전해 커패시터 없는 PV 마이크로인버터를 위한 고효율·고승압 DC-DC 컨버터에 대한 연구 = A Study on a High-Efficiency, High Step-Up DC-DC Converter for Electrolytic-Capacitor-Free PV Microinverters

국문 초록 (Abstract)

최근 지구 온난화 등의 기후 변화로 인한 혹한 및 폭염 등 이상 기후 현상 증대에 따라 발생하는 전력 수급 문제와 이로 인한 대규모 정전 사태 발생에 대한 우려가 커지고 있다. 기후 위기 대응과 함께 에너지 부족 문제를 해결하기 위해 세계적으로 태양광, 풍력, 연료전지와 같은 신재생 에너지에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 태양광 패널별 독립적으로 동작하는 태양광 마이크로인버터가 특히 주목받고 있다.
하지만 태양광 발전 시스템의 경우 몇 가지 문제점이 존재한다. 첫 번째로 태양광 패널의 저전압 고전류 발전 특성 때문에 출력 전압이 낮은 단점이 있어 계통연계 인버터로 동작하기 위해서는 고승압 컨버터가 필수적이다. 두 번째로 태양광 패널은 직류 전력을 발생시키는데 인버터를 통한 계통의 교류 전력의 영향을 받게 되면 최대 전력 추종 제어가 어려워지고 발전 전력 저하 등의 문제가 발생할 수 있어 패널의 직류 전력과 계통의 교류 전력 사이의 전력 흐름을 분리하는 직류 교류 전력 디커플링이 중요하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 임계 모드로 동작하는 인터리브드 부스트 컨버터에 전압 배율기 방식의 커패시터를 추가한 회로를 제안한다. 제안 회로는 임계 모드로 동작하여 대용량 전해 커패시터나 추가적인 능동 전력 디커플링 회로를 사용하지 않고 소용량 필름 커패시터로도 계통의 120Hz 교류 전력을 최소화 할 수 있다. 또한, 두 스위치가 인터리브드 방식으로 구동되며 전압 배율기 방식의 커패시터를 추가했기 때문에 높은 승압비와 전류 리플 저감이 가능할 뿐만 아니라 스위치와 다이오드와 같은 능동소자에 걸리는 전압 스트레스를 줄여 컨버터의 효율을 증대시키는 이점이 있다. 단일 부스트 컨버터에서 인덕터 전류 구동 방식에 따른 수동 전력 디커플링에 대하여 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증하였다. 또한, 고승압 달성을 위한 기존의 승압형 전력 변환 회로들의 특징을 분석하고 병렬연결형 구조의 전력 변환 회로를 제안하여 이론적 분석과 시뮬레이션, 프로토타입 제작과 실험을 통해 제안 인터리브드 부스트 컨버터의 동작과 타당성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, concerns about disruptions in electricity supply and demand and massive power outages due to abnormal climate phenomena such as extreme cold and heat waves caused by climate change such as global warming are growing. In order to cope with the climate crisis and solve the energy shortage, many studies are being conducted on new and renewable energy such as solar, wind, and fuel cells around the world. Among them, solar microinverters, which operate independently for each solar panel, are attracting particular attention.
However, the photovoltaic power generation system has some problems. First, a high-boost converter is essential to operate as a grid-connected inverter because the output voltage is low due to the low voltage and high current generation characteristics of the photovoltaic panels. Second, solar panels generate DC power, and it is important to separate the DC power flow between the DC power of the panel and the AC power of the system because it is difficult to follow the maximum power when affected by the inverter and can cause problems such as power reduction.
To address this issue, this paper proposes a circuit that adds a voltage magnifier type capacitor to an interleaved boost converter operating in a critical mode. The proposed circuit can minimize the 120Hz AC power of the system even with a small-capacity film capacitor without the use of a large-capacity electrolytic capacitor or an additional active power decoupling circuit by operating in a critical mode. In addition, since the two switches are driven in an interleaved manner and a voltage magnifier type capacitor is added, not only can a high boosting ratio and a current ripple be reduced, but also the efficiency of the boost converter can be increased by reducing the voltage stress applied to active devices such as switches and diodes. The manual power decoupling according to the inductor current driving method in a single boost converter was verified through theoretical analysis and simulation. In addition, the characteristics of the existing boost-type power conversion circuits to achieve high boosting were analyzed and a parallel-connected power conversion circuit was proposed to verify the operation and validity of the proposed interleaved boost converter through theoretical analysis, simulation, and prototype experiments.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 개요 5
• Ⅱ. AC-DC 전력 디커플링 6
• 2.1. Two-Stage PV 마이크로인버터 구성 6
• 2.2. 수동 전력 디커플링 7
• 2.2.1. 전력 디커플링 동작 원리 및 해석 8
• 2.3. 소용량 필름 커패시터 기반의 전력 디커플링 11
• 2.3.1. 연속 전도 모드에서의 전력 디커플링 12
• 2.3.2. 불연속 전도 모드에서의 전력 디커플링 14
• 2.3.3. 임계 전도 모드에서의 전력 디커플링 16
• Ⅲ. 승압형 구조의 DC-DC 컨버터 18
• 3.1. Two-Stage 마이크로인버터의 DC-DC 컨버터 고려사항 18
• 3.2. 부스트 컨버터의 특성 19
• 3.3. 캐스케이드 부스트 컨버터의 특성 21
• 3.4. 쿼드라틱 부스트 컨버터의 특성 23
• 3.5. 스위치드 인덕터 부스트 컨버터의 특성 25
• 3.6. 인터리브드 부스트 컨버터의 특성 27
• Ⅳ. 제안된 병렬 연결형 구조의 부스트 컨버터 30
• 4.1. 제안된 인터리브드 부스트 컨버터의 특성 30
• 4.1.1. D > 0.5 조건에서 모드 별 동작 원리 및 해석 31
• 4.1.2. D > 0.5 조건에서 정상상태 해석 36
• 4.1.3. D < 0.5 조건에서 모드 별 동작 원리 및 해석 38
• 4.1.4. D < 0.5 조건에서 정상상태 해석 43
• 4.2. 전압이득 및 반도체 소자의 전압 스트레스 45
• 4.3. 제안 인터리브드 부스트 컨버터 설계 47
• 4.3.1. 인덕터 설계 48
• 4.3.2. 커패시터 설계 49
• 4.4. 제안 인터리브드 부스트 컨버터 손실 분석 51
• 4.4.1. 스위치 손실 분석 51
• 4.4.2. 다이오드 손실 분석 52
• 4.4.3. 인덕터 손실 분석 53
• 4.4.4. 커패시터 손실 분석 55
• 4.4.5. 제안 회로의 이론적 손실 및 효율 56
• 4.5. 제안 인터리브드 부스트 컨버터 회로 실험 57
• 4.5.1. 모의실험 결과 58
• 4.5.2. 프로토타입 구성 및 실험 결과 66
• Ⅴ. 결론 73
• Ⅵ. 향후 계획 74
• 참고 문헌 75
• Abstract 77