멀티레벨(Multi-level) 인버터 Topology / 대용량 전력변환 장치

1. 개발 배경

    자동차의 발명은 인간의 활동반경을 비약적으로 확장하여 수송체계의 혁신을 가져왔을 뿐만 아니라 인간에게 다양한 편의를 제공하였다. 이로 인해 현대사회에서 자동차의 수는 급증하였고, 석유를 원료로 사용하는 내연기관 자동차의 특성으로 인해 환경오염의 주범 중 하나라는 오명을 얻게 되었다. 환경은 오늘 날 주목하고 있는 이슈 중 하나로 여러 연구기관들과 기업들이 환경오염을 예방하고 환경을 보존하기 위한 다양한 활동들을 하고 있다. 자동차(Automotive) 분야에서도 오명을 벗기 위해 환경과 관련된 다양한 연구들이 진행되었는데 전기자동차, 수소자동차와 같은 친환경 자동차가 이러한 연구의 결과라고 볼 수 있다. 환경오염 물질을 배출하지 않는 전기와 수소를 원료를 사용함으로써 탈석유화에 성공한 자동차는 환경오염이라는 키워드에서 자유로워지는 듯 하였으나 새로운 의문이 제기되면서 발목을 붙잡혔다.
    "전기, 수소를 만드는 과정에서 환경오염 물질이 배출되지는 않는가?", 환경오염의 원인이라는 키워드를 털어내려고 하였던 자동차의 발목을 붙잡은 의문이다. 기존의 내연기관 자동차는 구동원이 엔진으로 석유를 태워 동력을 얻기 때문에 매연과 같은 환경오염 물질이 발생하게 된다. 그러나 친환경 자동차인 전기자동차는 전기를 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻기 때문에 오염물질을 배출하지 않는다. 수소자동차도 수소 발전이라는 단계만 추가되어 물(H2O)만 배출한다는 점만 제외하면 전기자동차와 동일하게 오염물질을 배출하지 않는다. 자동차라는 제품에서는 환경오염물질을 배출하지 않기 때문에 환경에 관한 책임에서 벗어나는 듯 하였으나, 시대가 바뀌면서 자동차는 제품을 벗어난 원료 생산 과정까지 책임의 영역이 확장되었다. 전기를 생산하는 방식이 화력, 원자력과 같이 오염물질을 생산하는 방식으로 얻는다면 오염물질 배출단계가 자동차 구동에서 원료 생산으로 옮겨간 것 뿐이니 조삼모사라는 이야기가 나오게 된 것이다. 이로 인해 자동차 영역의 여러 기업과 종사자들은 내연기관의 시대 때에 정유회사가 커버하던 원료 생산의 영역을 친환경 시대에서 눈돌릴 수 없게 된 것이다.
    풍력, 태양광 발전 방식과 같은 신재생 에너지는 앞서 말한 친환경 자동차 이전부터 주목받고 있었다. 다만 발전량의 항상성이 유지되지 못한다는 치명적인 단점으로 인해 주춤할 수 밖에 없었다. 태양광을 예로 들면 전기 사용량이 해가 떠있는 낮 시간과 다르지 않는 저녁시간(일몰 시간부터 수면시간 전까지) 때에는 해가 없기 때문에 전기는 소모되지만 생산되지 못한다. 해가 떠 있는 낮시간이라고 항상 발전이 이루어지는 것도 아니다. 구름 낀 날씨 또는 비가 오는 날씨는 맑은 날씨 대비 발전량이 적을 것이라는 점은 쉽게 생각할 수 있다. 이러한 점으로 인해 전세계적의 발전량을 살펴보면 아직 신재생에너지 발전방식이 차지하는 비율은 그리 크다고 말할 순 없다. 그러나 이전에 비해 신재생에너지 발전 비율이 증가하는 추세인 것은 사실이며, 단점을 극복하기 위한 방안들이 연구되고 제안되었다. 그 중 하나가 발전량이 많을 때 생산한 전력을 저장 후 부족할 때 저장분을 통해 부족분을 충당하자는 개념인 ESS (Energy Storage System)이다. ESS는 쉽게 말해 거대한 배터리(Battery)라고 할 수 있다. 그렇기 때문에 전력사용을 위해 계통(Grid)에 연결하려면 인버터가 필요하지만 기존의 2-level Topology는 부족한 전력반도체 스위치의 전압 및 전류 스펙, 전류 리플 및 THD 특성 등과 같은 다양한 이유로 인해 적용에 한계가 존재하였고, 이로인해 제안된 Topology가 멀티레벨(multi-level) Topology 이다.
 

2. 직렬 연결형 2-level 인버터 Topology

    인버터 Topology 중 우리가 흔히 아는 Topology는 2개의 전력반도체 스위치가 직렬로 연결되어 한 상을 구성하는 2-level 인버터 Topology이다. 이러한 구조에서는 전력반도체 스위치에 Vin 전압이 인가되기 때문에 시스템 설계 시 Margin 값을 고려하여 전력반도체 스위치의 내압이 Vin 보다 큰 스펙의 소자를 선정하여야 한다. 그러나 ESS와 같은 HV (High Voltage)의 영역은 약 100kV 이상이지만 현존하는 전력반도체 스위치는 100kV의 내압을 견딜 수 있는 제품이 존재하지 않기 때문에 2-level 인버터 Topology는 HV 시스템에 적용이 불가하다.
    전기 시스템에서 직렬(Series) 연결 시 전압이 분배되고 병렬(Parallel) 연결 시 전류가 분배되는 것은 알고 있을 것이다. 그렇기 때문에 하나의 전력반도체 스위치로 전압을 견딜 수 없다면 우측 그림과 같이 n개의 전력반도체 스위치를 직렬로 연결하면 부족한 내압 스펙 문제 해결이 가능하다. 직렬연결 시 하나의 전력반도체 스위치에 인가되는 전압의 크기가 'Vin / n' 이 되기 때문이다. 그러나 직렬 연결형 2-level 인버터 Topology는 n개의 전력반도체 스위치가 동시에 Turn-On 되고 Turn-Off 되지 않을 경우 일부 전력반도체 스위치에 과전압이 인가될 수 있는 단점이 존재한다. 뿐만 아니라 AC 출력단에 인가되는 입력전압이 크기 때문에 전류리플이 크게되고 전류리플을 저감하기 위해서는 인덕턴스가 큰 필터 인덕터를 사용해야하는 단점까지 존재하게 된다. 이러한 이유들로 인해 직렬연결형 2-level 인버터 Topology는 대용량 Application 적용에 한계가 있다는 것이 대중적인 의견이다.
 

3. 3-level 인버터 Topology

    기존 2-level 인버터 Topology 및 직렬 연결형 2-level 인버터 Topology의 단점 중 하나는 AC 출력 측에 인가되는 전압, 필터 인덕터에 인가되는 전압의 레벨이 '+Vin / 2 ', '- Vin / 2'이기 때문에 전류의 기울기(변화량)가 급격한 점이다. 전류의 기울기가 급격할 경우에는 전류리플이 커지기 때문에 필터 인덕터의 인덕턴스나 스위칭 주파수(fsw)를 증가시켜야 하는 상황을 야기 할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 제안된 Topology가 3-level Topology이다. 3-level Topology는 2-level Topology와 달리 '0 (Zero)' Voltage를 출력하여 AC 출력 측 또는 필터 인덕터에 인가되는 전압이 '+ Vin / 2', '0', '- Vin / 2' 3가지 level 이다. 인가되는 전압의 level의 종류가 다양해지면 전류의 기울기를 조절할수 있게 되는데 이는 곧 전류리플을 저감할 수 있으며 THD를 향상시킬 수 있는 장점으로 이어지게 된다. 그러나 100kV 이상의 HV (High Voltage) 영역에서 사용하기에는 전력반도체 스위치 소자의 스펙과 전류리플 등의 한계가 여전히 존재한다.
 

4. Multi-level 인버터 Topology

    윗 단락에서 살펴본 3-level 인버터 Topology도 일종의 Multi-level 이라고 할 수 있지만 3-level 인버터 Topology는 구조상 3-level 이상의 전압을 출력측에 인가할 수 없다. 본 포스팅에서 계속해서 언급하고 있는 대용량 수준인 HV 영역은 일반 가정 등에서 사용하기 어려운 수준이기 때문에 주로 적용되는 영역은 발전소 또는 산업용일 것이다. 그렇기 때문에 대부분의 HV 시스템에 적용되는 대용량 인버터 Topology는 계통에 연계되어야 하지만 3-level Topology 만으로는 계통 연계 조건인 THD를 만족하기 위해서 매우 빠른 스위칭 주파수를 갖거나 매우 큰 인덕턴스를 갖는 필터 인덕터를 사용해야만한다. 스위칭 주파수가 클 경우에는 손실이 증가하여 열이 발생하기 때문에 저효율의 문제도 있지만 방열 대책을 세워야 한다는 단점을 야기하며, 인덕턴스가 큰 인덕터는 부피가 증가하게 되는데 이는 시스템 밀도 및 경제적인 측면에서 단점을 불러일으킬 뿐만 아니라 HV 영역에 사용하기 위한 인덕터라면 제조성 측면에서도 어려움이 발생 할 수 있다.

  Mutil-level 인버터 Topology란 Topology 구성에 따라 N 개의 전압 Level을 출력할 수 있는 Topology를 말한다. 좌측의 그림은 대표적인 Multi-level 인버터 Topology 중 하나인 Cascaded H-bridge Multi-level Inverter (CHMI) topology 이다. 한 상은 n개의 Full-bridge 인버터가 직렬로 연결되어 구성되는데, 연결된 Full-bridge 인버터의 수로 Topology가 출력할 수 있는 전압 Level의 갯수가 결정된다. CHMI는 Full-bridge 인버터가 각각 독립된 직류 전원으로 구성되어야 하는 특성을 가지고 있다.

  우측의 Topology는 또다른 Multi-level 인버터 Topology 중 하나인 Moduler Multi-level Converter (MMC) Topology 이다. MMC는 n개의 모듈이 직렬연결되어 총 2n개의 모듈들이 한 상을 구성하는 구조를 갖는다. 우측의 그림에서는 2개의 전력반도체 스위치와 1개의 Capacitor가 1개로 만든 Half-bridge 모듈로 구성된 MMC를 도시하였으나, MMC는 매우 다양한 모듈을 가진다는 특성을 가지고 있다.
    이러한 Multi-level 인버터 Topology는 전력반도체 스위치를 비롯한 다수의 구성 요소들로 이루어져있기 때문에 제어가 복잡할 뿐만 아니라 고장 요소들이 증가하기 때문에 고장 확률 또한 증가하게 된다.
 

5. 맺음

    본 포스팅의 서두에서 대용량 전력변환장치의 개발 배경 및 Application을 ESS로 언급하였지만 전기시스템의 대용량화는 전기 부하 및 사용량 증가 등으로 인해 다양한 분야에서 요구받고 있는 중이다. 특히 기술의 발전으로 인한 DC 송/배전의 장점이 부각되어 주목받고 있는 HVDC, MVDC 송/배전 그리고 친환경 자동차로 인한 배터리 대용량화 및 급속 충전 등이 대용량화를 특히 더 요구받는 분야라고 할 수 있다. 현재 이러한 요구로 인해 기존 Si(실리콘) 기반의 전력반도체 스위치에서 더 빠른 스위칭 주파수로 동작할 수 있고, 더 큰 전력을 소화할 수 있는 SiC (실리콘-카바이드) 및 GaN 기반의 전력반도체 스위치가 개발되면서 2-level, 3-level Topology 들이 소화할 수 있는 영역이 확장되고 있지만 아직 HV 영역까지 커버하기에는 한계가 있기 때문에 Multi-level Topology 에 대한 필요성은 여전히 존재할 것이라고 판단된다.