KR20210025164A - 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템 - Google Patents

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KR20210025164A
KR20210025164A KR1020190104658A KR20190104658A KR20210025164A KR 20210025164 A KR20210025164 A KR 20210025164A KR 1020190104658 A KR1020190104658 A KR 1020190104658A KR 20190104658 A KR20190104658 A KR 20190104658A KR 20210025164 A KR20210025164 A KR 20210025164A
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주동명
박준성
김진홍
현병조
노용수
최준혁
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한국전자기술연구원
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Abstract

본 발명은 태양광 인버터 시스템은 태양전지모듈, 상기 태양전지모듈에 연결되며 부트스트랩 회로를 포함하는 전력변환부, 상기 전력변환부에 연결되며, 상기 전력변환부에 포함된 컨버터부 커패시터의 전압이 계통측 전압 이상일 경우 턴-온되는 릴레이, 상기 릴레이에 연결되는 전원부, 상기 전력변환부에 포함된 복수의 스위치들을 제어하는 스위치 제어부를 포함하고, 상기 전력변환부에 포함된 복수의 스위치들의 게이트 단자는 상기 스위치 제어부와 하나의 전력 공급 노드를 통하여 연결되는 태양광 인버터 시스템을 개시한다.

Description

부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템{System for solar inverter including bootstrap circuit}
본 발명은 태양광 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템에 관한 것이다.
기존 태양광 인버터는 내부 전력반도체 스위치(IGBT 또는 MOS-FET)들을 구동하기 위한 구동 전원을 SMPS(Switched-Mode Power Supply)를 통하여 각각의 전력반도체 개수만큼의 절연 전원을 사용하고 있다. 이와 같은 구성은 안정적인 전원 공급이 가능하지만 가격경쟁이 심화되고 있는 가정용 태양광 인버터에서 전력밀도를 높이고 가격을 낮추는데 한계가 있다.
본 발명은 부트스트랩 회로를 적용한 태양광 인버터에서, 레그로 구성된 전력반도체 스위치의 윗상 스위치 전원으로 절연 전원을 사용하지 않고 1개의 전원으로 복수의 전력반도체 스위치의 전원을 공급하여 태양광 인버터의 전력밀도를 높일 수 있는 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템은 태양전지모듈, 상기 태양전지모듈에 연결되며 부트스트랩 회로를 포함하는 전력변환부, 상기 전력변환부에 연결되며, 상기 전력변환부에 포함된 컨버터부 커패시터의 전압이 계통측 전압 이상일 경우 턴-온되는 릴레이, 상기 릴레이에 연결되는 전원부, 상기 전력변환부에 포함된 복수의 스위치들을 제어하는 스위치 제어부를 포함하고, 상기 전력변환부에 포함된 복수의 스위치들의 게이트 단자는 상기 스위치 제어부와 하나의 전력 공급 노드를 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 전력변환부는 상기 릴레이에 연결되는 인버터, 상기 인버터에 연결되는 컨버터부 커패시터, 상기 컨버터부 커패시터와 상기 태양전지모듈 사이에 연결되는 부트스트랩 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터는 상기 컨버터부 커패시터에 병렬로 연결되면서 서로 간에 직렬로 연결되는 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치, 상기 제1 제어 스위치 및 상기 제2 제어 스위치에 병렬로 연결되면서 서로 간에 직렬로 연결되는 제3 제어 스위치 및 제4 제어 스위치를 포함하고, 상기 릴레이의 일단은 상기 제1 제어 스위치 및 상기 제2 제어 스위치 사이에 연결되고, 상기 릴레이의 타단은 상기 제3 제어 스위치 및 상기 제4 제어 스위치 사이에 연결되며, 상기 전력변환부는 상기 부트스트랩 회로와 상기 컨버터부 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 제5 제어 스위치 및 상기 부트스트랩 회로와 상기 컨버터부 커패시터 사이에 병렬로 연결되는 제6 제어 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 부트스트랩 회로는 상기 태양전지 모듈과 직렬로 연결되는 다이오드, 상기 다이오드에 병렬로 연결되는 링크 커패시터를 포함하고, 상기 전력변환부는 상기 태양전지모듈과 상기 다이오드 사이에 병렬로 연결되는 제7 제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력변환부에서, 상기 제1 제어 스위치, 상기 제3 제어 스위치, 상기 제5 제어 스위치는 윗단(또는 윗상)에 배치되고, 상기 제2 제어 스위치, 상기 제4 제어 스위치, 상기 제6 제어 스위치는 상기 윗단과 쌍을 형성하며 아랫단(또는 아랫상)에 배치되며, 상기 전력변환부는 상기 제1 제어 스위치와 연결되는 제1 제어 라인에 직렬로 연결되는 제1 지연 소자, 상기 제3 제어 스위치와 연결되는 제3 제어 라인에 직렬로 연결되는 제3 지연 소자, 상기 제5 제어 스위치와 연결되는 제5 제어 라인에 직렬로 연결되는 제5 지연 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 제어부는 상기 태양전지모듈의 출력 전압이 기 설정된 저전압 보호 값 이상이 되면, 상기 제7 제어 스위치를 제어하여 상기 링크 커패시터를 지정된 제1 충전 전압까지 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 제어부는 상기 링크 커패시터가 제1 충전 전압까지 충전되면, 상기 스위치들을 제어하여 상기 컨버터부 커패시터 전압을 상기 릴레이와 연결되는 계통 측 전압의 피크 값 이상이 되도록 충전 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 제어부는 상기 컨버터부 커패시터 전압이 상기 계통 측 전압의 피크 값 이상이 되는 경우 상기 릴레이를 턴-온하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터에 따르면, 본 발명은 태양광 인버터의 전력반도체 스위치 구동전원을 1개의 전원으로 대체하여 태양광 인버터의 출력밀도 향상과 가격을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템 구조의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 인버터 시스템의 부트스트랩 동작을 설명하는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 인버터 시스템 구조의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 인버터 시스템(10)은 태양전지모듈(100), 전력변환부(300), 스위치 제어부(200), 복수의 스위치 배선들(SL1, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6, SL7), 릴레이(MC1) 및 전원부(400)를 포함할 수 있다.
상기 태양전지모듈(100)은 태양광에 따른 전력을 생산할 수 있다. 상기 태양전지모듈(100)은 태양 전지 스트링이 복수개가 직병렬로 나열될 수 있다. 태양전지모듈(100)에서 생산된 전력은 전력변환부(300) 및 릴레이(MC1)를 통해 전원부(400)에 공급될 수 있다.
상기 전력변환부(300)는 상기 태양전지모듈(100)이 전달한 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있다. 이러한 전력변환부(300)는 부트스트랩 회로 및 인버터를 포함하고, 스위치 제어부(200) 제어에 따라 태양전지모듈(100)에서 전달된 전력의 전압을 기준치 이상이 되도록 변환할 수 있다. 상기 전력변환부(300)에서 변환된 전력을 릴레이(MC1)를 통해 전원부(400)에 공급될 수 있다.
이러한 전력변환부(300)는 태양전지모듈(100)의 양극단자와 직렬로 연결되는 제1 인덕터(L1), 상기 제1 인덕터(L1)와 직렬로 연결되는 다이오드(D1), 상기 제1 인덕터(L1)와 상기 다이오드(D1) 사이에 병렬로 연결되는 제7 제어 스위치(S7), 상기 다이오드(D1)와 직렬로 연결되는 제5 제어 스위치(S5), 상기 다이오드와 상기 제5 제어 스위치(S5) 사이에 연결되는 제1 커패시터(C1)(예: dc-link 커패시터 또는 링크 커패시터), 상기 제5 제어 스위치(S5)의 출력단(예: 드레인 단자)에 직렬로 연결되는 제2 인덕터(L2), 상기 제5 제어 스위치(S5)와 상기 제2 인덕터(L2) 사이에 병렬로 연결되는 제6 제어 스위치(S6), 상기 제2 인덕터(L2)에 병렬로 연결되는 제2 커패시터(C2)(예: Buck 커패시터, 컨버터부 커패시터), 상기 제2 커패시터(C2)에 병렬로 연결되며 서로 직렬로 연결되는 제1 제어 스위치(S1) 및 제2 제어 스위치(S2), 상기 제1 제어 스위치(S1) 및 제2 제어 스위치(S2)에 병렬로 연결되며 서로 직렬로 연결되는 제3 제어 스위치(S3) 및 제4 제어 스위치(S4), 상기 제1 제어 스위치(S1)와 상기 제2 제어 스위치(S2) 사이의 노드와 상기 제3 제어 스위치(S3)와 상기 제4 제어 스위치 사이의 노드에 연결되는 릴레이(MC1), 상기 릴레이(MC1)에 연결되는 전원부(400)를 포함할 수 있다.
상기 다이오드(D1) 및 제1 커패시터(C1)는 부트스트랩 회로를 구성하며, 상기 제1 제어 스위치 내지 제4 제어 스위치들(S1, S2, S3, S4)은 인버터 회로를 구성할 수 있다. 상기 인버터 회로에 의해 직류 신호가 교류 신호로 변환되데, 상기 제1 커패시터(C1)의 전압이 지정된 크기 이상의 전압(예: 계통 전압의 피크 값 이상의 전압)을 가질 때 상기 릴레이(MC1)가 작동하여 지정된 크기 이상의 전압을 가지는 전력이 전원부(400)에 공급될 수 있다.
상기 스위치 제어부(200)는 하나의 전원 공급 라인을 통하여 복수 개의 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7)을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 스위치 제어부(200)와 제1 제어 스위치(S1) 사이에는 제1 제어 라인(SL1)이 배치되고, 스위치 제어부(200)와 제2 제어 스위치(S2) 사이에는 제2 제어 라인(SL2)이 배치되며, 스위치 제어부(200)와 제3 제어 스위치(S3) 사이에는 제3 제어 라인(SL3)이 배치되고, 스위치 제어부(200)와 제4 제어 스위치(S4) 사이에는 제4 제어 라인(SL4)이 배치될 수 있다. 상기 제1 제어 라인 내지 제4 제어 라인들(SL1, SL2, SL3, SL4)은 하나의 노드(N1)에 연결되어 분화될 수 있다. 상기 스위치 제어부(200)와 제5 제어 스위치(S5) 사이에는 제5 제어 라인(SL5)이 배치되고, 스위치 제어부(200)와 제6 제어 스위치(S6) 사이에는 제6 제어 라인(SL6)이 배치되며, 스위치 제어부(200)와 제7 제어 스위치(S7) 사이에는 제7 제어 라인(SL7)이 배치될 수 있다. 상기 제5 내지 제7 제어 라인들(SL5, SL6, SL7)은 하나의 노드(N1)에 연결되며, 상기 제5 내지 제7 제어 라인들(SL5, SL6, SL7)은 상기 제1 내지 제4 제어 라인들(SL1, SL2, SL3, SL4)과 동일한 노드(N1)에 연결될 수 있다. 상기 제1 제어 라인(SL1)에 직렬로 제1 지연 소자(SD1)가 연결되고, 제3 제어 라인(SL3)에는 상기 제1 지연 소자(SD1)와 동일한 형태의 제3 지연 소자(SD3)가 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제5 제어 라인(SL5) 상에도 제5 지연 소자(SD5)가 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 지연 소자(SD1), 제3 지연 소자(SD3) 및 제5 지연 소자(SD5)는 다이오드 형태로 구성될 수 있다. 상기 지연 소자들(SD1, SD3, SD5)은 스위치 제어부(200)에 공급되는 전원을 지연시켜 스위치들에 전달할 수 있다. 이에 따라, 윗단 스위치들(S1, S3, S5)과 아랫단 스위치들(S2, S4, S6)이 서로 다른 전원이 공급되도록 제어할 수 있다.
상기 스위치 제어부(200)는 상기 노드(N1)와 연결되는 하나의 전원 공급 라인을 통하여 상기 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7)을 제어하고, 이에 따라, 전력 밀도를 높게 유지할 수 있다.
상술한 태양광 인버터 시스템(10)에서 윗단 스위치들(예: 제5 제어 스위치(S5), 제1 제어 스위치(S1), 제3 제어 스위치(S3)) 각각은 아랫단 스위치들(예: 제6 제어 스위치(S6), 제2 제어 스위치(S2) 및 제4 제어 스위치(S4))과 쌍을 이루도록 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 인버터 시스템의 부트스트랩 동작에 따른 커패시터 충전을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 아랫단 스위치들이 턴-온되는 동안 윗단 스위치들의 게이트 드라이버에 연결된 제1 커패시터(C1)에 태양전지모듈(100)에서 수집된 전력이 공급되어 전압이 형성된다. 예를 들어, 전원 공급부(101)(예: 도 1의 태양전지모듈(100))로부터 전원이 공급되는 동안, 제2 제어 스위치(S2)가 도시된 바와 같이 지정된 PWM(Power Width Modulation) ratio에 따라 턴-온되는 경우, 제1 커패시터(C1)에는 전압이 누적 충전될 수 있다.
이러한 구조의 태양광 인버터 시스템(10)에서는, 돌입 전류 방지 및 전력반도체 소자의 보호를 위해 계통 측 릴레이(MC1)를 턴-온하기 전에 전력변환부(300)에 존재하는 커패시터들(C1, C2)의 전압(예: Vdc-link 및 VBuck)을 계통 전압 이상으로 확보할 수 있다.
상기 릴레이(MC1)는 스위치 제어부(200)의 제어에 따라 제2 커패시터(C2)의 전압이 지정된 전압(예: 계통 전압의 피크 전압 이상의 전압)이 될 때, 턴-온될 수 있다. 이와 관련하여, 다른 예로서, 상기 릴레이(MC1)는 상기 제2 커패시터(C2)의 전압을 검출하는 제2 전압 검출 회로와 연결되고, 상기 제2 전압 검출 회로가 상기 제2 커패시터(C2)의 전압이 지정된 전압으로 충전될 때 전달하는 신호에 따라 턴-온될 수도 있다.
기존 태양광 인버터의 전력반도체 스위치 구동을 위해 게이트 드라이버에 전원 공급이 필요하며, 같은 Emitter(IGBT의 경우) 또는 Source(MOSFET 또는 SiC MOSFET의 경우)를 공유하는 기존 태양광 인버터는 (S2, S4, S6, S7)의 그룹, S5, S1 및 S3에 각각 절연 전원 공급이 필요할 수 있다. 이와 같은 종래 태양광 인버터 구성은 전력반도체 스위치의 각 게이트 드라이버 별로 안정적인 전압 공급이 가능하지만 상대적으로 고가의 소형(1~2W) 스위치 제어부(SMPS)가 필요하므로 가격을 낮추는데 한계가 있으며 전력밀도에서도 불리하다.
반면 본 발명의 부트스트랩 회로를 포함하는 태양광 인버터 시스템(10)은 Bootstrap 회로를 적용하여 하나의 전원으로 모든 스위치의 전원 공급이 가능하다. 윗단 스위치들(S5, S1, S3)은 각각의 아랫단 스위치들(S6, S2, S4)과 쌍(pair)을 이루고 있으며 아랫단 스위치의 Turn-on 시간 동안 윗단 스위치 게이트 드라이버에 연결된 커패시터에 전압이 충전된다. 각 전력반도체(예: 스위치들)에 이종(異種)의 스위치가 사용 된 경우 하나의 전원을 더 추가해서 게이트 드라이버의 공급 전압을 다르게 할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10: 태양광 인버터 시스템
100: 태양전지모듈
101: 전원 공급부
200: 스위치 제어부
300: 전력 변환부
400: 전원부
L1, L2: 인덕터
C1, C2: 커패시터
D1: 다이오드
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7: 제어 스위치
SL1, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6, SL7: 제어 라인
SD1, SD3, SD5: 지연 소자

Claims (8)

  1. 태양전지모듈;
    상기 태양전지모듈에 연결되며 부트스트랩 회로를 포함하는 전력변환부;
    상기 전력변환부에 연결되며, 상기 전력변환부에 포함된 컨버터부 커패시터의 전압이 계통측 전압 이상일 경우 턴-온되는 릴레이;
    상기 릴레이에 연결되는 전원부;
    상기 전력변환부에 포함된 복수의 스위치들을 제어하는 스위치 제어부;를 포함하고,
    상기 전력변환부에 포함된 복수의 스위치들의 게이트 단자는 상기 스위치 제어부와 하나의 전력 공급 노드를 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환부는
    상기 릴레이에 연결되는 인버터;
    상기 인버터에 연결되는 컨버터부 커패시터;
    상기 컨버터부 커패시터와 상기 태양전지모듈 사이에 연결되는 부트스트랩 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터는
    상기 컨버터부 커패시터에 병렬로 연결되면서 서로 간에 직렬로 연결되는 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치;
    상기 제1 제어 스위치 및 상기 제2 제어 스위치에 병렬로 연결되면서 서로 간에 직렬로 연결되는 제3 제어 스위치 및 제4 제어 스위치;를 포함하고,
    상기 릴레이의 일단은
    상기 제1 제어 스위치 및 상기 제2 제어 스위치 사이에 연결되고,
    상기 릴레이의 타단은
    상기 제3 제어 스위치 및 상기 제4 제어 스위치 사이에 연결되며,
    상기 전력변환부는
    상기 부트스트랩 회로와 상기 컨버터부 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 제5 제어 스위치; 및
    상기 부트스트랩 회로와 상기 컨버터부 커패시터 사이에 병렬로 연결되는 제6 제어 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부트스트랩 회로는
    상기 태양전지 모듈과 직렬로 연결되는 다이오드;
    상기 다이오드에 병렬로 연결되는 링크 커패시터;를 포함하고,
    상기 전력변환부는
    상기 태양전지모듈과 상기 다이오드 사이에 병렬로 연결되는 제7 제어 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 제어 스위치, 상기 제3 제어 스위치, 상기 제5 제어 스위치는 윗단에 배치되고,
    상기 제2 제어 스위치, 상기 제4 제어 스위치, 상기 제6 제어 스위치는 상기 윗단과 쌍을 형성하며 아랫단에 배치되며,
    상기 전력변환부는
    상기 제1 제어 스위치와 연결되는 제1 제어 라인에 직렬로 연결되는 제1 지연 소자;
    상기 제3 제어 스위치와 연결되는 제3 제어 라인에 직렬로 연결되는 제3 지연 소자;
    상기 제5 제어 스위치와 연결되는 제5 제어 라인에 직렬로 연결되는 제5 지연 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 태양전지모듈의 출력 전압이 기 설정된 저전압 보호 값 이상이 되면, 상기 제7 제어 스위치를 제어하여 상기 링크 커패시터를 지정된 제1 충전 전압까지 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 링크 커패시터가 제1 충전 전압까지 충전되면, 상기 스위치들을 제어하여 상기 컨버터부 커패시터 전압을 상기 릴레이와 연결되는 계통 측 전압의 피크 값 이상이 되도록 충전 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 컨버터부 커패시터 전압이 상기 계통 측 전압의 피크 값 이상이 되는 경우 상기 릴레이를 턴-온하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
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