KR20140010218A - 전력변환장치, 및 태양광 모듈 - Google Patents

전력변환장치, 및 태양광 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20140010218A
KR20140010218A KR1020120077006A KR20120077006A KR20140010218A KR 20140010218 A KR20140010218 A KR 20140010218A KR 1020120077006 A KR1020120077006 A KR 1020120077006A KR 20120077006 A KR20120077006 A KR 20120077006A KR 20140010218 A KR20140010218 A KR 20140010218A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
converter
switching
power conversion
solar cell
Prior art date
Application number
KR1020120077006A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101954195B1 (ko
Inventor
김명환
황언주
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020120077006A priority Critical patent/KR101954195B1/ko
Priority to EP13000337.9A priority patent/EP2621075B1/en
Priority to CN201310086250.7A priority patent/CN103227577B/zh
Priority to US13/749,870 priority patent/US9281759B2/en
Publication of KR20140010218A publication Critical patent/KR20140010218A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101954195B1 publication Critical patent/KR101954195B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 전력변환장치, 및 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 스위칭 소자를 구비하며 입력되는 직류 전원을 스위칭하여 선택적으로 출력하는 스위칭부와, 탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며 스위칭부로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 컨버터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터를 구비하며, 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 오프 구간 동안, 컨버터는 제1 전력 변환 모드로 동작하고, 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 온 구간 동안, 컨버터는, 제2 전력 변환 모드로 동작한다. 이에 의해, 출력 전류 품질을 개선할 수 있게 된다.

Description

전력변환장치, 및 태양광 모듈{Power converting apparatus, and photovoltaic module}
본 발명은 전력변환장치, 및 태양광 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 출력 전류 품질을 개선할 수 있는 전력변환장치, 및 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 변화시키F는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
한편, 태양광 모듈은 태양광 발전을 위한 태양전지가 직렬 혹은 병렬로 연결된 상태를 의미하며, 태양광 모듈은 태양전지가 생산한 전기를 모으는 정션박스를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은, 출력 전류 품질을 개선할 수 있는 전력변환장치, 및 태양광 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 스위칭 소자를 구비하며 입력되는 직류 전원을 스위칭하여 선택적으로 출력하는 스위칭부와, 탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며 스위칭부로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 컨버터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터를 구비하며, 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 오프 구간 동안, 컨버터는 제1 전력 변환 모드로 동작하고, 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 온 구간 동안, 컨버터는, 제2 전력 변환 모드로 동작한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 변환하여 교류 전원으로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 전력변환부는, 스위칭 소자를 구비하며 입력되는 직류 전원을 스위칭하여 선택적으로 출력하는 스위칭부와, 탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며 스위칭부로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 컨버터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하며 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터를 구비하며, 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 오프 구간 동안, 컨버터는 제1 전력 변환 모드로 동작하고, 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 온 구간 동안, 컨버터는, 제2 전력 변환 모드로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력변환장치 또는 태양광 모듈 내의 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프에 따라, 스위칭부에 접속되는 컨버터가, 부스트 모드 또는 벅 모드로 구분되어 동작함으로써, 출력 전류 품질을 개선할 수 있게 된다.
특히, 컨버터가 의사 직류 전원을 출력하여, 정전압 유지 구간이 발생하는 경우, 정전압을 접지전압으로 하강하도록 함으로써, 원하는 출력 교류 전원 파형을 얻을 수 있어, 출력 전류 품질이 향상되게 된다. 특히, 하모닉 전류 성분 영향을 저감할 수 있게 된다.
컨버터에서 출력되는 전류 성분의 리플(ripple)이 감소하게 되며, 따라서, 컨버터 앞단에 배치되는 커패시터의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 전력변환장치 또는 태양광 모듈은, 탭 인덕터 부스트 컨버터를 구비함으로써, 고효율 고전압의 직류 전원을 확보할 수 있게 된다.
한편, 전력변환장치 또는 태양광 모듈은, 서로 병렬 접속되는, 복수의 탭 인덕터 부스트 컨버터를 구비할 수 있으며, 이에 따라, 컨버터에서 출력되는 전류 성분의 리플(ripple)이 감소하게 되며, 따라서, 스위칭부 전단에 배치되는 커패시터의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 전력변환장치 또는 태양광 모듈은, 서로 병렬 접속되는, 복수의 탭 인덕터 부스트 컨버터를 구비할 수 있으며, 각 컨버터는, 전력 필요치에 따른 적응적인 동작이 가능하므로, 전력 효율이 향상되게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이다.
도 2는 도 1의 태양광 모듈의 배면도이다.
도 3은 도 1의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 태양광 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일예이다.
도 5는 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시한다.
도 6은 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 8은 도 7의 전력변환장치의 간략한 블록도이다.
도 9a 내지 도 9b는 도 7의 전력변환장치에서 출력되는 출력 전류의 실시예 및 비교예를 예시한다.
도 10a 내지 도 10d는 도 7의 전력변환장치 내의 스위칭부와 컨버터의 동작 설명을 위해 참조되는 도면이다.
도 11 내지 도 13은 도 7의 전력변환장치의 동작 설명을 위해 참조되는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 내부 회로도의 다른 예이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 내부 회로도의 또 다른 예이다.
도 16은 도 1의 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도를 예시한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 일예이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 다른예이다.
도 19a 내지 도 19b는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 파워 옵티마이징을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
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 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이고, 도 2는 도 1의 태양광 모듈의 배면도이며, 도 3은 도 1의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100), 태양전지 모듈(100)의 일면에 위치하는 정션 박스(200)를 포함한다. 또한, 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100)과 정션 박스(200) 사이에 배치되는 방열부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 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, 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 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 6개의 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)이 형성되고, 각 스트링은 10개의 태양전지를 구비하는 것을 예시한다. 도면과 달리, 다양한 변형이 가능하다.
한편, 각 태양전지 스트링은, 버스 리본에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 도 1은, 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 1은, 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(135a,135b,135c,135d)에 전기적으로 접속되며, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)은, 태양전지 모듈(100)의 배면에 배치되는 정션 박스(200) 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와의 접속된다. 도면에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(100) 상에 형성된 개구부를 통해, 태양전지 모듈(100)의 배면으로 연장되는 것을 예시한다.
한편, 정션 박스(200)는, 태양전지 모듈(100)의 양단부 중 도전성 라인이 연장되는 단부에 더 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(100)의 상부에서 태양전지 모듈(100)의 배면으로 연장되므로, 정션 박스(200)가 태양전지 모듈(100)의 배면 중 상부에 위치하는 것을 예시한다. 이에 의해, 도전성 라인의 길이를 줄일 수 있어, 전력 손실이 줄어들 수 있게 된다.
도 1 및 도 2와 달리, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(100)의 하부에서 태양전지 모듈(100)의 배면으로 연장되는 경우, 정션 박스(200)가 태양전지 모듈(100)의 배면 중 하부에 위치할 수도 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 3에서는 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.
정션 박스(200)는, 태양전지 모듈(100)의 배면 상에 부착되며, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 이용하여 전력 변환할 수 있다. 구체적으로, 정션 박스(200)는, 직류 전원을 저장하는 커패시터부(도 7의 520)를 구비할 수 있다. 또한, 정션 박스(200)는, 직류 전원의 레벨 변환하여 출력하는 컨버터(도 7의 530)를 더 구비할 수 있다. 또한, 정션 박스(200)는, 태양전지 스트링들 간의 전류가 역류하는 것을 방지하는 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)를 더 포함할 수 있다. 또한, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터(도 7의 540)를 더 구비할 수 있다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른, 정션 박스(200)는, 적어도 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와, 직류 전원을 저장하는 커패시터부(도 7의 520)와, 컨버터(도 7의 530)를 구비할 수 있다.
이러한 정션 박스(200)가 태양전지 모듈(100)과 일체형으로 형성되는 경우, 후술하는 도 17 또는 도 18의 태양광 시스템과 같이, 각 태양 전지 모듈(100)에서 생성된 직류 전원의 손실을 최소화하여 효율적으로 관리할 수 있게 된다. 한편, 일체형으로 형성된 정션 박스(200)는 MIC(Module Integrated Converter) 회로라고 명명될 수 있다.
한편, 정션 박스(200) 내의, 회로 소자들의 수분 침투 방지를 위해, 정션 박스 내부는, 실리콘 등을 이용하여, 수분 침투 방지용 코팅이 수행될 수 있다.
한편, 정션 박스(200)에는 개구(미도시)가 형성되어, 상술한 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이 정션 박스 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와 연결되도록 할 수 있다.
한편, 정션 박스(200)의 동작시에는 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc) 등으로부터 고열이 발생하는데, 발생된 열은 정션 박스(200)가 부착된 위치에 배열된 특정의 태양전지(130)의 효율을 감소시킬 수 있다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100)과 정션 박스(200) 사이에 배치되는 방열부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 정션 박스(200)에서 발생되는 열을 분산시키기 위해, 방열 부재(미도시)의 단면적은, 플레이트(미도시)의 단면적 보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 태양전지 모듈(100)의 배면 전부에 형성되는 것이 가능하다. 한편, 방열부재(미도시)는 열 전도도가 좋은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등의 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 정션박스(160)의 일 측면에는, 전력 변환된 직류 전원 또는 교류 전원을 외부로 출력하기 위한, 외부접속단자(미도시)가 형성될 수 있다.
도 4는 도 1의 태양광 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 6개의 태양전지 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)에 대응하여, 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)가 접속될 수 있다. 구체적으로, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 제1 태양전지 스트링과, 제1 버스 리본(145a) 사이에 접속되어, 제1 태양전지 스트링(140a) 또는 제2 태양전지 스트링(140b)에서 역전압 발생시, 제1 태양전지 스트링(140a) 및 제2 태양전지 스트링(140b)을 바이패스(bypass)시킨다.
예를 들어, 정상적인 태양 전지에서 발생하는 대략 0.6V의 전압이 발생하는 경우, 제1 바이패스 다이오드(Da)의 애노드 전극의 전위에 비해 캐소드 전극의 전위가 대략 12V(=0.6V*20)가량 더 높게 된다. 즉, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 바이패스가 아닌 정상 동작을 하게 된다.
한편, 제1 태양전지 스트링(140a)의 어느 태양 전지에서, 음영이 발생하거나, 이물질이 부착되거나 하여, 핫 스팟(hot spot)이 발생하는 경우, 어느 한 태양 전지에서 발생하는 전압은 대략 0.6V의 전압이 아닌, 역전압(대략 -15V)이 발생하게 된다. 이에 따라, 제1 바이패스 다이오드(Da)의 애노드 전극의 전위가 캐소드 전극에 비해 대략 15V 정도 더 높게 된다. 이에 따라, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 바이패스 동작을 수행하게 된다. 따라서, 제1 태양전지 스트링(140a) 및 제2 태양전지 스트링(140b) 내의 태양 전지에서 발생하는 전압이 정션 박스(200)로 공급되지 않게 된다. 이와 같이, 일부 태양전지에서 발생하는 역전압이 발생하는 경우, 바이패스 시킴으로써, 해당 태양전지 등의 파괴를 방지할 수 있게 된다. 또한, 핫 스팟(hotspot) 영역을 제외하고, 생성된 직류 전원을 공급할 수 있게 된다.
다음, 제2 바이패스 다이오드(Db)는, 제1 버스 리본(145a)과 제2 버스 리본(145b) 사이에 접속되어, 제3 태양전지 스트링(140c) 또는 제4 태양전지 스트링(140d)에서 역전압 발생시, 제3 태양전지 스트링(140c) 및 제4 태양전지 스트링(140d)을 바이패스(bypass)시킨다.
다음, 제3 바이패스 다이오드(Dc)는, 제1 태양전지 스트링과, 제1 버스 리본(145a) 사이에 접속되어, 제1 태양전지 스트링(140a) 또는 제2 태양전지 스트링(140b)에서 역전압 발생시, 제1 태양전지 스트링 및 제2 태양전지 스트링을 바이패스(bypass)시킨다.
한편, 도 4와 달리, 6개의 태양전지 스트링에 대응하여, 6개의 바이패스 다이오드를 접속시키는 것도 가능하며, 그 외 다양한 변형이 가능하다.
도 5는 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시하며, 도 6은 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
먼저, 도 5를 참조하면, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 개방 전압(Voc)이 커질수록, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 단락(short) 전류는 작아지게 된다. 이러한 전압 전류 곡선(L)에 따라, 정션 박스(200) 내에 구비되는 커패시터부(520)에, 해당 전압(Voc)이 저장되게 된다.
한편, 도 6을 참조하면, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 최대 전력(Pmpp)은, 최대 전력 검출 알고리즘(Maximum Power Point Tracking; MPPT)에 의해 산출될 수 있다. 예를 들어, 개방 전압(Voc)을 최대전압(V1)에서부터 감소시키면서, 각 전압 별, 전력을 연산하고, 연산된 전력이 최대 전력인지 여부를 판단한다. V1 전압에서, Vmpp 전압까지는 전력이 증가하므로, 연산된 전력을 갱신하여 저장한다. 그리고, Vmpp 전압에서, V2 전압까지는 전력이 감소하므로, 결국, Vmpp 전압에 해당하는 Pmpp를 최대 전력으로 결정하게 된다.
이와 같이, 핫 스팟이 발생하지 않는 경우, 전압 전력 곡선(L)에서 변곡점은 1개만이 발생하게 되므로, V1 구간에서 V2 구간의 탐색(exploring)만으로 간단하게 최대 전력을 산출할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 내부 회로도의 일예이고, 도 8은 도 7의 전력변환장치의 간략한 블록도이며, 도 9a 내지 도 9b는 도 7의 전력변환장치에서 출력되는 출력 전류의 실시예 및 비교예를 예시하며, 도 10a 내지 도 10d는 도 7의 전력변환장치 내의 스위칭부와 컨버터의 동작 설명을 위해 참조되는 도면이고, 도 11 내지 도 13은 도 7의 전력변환장치의 동작 설명을 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(700)는, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), 컨버터(530), 인버터(540), 제어부(550), 필터부(560), 및 스위칭부(570)를 포함할 수 있다.
전력변환장치(700)는, 직류 전원을 입력받아, 직류 전원을 변환하여, 교류 전원을 출력한다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른, 전력변환장치(700)는, 태양전지 모듈(100)에서 생성된 직류 전원을 공급받아, 직류 전원을 변환하여, 교류 전원을 출력한다.
전력변환장치(700)는, 교류 전원 출력이 가능하므로, 마이크로 인버터(micro inverter)라 명명될 수 있다. 한편, 전력변환장치(700)는, 상술한 바와 같이, 도 2의 정션 박스(200) 내에 실장되는 것이 가능하다. 즉, 태양전지 모듈(100)의 배면에 일체형으로 부착되는 것이 가능하다.
바이패스 다이오드부(510)는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)에 각각 대응하는 a 노드 , b 노드, c 노드, d 노드의 각 사이에, 배치되는 제1 내지 제3 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)를 포함한다.
커패시터부(520)는, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 저장한다. 도면에서는, 3개의 커패시터(Ca,Cb,Cc)가 병렬 접속되는 것을 예시하나, 직렬 접속되거나, 직병렬 혼합 접속되는 것도 가능하다. 또한, 그 개수가 가변되는 것도 가능하다.
스위칭부(570)는, 커패시터부(520)에 저장된 직류 전원을 스위칭하여 선택적으로 출력한다. 이를 위해, 스위칭부(570)는, 제2 스위칭 소자(S2)와 다이오드(D2)를 구비할 수 있다. 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온되는 경우, 커패시터부(520)에 저장된 직류 전원이, 컨버터(530)로 전달되며, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되지 않는 경우, 커패시터부(520)에 저장된 직류 전원이, 컨버터(530)로 전달되지 않게된다.
이러한 스위칭부(570)의 동작에 따라, 컨버터(530)는, 부스트 모드(boost mode)로 동작하거나, 벅 모드(buck mode)로 동작하게 된다. 이에 대해서는, 후술한다.
컨버터(530)는, 스위칭부(570)에서 공급되는 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환을 수행한다. 본 발명의 실시예에서는, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 부스팅(boosting)하여, 레벨 향상된 직류 전원을 출력하도록, 컨버터(530)로, 탭 인덕터 부스트 컨버터(tapped inductor boost converter)를 예시한다. 탭 인덕터 부스트 컨버터는, 부스트 컨버터(boost converter)나 플라이백 컨버터(flyback converter)에 비해, 저전압을 고효율의 고전압으로 출력할 수 있다.
특히, 대략 50 내지 60개의 태양전지를 구비하여, 대략 30 내지 50V의 직류 전원을 출력하는 태양전지 모듈(100)에 대해, 탭 인덕터 부스트 컨버터를 사용하는 경우, 고압의 출력 전압(대략 300V 이상)을 효율적으로 출력할 수 있게 된다.
이에 따라, 컨버터(530)는, 탭 인덕터(T), 탭 인덕터(T)와 접지단 사이에 접속되는 제1 스위칭 소자(S1), 탭 인덕터의 출력단에 접속되어, 일방향 도통을 수행하는 다이오드(D1)를 포함한다. 한편, 다이오드(D1)의 출력단, 즉 캐소드(cathod)과 접지단 사이에, 출력 전원을 저장하는 커패시터(C1)을 더 구비할 수 있다.
구체적으로 제1 스위칭 소자(S1)는, 탭 인덕터(T)의 탭과 접지단 사이에 접속될 수 있다. 그리고, 탭 인덕터(T)의 출력단(2차측)은 다이오드(D1)의 애노드(anode)에 접속하며, 다이오드(D1)의 캐소드(cathode)dhk 접지단 사이에, 커패시터(C1)가 접속된다.
한편, 탭 인덕터(T)의 1차측과 2차측은 반대의 극성을 가진다. 한편, 탭 인덕터(T)는, 스위칭 트랜스포머(transformer)로 명명될 수도 있다.
인버터(540)는, 컨버터(530)에서 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다. 도면에서는, 풀 브릿지 인버터(full-bridge inverter)를 예시한다. 즉, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(540) 내의 스위칭 소자들은, 제어부(550)로부터의 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 교류 전원이 출력되게 된다. 바람직하게는, 그리드(grid)의 교류 주파수와 동일한 주파수(대략 60Hz 또는 50Hz)를 갖는 것이 바람직하다.
필터부(560)는, 인버터(540)에서 출력되는 교류 전원을 매끄럽게 하기 이해, 로우패스 필터링(lowpass filtering)을 수행한다. 이를 위해, 도면에서는, 인덕터(Lf1,Lf2)를 예시하나 다양한 예가 가능하다.
한편, 입력전류 감지부(A)는, 컨버터(530)로 입력되는 입력전류(ic1)를 감지하며, 입력전압 감지부(B)는, 컨버터(530)로 입력되는 입력전압(vc1)을 감지한다. 감지된 입력전류(ic1)와 입력전압(vc1)은, 제어부(550)에 입력될 수 있다.
한편, 출력전류 감지부(C)는, 컨버터(530)에서 출력되는 출력전류(ic2)를 감지하며, 출력전압 감지부(B)는, 컨버터(530)에서 출력되는 출력전압(vc2)을 감지한다. 감지된 출력전류(ic2)와 출력전압(vc2)은, 제어부(550)에 입력될 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 도 7의 스위칭부(570)의 제2 스위칭 소자(S2)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 특히, 제어부(550)는, 감지된 입력전류(ic1), 입력 전압(vc1), 출력전류(ic2), 또는 출력전압(vc2) 중 적어도 하나에 기초하여, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온 타이밍 신호를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 도 7의 컨버터(530)의 제1 스위칭 소자(S1)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 특히, 제어부(550)는, 감지된 입력전류(ic1), 입력 전압(vc1), 출력전류(ic2), 또는 출력전압(vc2) 중 적어도 하나에 기초하여, 스위칭부(570)의 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 타이밍 신호를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(550)는, 인버터(540)의 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)를 제어하는 인버터 제어 신호를 출력할 수도 있다. 특히, 제어부(550)는, 감지된 입력전류(ic1), 입력 전압(vc1), 출력전류(ic2), 또는 출력전압(vc2) 중 적어도 하나에 기초하여, 인버터(540)의 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)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, 컨버터(530)를 제어할 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 전력변환장치(700)의 컨버터(530)는, 태양전지 모듈(100)로부터의 직류 전원을 의사 직류 전원(pseudo dc voltage)으로 변환할 수 있다.
제1 스위칭 소자(S1)의 스위칭 온/오프를 제어하여, 컨버터(530)에서 출력되는 직류 전원은, 일정한 레벨을 갖는, 직류 전원이 아닌, 반파 정류된 직류 전원과 같은 포락선을 가지는, 의사 직류 전원(pseudo dc voltage)으로 변환될 수 있다. 이에 따라 커패시터(C1)에는 의사 직류 전원이 저장될 수 있다.
한편, 인버터(540)는, 의사 직류 전원(pseudo dc voltage)을 입력받아, 스위칭 동작을 수행하여, 교류 전원으로 출력한다.
한편, 도 7의, 스위칭부(570) 없이, 탭 인덕터 부스트 컨버터(530)를 사용하여, 의사 직류 전원을 출력하는 경우, 도 9b와 같이, 의사 직류 전원(Vcf)는, 반파 정류된 직류 전원과 같은 포락선(Vdc)를 가지며, 입력 전원(Vpv)에 따른 오프셋을 가지게 된다. 즉, 입력 전원(Vpv)에 대응하는 정전압 유지 구간이 발생하게 된다. 이에 따라, 원하는 출력 교류 전원 파형을 얻을 수 없으며, 출력 전류 품질이 나빠지며, 특히, 하모닉 전류 성분 영향이 커질 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에서는, 이를 방지 하기 위해, 컨버터(530)에서 출력되는 직류 전원의 정전압 유지 구간과, 그 외 구간에서, 동작 모드(MODE 1, MODE 2)를 구분하고, 각 동작 모드에 대응하여, 스위칭부(570)를 동작하도록 한다.
특히, 제어부(550)는, 출력전압 감지부(B)에서 감지되는 직류 전원(Vc2)이, 정전압을 유지하는 지 여부를 판단하고, 해당하는 경우, 제1 전력 변환 모드로, 스위칭부(570)가 동작하도록 제어한다. 그리고, 제어부(550)는, 해당하지 않는 경우, 제2 전력 변환 모드로, 스위칭부(570)가 동작하도록 제어한다.
제1 전력 변환 모드와 제2 전력 변환 모드로 구분하여, 컨버터(530)와 인버터(540)를 동작시키는 경우, 도 9a와 같이, 접지 전압까지 하강하는 출력 교류 전원 파형을 얻을 수 있게 된다. 즉, 원하는 출력 교류 전원 파형을 얻을 수 있게 되며, 출력 전류 품질이 향상되게 된다. 특히, 하모닉 전류 성분 영향을 저감할 수 있게 된다.
이하에서는, 제1 전력 변환 모드와 제2 전력 변환 모드의 동작에 대해서, 도 10a 내지 도 13을 참조하여 기술한다.
먼저, 도 10a 내지 도 10d는, 스위칭부(570)와 탭 인덕터 부스트 컨버터(530)의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 10a와 도 10b는 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온(on)되는 경우를 예시하며, 도 10c와 도 10d는 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프(off)되는 경우를 예시한다. 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온(on)되는 경우, 제 다이오드(D2)는 오프되며, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프(off)되는 경우, 일방향 도통된다.
스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온(on)된 상태에서, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 온(on)되는 경우, 도 10a와 같이, 입력 전압(Vpv), 제2 스위칭 소자(S2), 탭 인덕터(T)의 1차측, 및 제1 스위칭 소자(S1)를 통한 폐루프(closed loop)가 형성되며, 제1 전류(I1)가 폐루프 상에 흐르게 된다. 이때, 탭 인덕터(T)의 2차측은, 1차측과 반대 극성을 가지므로, 다이오드(D1)은 도통하지 못하고 오프(off)된다. 이에 따라, 입력 전압(Ppv)에 의한 에너지가 탭 인덕터(T)의 1차측에 저장되게 된다.
다음, 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온(on)된 상태에서, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 오프(off)되는 경우, 도 10b와 같이, 입력 전압(Vpv), 제2 스위칭 소자(S2), 탭 인덕터(T)의 1차측, 2차측, 및 다이오드(D1), 및 커패시터(C1)를 통한 폐루프(closed loop)가 형성되며, 제2 전류(I2)가 폐루프 상에 흐르게 된다. 즉, 탭 인덕터(T)의 2차측은, 1차측과 반대 극성을 가지므로, 다이오드(D1)는, 도통하게 된다. 이에 따라, 입력 전압(Ppv), 탭 인덕터(T)의 1차측, 2차측에 저장된 에너지가, 다이오드(D1)를 거쳐, 커패시터(C1)에 저장될 수 있다.
이와 같이, 컨버터(530)는, 입력 전압(Ppv), 탭 인덕터(T)의 1차측, 2차측에 저장된 에너지를 이용함으로써, 고효율이며 고전압의 직류 전원을 출력할 수 있게 된다. 이에 따라, 도 10a와 도 10b는 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온(on)되는 경우, 컨버터(530)는 부스트 모드(boost mode)로 동작할 수 있다.
다음, 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프(off)된 상태에서, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 온(on)되는 경우, 탭 인덕터(T)의 1차측에 저장된 에너지로 인해, 도 10c와 같이, 스위칭부(570)의 제2 다이오드(D2)는 일방향 도통한다. 이에 따라, 제2 다이오드(D2), 탭 인덕터(T)의 1차측, 및 제1 스위칭 소자(S1)를 통한 폐루프(closed loop)가 형성되며, 제3 전류(I3)가 폐루프 상에 흐르게 된다. 이때, 탭 인덕터(T)의 2차측은, 1차측과 반대 극성을 가지므로, 다이오드(D1)은 도통하지 못하고 오프(off)된다. 결국, 탭 인덕터(T)의 1차측에에 저장된 에너지는, 폐루프를 통해 소비되게 된다.
다음, 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프(off)된 상태에서, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 오프(off)되는 경우, 도 10d와 같이, 스위칭부(570)의 제2 다이오드(D2)는 일방향 도통한다. 이에 따라, 제2 다이오드(D2), 제2 스위칭 소자(S2), 탭 인덕터(T)의 1차측, 2차측, 및 다이오드(D1), 및 커패시터(C1)를 통한 폐루프(closed loop)가 형성되며, 제2 전류(I2)가 폐루프 상에 흐르게 된다. 즉, 탭 인덕터(T)의 2차측은, 1차측과 반대 극성을 가지므로, 다이오드(D1)는, 도통하게 된다. 이에 따라, 탭 인덕터(T)의 1차측, 2차측에 저장된 에너지가, 다이오드(D1)를 거쳐, 커패시터(C1)에 저장될 수 있다.
이때, 도 10c에서 설명한 바와 같이, 탭 인덕터(T)의 1차측에 저장된 에너지가 저감되었으므로, 2차측에 저장된 에너지도 저감하게 되며, 결국, 커패시터(C1)d에 저장되는 전압은 레벨이 낮아진 전압이 저장되게 된다. 이에 따라, 도 10c와 도 10d는 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프(off)되는 경우, 컨버터(530)는 벅 모드(buck mode)로 동작할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 컨버터(530)에서 출력되는 직류 전원 중 정전압 유지 구간에 대해, 컨버터(530)가 벅 모드로 동작하도록 한다. 그 외의 구간에서는 부스트 모드로 동작하도록 한다.
도 11은, 도 7의 전력변환장치의 간략한 회로도이며, 도 12는 컨버터와 인버터 내의 스위칭 소자의 파형도를 예시하며, 도 13은 제1 전력 변환 모드와 제2 전력 변환 모드를 통해 최종 출력되는 출력 교류 전원 파형을 예시한다.
제어부(550)는, 컨버터(530)에서 출력되는 의사 직류 전원 중 입력 전원(Vpv)에 대응하는 정전압 유지 구간이 발생하는 경우, 제1 전력 변환 모드(MODE 1)로서, 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(550)는, 제1 전력 변환 모드(MODE 1) 구간 동안에, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)를, 도 12와 같이, 고속 스위칭하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 100kHz의 주파수로 고속 스위칭하도록 제어할 수 있다.
이에 의해, 컨버터(530)는 벅 모드(buck mode)로 동작하게 되며, 이에 따라, 도 9a와 같이, 정전압 유지 구간에서의 직류 전원이 0V의 접지 전원까지 하강하게 된다. 따라서, 인버터(540)에서 출력되는 출력 전류의 전류 품질을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 하모닉 전류 성분이 현저히 감소하게 된다.
한편, 도 12와 달리, 제어부(550)는, 제1 전력 변환 모드(MODE 1) 구간 동안에, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)를, 저속 스위칭하도록 제어할 수도 있다. 특히, 의사 직류 전원을 출력하도록, 펄스폭 가변(pulse width modulation;PWM) 기반의 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
다음, 제어부(550)는, 정전압 유지 구간이 발생하지 않는 구간에서는, 제2 전력 변환 모드(MODE 2)로서, 스위칭부(560)의 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(550)는, 제2 전력 변환 모드(MODE 2) 구간 동안에, 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1)를 저속 스위칭하도록 제어할 수 있다. 특히, 의사 직류 전원을 출력하도록, 펄스폭 가변(pulse width modulation;PWM) 기반의 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
이에 의해, 컨버터(530)는 부스트 모드(boost mode)로 동작하게 되며, 이에 따라, 도 9a와 같이, 정전압 유지 구간을 제외한 구간에서, 의사 직류 전원에 대응하는 전압 파형을 출력하게 된다.
결국, 도 13과 같이, 제1 전력 변환 모드(MODE 1(a),MODE 1(b))에서의 출력 전압 파형과, 제2 전력 변환 모드(MODE 2)에서의 출력 전압 파형이 합성되어, 도 9a와 같은, 출력 전압(Vout)이, 전력변환장치(700)에서 출력될 수 있게 된다.
한편, 도 9a 또는 도 13과 같은 출력 교류 전원 파형은, 도 11의 필터부(560)를 통해 로우패스 필터링되어, 매끄러운 교류 전원 파형으로 출력되게 된다.
한편, 인버터(540) 내의 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)는, 제1 전력 변환 모드(MODE 1) 및 제2 전력 변환 모드(MODE 2)에 관계없이 일정한 스위칭 주파수에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 100Hz 또는 120Hz의 저속 주파수로, 스위칭 동작할 수 있다.
한편, 도 14는 도 7과 유사하나, 2개의 탭 인덕터 부스트 컨버터(530a,530b)를 사용하는 것에 그 차이가 있다.
즉, 도 14의 전력변환장치(1400)는, 커패시터부(520), 2개의 탭 인덕터 부스트 컨버터(530a,530b), 인버터(540), 필터부(560), 및 스위칭부(570)를 포함할 수 있다.
2 개의 탭 인덕터 부스트 컨버터(530a,530b)를 도면과 같이, 서로 병렬 접속하는 경우, 즉, 인터리빙(interleaving) 방식을 사용하는 경우, 커패시터부(520), 및 스위칭부(570)를 통해, 전달되는 전류 성분이 병렬로 분기되므로, 각 컨버터(530a,530b)를 통해 출력되는 전류 성분의 리플(ripple)이 감소하게 된다. 따라서, 커패시터부(520)에 구비되는 커패시터의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 도 15는 도 7과 유사하나, 3개의 탭 인덕터 부스트 컨버터(530a,530b,,530c)를 사용하는 것에 그 차이가 있다.
즉, 도 14의 전력변환장치(1400)는, 커패시터부(520), 3개의 탭 인덕터 부스트 컨버터(530a,530b,,530c), 인버터(540), 필터부(560), 및 스위칭부(570)를 포함할 수 있다.
이때, 각 컨버터(530a,530b,,530c) 내의 탭 인덕터, 스위칭 소자의 소자 특성은, 모두 동일한 것일 수 있다.
한편, 3 개의 탭 인덕터 부스트 컨버터(530a,530b)를 도면과 같이, 서로 병렬 접속하는 경우, 즉, 인터리빙(interleaving) 방식을 사용하는 경우, 커패시터부(520), 및 스위칭부(570)를 통해, 전달되는 전류 성분이 병렬로 분기되므로, 각 컨버터(530a,530b,530c)를 통해 출력되는 전류 성분의 리플(ripple)이 감소하게 된다. 따라서, 커패시터부(520)에 구비되는 커패시터의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 각 컨버터(530a,530b,,530c)는, 출력되는 교류 전원의 전력 필요치에 대응하여, 적응적으로 동작하는 것이 가능하다.
예를 들어, 전력 필요치가 대략 100W인 경우, 제1 컨버터(530a)만 동작하거나, 전력 필요치가 대략 200W인 경우, 제1 및 제2 컨버터(530a,530b)만 동작하거나, 전력 필요치가 대략 300W인 경우, 제1 내지 제3 컨버터(530a,530b,530c) 모두가 동작할 수 있다.
한편, 제1 내지 제3 컨버터(530a,530b,530c) 중 적어도 2개의 컨버터가 동작하는 경우, 각 스위칭 소자의 턴 온/턴 오프 타이밍은 모두 동일할 수 있다.
도 16은 도 1의 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도를 예시한다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정션 박스(200)는, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), 컨버터(530), 제어부(550), 및 스위칭부(570)를 포함할 수 있다. 즉, 도 7의 전력변환장치(700) 중 인버터(540), 및 필터부(560)를 포함하지 않는 것에 그 특징이 있다. 정션박스(200)에 포함되지 않은, 인버터(540)와 필터부(540)는 별도로 마련되는 것이 가능하다.
이에 따라, 도 16의 정션박스(200)는, 직류 전원을 출력할 수 있다. 이때, 정션박스(200)가 파워 옵티마이징(power optimizing) 기능을 수행하는 경우, 이러한 정션 박스(200)는, 파워 옵티마이저(power optmizer)라 명명될 수 있다.
도 16과 같이, 정션박스 내에 직류 전원을 저장하는 커패시터부와, 저장된 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 컨버터를 구비함으로써, 정션 박스를 통해 간단하게 직류 전원을 공급할 수 있게 된다. 또한, 태양광 모듈의 설치가 용이해지며, 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양과 시스템 구성시, 용량 확장에 유리하게 된다.
한편, 도 7 및 도 16과 달리, 정션박스(200)는, 바이패스 다이오드부(510) 및 커패시터부(520)만을 구비하는 것도 가능하다. 이에 따라, 정션 박스(200) 외부에 별도로, 컨버터(530), 및 인버터(540), 필터부(560)가 배치될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 17의 태양광 시스템은, 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)을 구비한다. 각 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)은, 교류 전원을 출력하는 정션박스(200a, 200b, ...,200n)를 구비할 수 있다. 이때의 정션박스(200a, 200b, ...,200n)를, 마이크로 인버터를 구비하는 정션 박스라 할 수 있으며, 각 정션박스(200a, 200b, ...,200n)에서 출력되는 교류 전원은 계통(grid)으로 공급되게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른, 도 7의 전력변환장치(700)는 모두 정션박스(200) 내에 실장될 수 있으며, 정션박스(200)의 내부 회로는 도 17의 마이크로 인버터에 적용될 수 있다.
즉, 각 정션박스(200a, 200b, ...,200n)는, 도 7과 같이, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), 컨버터(530), 인버터(540) 제어부(550), 필터부(560)를 포함할 수 있다. 특히, 컨버터(530)는, 도 7과 같이, 탭 인덕터와 스위칭 소자를 포함하는, 탭 인덕터 부스트 컨버터(530)일 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 다른예이다.
도면을 참조하면, 도 18의 태양광 시스템은, 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)을 구비한다. 각 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)은, 직류 전원을 출력하는 정션박스(1200a, 1200b, ...,1200n)를 구비할 수 있다. 그리고, 각 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 별도의 인버터(1210)가 더 구비되게 된다. 이때의, 정션박스(1200a, 1200b, ...,1200n)는, 직류 전원을 효율적으로 출력하기 위한 파워 옵티 마이저를 구비하는 정션 박스라 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른, 도 16의 정션박스(200)의 내부 회로는 도 18의 파워 옵티마이저에 적용될 수 있다.
즉, 각 정션박스(200a, 200b, ...,200n)는, 도 16과 같이, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), 컨버터(530), 및 제어부(550)를 포함할 수 있다. 특히, 컨버터(530)는, 도 7과 같이, 탭 인덕터와 스위칭 소자를 포함하는, 탭 인덕터 부스트 컨버터(530)일 수 있다.
도 19a 내지 도 19b는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 파워 옵티마이징을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 19a를 참조하면, 파워 옵티마이징이 적용되지 않는 경우를 설명한다. 도면과 같이, 복수의 태양전지 모듈이 도면과 같이 직렬 접속된 상태에서, 일부 태양전지 모듈(1320)에서 핫 스팟이 발생하여, 일부 전력 손실이 발생하는 경우(예를 들어, 70W 전력 공급), 정상적인 태양전지 모듈(1310)도, 일부 전력 손실이 발생(예를 들어, 70W 전력 공급)하게 된다. 따라서, 총 980W의 전력만을 공급하게 된다.
다음, 도 19b를 참조하여, 파워 옵티마이징이 적용되는 경우를 설명한다. 일부 태양전지 모듈(1320)에서 핫 스팟이 발생하여, 일부 전력 손실이 발생하는 경우(예를 들어, 70W 전력 공급), 해당 태양전지 모듈(1320)에서 공급되는 전류가 다른 태양전지 모듈(1310)에서 공급되는 전류와 동일하도록, 해당 태양전지 모듈(1320)에서 출력되는 전압을 낮춘다. 이에 따라, 핫 스팟이 발생한 태양전지 모듈(1320)에서는 일부 전력 손실이 발생(예를 들어, 70W 전력 공급)하게 되나, 정상적인 태양전지 모듈(1310)에서는, 전력 손실이 없게(예를 들어, 100W 전력 공급) 된다. 따라서, 총 1340W의 전력을 공급할 수 있게 된다.
이와 같이, 파워 옵티마이징에 따르면, 다른 태양전지 모듈에서 공급되는 전류에 맞추어, 핫 스팟이 발생하는 태양전지 모듈에서 공급되는 전압을 조정할 수 있다. 이를 위해, 각 태양전지 모듈은, 다른 태양전지 모듈에서 공급되는 전류치 또는 전압치를 입력받아, 해당 태양전지 모듈 내의 전압 출력 등을 제어할 수 있다.
한편, 한편, 본 발명의 실시예에 따른, 도 16의 정션 박스(200)는, 도 19b의 파워 옵티마이저에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전력변환장치 또는 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 (20)

  1. 스위칭 소자를 구비하며, 입력되는 직류 전원을 스위칭하여 선택적으로 출력하는 스위칭부;
    탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며, 상기 스위칭부로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 컨버터; 및
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;를 구비하며,
    상기 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 오프 구간 동안, 상기 컨버터는, 제1 전력 변환 모드로 동작하고,
    상기 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 온 구간 동안, 상기 컨버터는, 제2 전력 변환 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 모드는, 벅(buck) 모드이고,
    상기 제2 전력 변환 모드는, 부스트(boost) 모드인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 제1 전력 변환 모드와 상기 제2 전력 변환 모드 동안, 일정한 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 직류 전원을 레벨 변환하여, 레벨 변환된 의사(pseudo) 직류 전원을 출력하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 인버터에서 출력되는 교류 전원을 로우패스 필터링하는 필터부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 모드 구간은, 상기 컨버터에서 변환되는 직류 전원 중 정전압 유지 구간에 대응하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환장치는,
    탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며, 서로 병렬 접속되는 복수의 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력되는 교류 전원의 전력 필요치에 대응하여, 상기 복수의 컨버터 중 적어도 일부가 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부의 스위칭 소자와, 상기 컨버터의 스위칭 소자와, 상기 인버터의 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 복수의 태양전지를 구비하는 태양전지 모듈; 및
    상기 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 변환하여 교류 전원으로 변환하는 전력변환부;를 포함하고,
    상기 전력변환부는,
    스위칭 소자를 구비하며, 입력되는 직류 전원을 스위칭하여 선택적으로 출력하는 스위칭부;
    탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며, 상기 스위칭부로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 컨버터; 및
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;를 구비하며,
    상기 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 오프 구간 동안, 상기 컨버터는 제1 전력 변환 모드로 동작하고,
    상기 스위칭부의 스위칭 소자의 턴 온 구간 동안, 상기 컨버터는, 제2 전력 변환 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 모드는, 벅(buck) 모드이고,
    상기 제2 전력 변환 모드는, 부스트(boost) 모드인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 제1 전력 변환 모드와 상기 제2 전력 변환 모드 동안, 일정한 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 직류 전원을 레벨 변환하여, 레벨 변환된 의사(pseudo) 직류 전원을 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  14. 제10항 또는 제13항에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    상기 인버터에서 출력되는 교류 전원을 로우패스 필터링하는 필터부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 모드 구간은, 상기 컨버터에서 변환되는 직류 전원 중 정전압 유지 구간에 대응하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    탭 인덕터와 스위칭 소자를 구비하며, 서로 병렬 접속되는 복수의 컨버터를 구비하며,
    상기 전력변환부에서 출력되는 교류 전원의 전력 필요치에 대응하여, 상기 복수의 컨버터 중 적어도 일부가 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    상기 스위칭부의 스위칭 소자와, 상기 컨버터의 스위칭 소자와, 상기 인버터의 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    상기 복수의 태양전지 중 역방향 전압이 발생하는 태양전지를 바이패스 시키는 바이패스 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 전력변환부 내의 상기 컨버터와 인버터는 정션 박스 내에 실장되며,
    상기 정션 박스는, 상기 태양전지 모듈에 부착되어 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 전력변환부 내의 상기 컨버터는 정션 박스 내에 실장되며,
    상기 정션 박스는, 상기 태양전지 모듈에 부착되어 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
KR1020120077006A 2012-01-27 2012-07-16 전력변환장치, 및 태양광 모듈 KR101954195B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120077006A KR101954195B1 (ko) 2012-07-16 2012-07-16 전력변환장치, 및 태양광 모듈
EP13000337.9A EP2621075B1 (en) 2012-01-27 2013-01-23 Power converting apparatus and photovoltaic module
CN201310086250.7A CN103227577B (zh) 2012-01-27 2013-01-25 功率转换装置和光伏模块
US13/749,870 US9281759B2 (en) 2012-01-27 2013-01-25 Power converting apparatus and photovoltaic module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120077006A KR101954195B1 (ko) 2012-07-16 2012-07-16 전력변환장치, 및 태양광 모듈

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140010218A true KR20140010218A (ko) 2014-01-24
KR101954195B1 KR101954195B1 (ko) 2019-03-05

Family

ID=50142952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120077006A KR101954195B1 (ko) 2012-01-27 2012-07-16 전력변환장치, 및 태양광 모듈

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101954195B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170125566A (ko) * 2016-05-04 2017-11-15 엘지전자 주식회사 태양광 모듈, 및 이를 구비하는 태양광 시스템
KR20180079822A (ko) * 2017-01-02 2018-07-11 엘지전자 주식회사 태양광 모듈

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5460244A (en) * 1992-03-06 1995-10-24 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Elevator control apparatus using parallel converters and inverters with means to control circulating current
JP2000152647A (ja) * 1998-11-05 2000-05-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 系統連系インバータ
US20090086520A1 (en) * 2006-04-18 2009-04-02 Kazuhito Nishimura Grid-Connected Power Conditioner and Grid-Connected Power Supply System
US20110031816A1 (en) * 2009-07-30 2011-02-10 Nxp B.V. Photovoltaic unit, a dc-dc converter therefor, and a method of operating the same
US20110061705A1 (en) * 2009-09-11 2011-03-17 Miasole Rotatable junction box for a solar module
US7929325B2 (en) * 2008-05-27 2011-04-19 General Electric Company High efficiency, multi-source photovoltaic inverter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5460244A (en) * 1992-03-06 1995-10-24 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Elevator control apparatus using parallel converters and inverters with means to control circulating current
JP2000152647A (ja) * 1998-11-05 2000-05-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 系統連系インバータ
US20090086520A1 (en) * 2006-04-18 2009-04-02 Kazuhito Nishimura Grid-Connected Power Conditioner and Grid-Connected Power Supply System
US7929325B2 (en) * 2008-05-27 2011-04-19 General Electric Company High efficiency, multi-source photovoltaic inverter
US20110031816A1 (en) * 2009-07-30 2011-02-10 Nxp B.V. Photovoltaic unit, a dc-dc converter therefor, and a method of operating the same
US20110061705A1 (en) * 2009-09-11 2011-03-17 Miasole Rotatable junction box for a solar module

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170125566A (ko) * 2016-05-04 2017-11-15 엘지전자 주식회사 태양광 모듈, 및 이를 구비하는 태양광 시스템
US11108262B2 (en) 2016-05-04 2021-08-31 Lg Electronics Inc. Photovoltaic module and photovoltaic system including the same
KR20180079822A (ko) * 2017-01-02 2018-07-11 엘지전자 주식회사 태양광 모듈

Also Published As

Publication number Publication date
KR101954195B1 (ko) 2019-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2621075B1 (en) Power converting apparatus and photovoltaic module
KR101796045B1 (ko) 태양광 모듈
JP6522348B2 (ja) 太陽光モジュール
KR20120116154A (ko) 태양광 모듈 및 그 제어방법
KR20120121088A (ko) 태양광 모듈
KR102317140B1 (ko) 전력변환장치 및 태양광 모듈
JP2015139367A (ja) 電力変換装置、太陽光モジュール、通信装置及びそれを備える太陽光システム
KR102156061B1 (ko) 전력변환장치 및 태양광 모듈
KR102615960B1 (ko) 전력변환장치, 및 이를 구비하는 태양광 모듈
KR101954194B1 (ko) 전력변환장치, 및 태양광 모듈
KR102000062B1 (ko) 태양광 모듈
KR20120140023A (ko) 태양광 모듈
KR101824983B1 (ko) 태양광 모듈, 태양광 시스템 및 그 동작방법
KR102272675B1 (ko) 태양광 모듈
KR101889773B1 (ko) 태양광 모듈, 및 이를 구비하는 태양광 시스템
KR102279789B1 (ko) 전력변환장치 및 태양광 모듈
EP2897267B1 (en) Power conversion apparatus and photovoltaic module including the same
KR101954195B1 (ko) 전력변환장치, 및 태양광 모듈
KR101959302B1 (ko) 태양광 모듈, 및 태양광 시스템
KR20120140418A (ko) 태양광 모듈
KR20120116155A (ko) 태양광 모듈
KR20130137926A (ko) 태양광 모듈
KR20120129112A (ko) 태양광 및 태양광열 복합 시스템
KR20160025933A (ko) 트랜스포머 및 이를 구비한 전력변환장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant