질화갈륨 전계효과 트랜지스터를 이용한 고주파 독립형 태양광 인버터에 관한 연구 = A study on a high frequency stand-alone photovoltaic inverter using GaN FET

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 독립형 태양광 인버터의 고주파 화를 통한 소형화를 위하여 인버터의 스위치에 고성능 반도체인 GaN FET를 적용함으로써 고주파 화는 물론 고효율 화 까지 달성할 있다는 점을 입증한 연구이다.
WBG(wide band gap)을 기반으로 한 GaN　FET는 기존의 Si MOSFET와 비교했을 때 밴드갭, 절연파괴전계, 전자포화속도 및 열전도 등의 특성이 매우 우수하여, 전력변환 회로의 스위치에 적용할 경우 고주파 화를 통한 소형화를 달성함과 동시에 고효율을 추구할 수 있다.
독립형 태양광 인버터는 크게 태양전지로부터 얻는 직류전압을 높은 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터와 이 직류 전압을 220V의 교류전압으로 변환하는 DC-AC 컨버터의 2단으로 구성된다. DC-DC 컨버터는 상수(phase number)와 동일한 복수개의 스위치를 사용함으로써 입출력 커패시터의 리플저감을 통한 소형화, 고효율, 그리고 부하변화에 대한 과도특성의 개선이라는 장점을 갖는 1kW급(400V/2.6A) 3상 인터리브(interleave) DC-DC 컨버터로 선정하였다. 이 3상 인터리브 boost 컨버터의 스위치에 GaN FET (TPH3212PS)를 적용함으로써 기존의 태양광 인버터의 DC-DC 컨버터 단의 스위칭 주파수 30kHz 보다 10배 높은 300kHz의 고주파를 달성할 수 있었다. 또한 동시에 효율도 96.21%의 고효율을 달성하였다. DC-AC 단은 기존의 H-브리지 타입의 인버터와 비교하여 스위치의 암 단락(arm short)을 구조적으로 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 DC-AC 컨버터인 1kW급(220VAC/4.5A) 듀얼 벅 인버터를 선정하였다. 이 듀얼 벅 인버터의 스위치에도 GaN FET (TPH3212PS)를 적용함으로써 이 역시 기존의 DC-AC 컨버터의 스위칭 주파수 30kHz에 비해 10배의 고주파인 300kHz의 고주파 화를 달성할 수 있었다. 또한 최대 효율도 96.93%의 고효율을 달성하였다.
최종적으로 지금까지 선정한 DC-DC 컨버터 및 DC-AC 컨버터를 통합하여 고성능 반도체 스위치인 GaN FET를 적용한 1kW급의 고주파 독립형 태양광 인버터를 제안하였으며, 이를 설계·제작하였다. 제작한 인버터는 실험을 통하여 정상동작을 확인하였으며, 크기 비교에 있어서 기존의 독립형 태양광 인버터에 비해 14%의 크기 저감의 효과를 달성할 수 있었다. 그리고 최대효율의 경우 93.25%의 고효율을 달성하였으나 기존의 인버터 보다 1.15% 낮은 값을 보였다. 그런데 본 논문의 인버터의 주파수가 기존의 인버터의 10배의 고주파인 300kHz임을 감안하면 충분히 수용할 수 있는 사항이다. 특히 에너지 관리공단의 신재생 에너지 설비심사 세부기준의 최대 효율기준이 85%임을 고려하면 이보다 훨씬 상회하는 값을 달성함으로써 우수한 효율특성을 보인다고 할 수 있다.
지금까지의 결과를 통하여 전력변환회로의 스위치로서 고성능 반도체 스위치인 GaN FET를 적용하는 것은 전력변환회로의 소형화 및 효율개선에 크게 기여할 수 있다는 점을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ····································································· Ⅰ
• 그림목록 ····································································· Ⅲ
• 표 목 록 ····································································· Ⅹ
• 국문요지 ··································································· ⅩII
• 제 1 장 서 론 ···························································· 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 ················································· 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 ··················································· 9
• 1.3 논문의 구성 ························································ 11
• 제 2 장 독립형 태양광 인버터 및 고성능 반도체 ····················· 13
• 2.1 독립형 태양광 인버터 ············································· 19
• 2.2 고성능 전력용 반도체 GaN FET ······························· 22
• 2.2.1 GaN FET의 특성 ··········································· 22
• 2.2.2 GaN FET의 구조 ··········································· 26
• 2.2.3 캐스코드 구조의 GaN FET ······························· 29
• 제 3 장 GaN FET를 적용한 고주파 3상 인터리브 DC-DC 컨버터 ··· 33
• 3.1 GaN FET의 스위칭 특성 ·········································· 34
• 3.2 3상 인터리브 DC-DC 컨버터 ···································· 42
• 3.2.1 3상 인터리브 부스트 컨버터의 해석 ····················· 47
• 3.2.2 3상 인터리브 부스트 컨버터의 설계 및 실험 ··········· 53
• 3.3 3상 인터리브 부스트 컨버터의 스위치 손실측정 ·············· 65
• 제 4 장 GaN FET를 적용한 듀얼 벅 인버터 ····················· 76
• 4.1 듀얼 벅 인버터 동작원리 ····································· 77
• 4.2 듀얼 벅 인버터 설계 ··········································· 82
• 4.3 듀얼 벅 인버터의 실험 ········································ 87
• 제 5 장 고주파 독립형 태양광 인버터···································· 95
• 5.1 고주파 독립형 태양광 인버터의 실험 ···························· 96
• 5.2 고주파 독립형 태양광 인버터의 크기비교 ··························· 108
• 제 6 장 결 론 ···························································· 114
• 참고문헌 ·································································· 116
• Abstract ·································································· 121

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32. “독립형 태양광 발전 시스템을 위한 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터에 관한 연구”, 김준구, 성균관대학교 대학원 석사학위논문, , 2009

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34. “실리콘 카바이드 모스펫의 근사모델에 의한 스위칭 과도현상 분 석 및 전력 변환 응용”, 김재석, 서울대학교 대학원 박사학위논문, , 2018

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