.
도 14b는, 태양광 모듈(50)의 측면도를 예시한다.
도면을 참조하면, 전력변환모듈(400)은, 상측 배면 프레임(FRa)에 착탈될 수 있다. 이를 위해, 상측 배면 프레임(FRa)에 형성된 개구부에, 결합부재(예를 들어, 스크류)가 결합될 수 있다.
도면에서는, 상측 배면 프레임(FRa)이, ㄱ 자 형상으로서, 서로 교차되는 제1 프레임(FRaa)와 제2 프레임(FRab)을 구비하는 것을 예시한다.
제1 프레임(FRaa)과 제2 프레임(FRab) 각각에, 복수의 개구부가 형성될 수 있으며, 각 개구부에, 복수의 스크류(Scpa,Scpb,Scpc,Scpd)가 체결될 수 있다.
복수의 스크류(Scpa,Scpb,Scpc,Scpd) 중 제1 및 제2 스크류(Scpa,Scpb)ㅇ,Scpc,Scpd)의 체결 방향과, 제3 및 제4 스크류(Scpc,Scpd)의 체결 방향이, 교차하므로, 체결력이 향상되어, 전력변환모듈(400)이, 상측 배면 프레임(FRa)에 견고하게 고정되게 된다.
도 15는 도 2의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 15을 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 전력변환장치, 및 이를 구비하는 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 (18)

  1. 입력되는 제1 직류 전원의 레벨을 변환하는 컨버터부;
    상기 컨버터부로부터의 제2 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부;
    상기 컨버터부와 상기 인버터부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터부는,
    서로 직렬 접속되는, 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 소자, 및 제2 스위칭 소자 중 상기 제2 스위칭 소자에, 하프 브릿지로 접속되는 트랜스포머;
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 사이에 접속되며, 상기 제1 직류 전원이 입력되는 제1 인덕터;
    상기 제1 스위칭 소자의 양단 사이에, 서로 직렬 접속되는 제2 인덕터와, 부스트 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    상기 트랜스포머의 출력측에, 하프 브릿지로 접속되는 제1 커패시터와, 제2 커패시터;
    상기 트랜스포머의 출력측과 상기 제1 커패시터 사이에 접속되는 제1 다이오드;
    상기 트랜스포머의 출력측과 상기 제2 커패시터 사이에 접속되는 제2 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    상기 제1 스위칭 소자, 및 상기 제1 인덕터를 이용하여, 부스트 컨버터로 동작시켜, 1차 부스팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 트랜스포머를 이용하여, 하프 브릿지 컨버터로 동작시켜, 2차 부스팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    상기 제1 커패시터와, 제2 커패시터, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드를 이용하여, 전압 더블러(doubler)로 동작시켜, 3차 부스팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컨버터부 내의,
    상기 제1 커패시터와, 제2 커패시터, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드는, 상기 트랜스포머의 출력측 전원을 정류하며, 상기 트랜스포머의 출력측 역전압을 반전시켜, 상기 3차 부스팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 사이와, 상기 제2 인덕터 사이에 접속되어, 직류 오프셋 제거를 위해 동작하는 블로킹 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    상기 제2 스위칭 소자와, 상기 트랜스포머의 입력측 사이에 접속되는 제3 인덕터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부 내의 상기 제2 인덕터는,
    상기 제1 스위칭 소자에 역전류가 흐르는 패쓰를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자는,
    상기 제1 인덕터에 흐르는 전류, 상기 제2 인덕터에 흐르는 전류, 및 상기 제3 인덕터에 흐르는 전류에 기초하여, 영전압 스위칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴 온시,
    상기 제2 인덕터에 흐르는 전류와, 상기 제3 인덕터에 흐르는 전류의 합은, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류 보다 큰 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴 온 이후, 상기 부스트 커패시터에 저장된 에너지가, 상기 트랜스포머의 출력측에 전달되고, 상기 블로킹 커패시터에 에너지가 저장되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자의 턴 온시, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류, 및 상기 블로킹 커패시터에 흐르는 전류에 기초하여, 영전압 스위칭이 수행되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자의 턴 온 이후, 상기 블로킹 커패시터에 저장된 에너지가, 상기 트랜스포머의 출력측에 전달되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력단에 접속되는 복수의 인덕터를 구비하는 필터부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 인버터부와 상기 필터부가, 듀얼 벅 변조 방식으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 복수의 태양 전지를 구비하는 태양전지 모듈;
    제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 전력변환장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
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