전력 전자의 기술 동향 - 매트릭스 컨버터(Matrix Converter) -

 

근래 전력전자 시장에서 사용하는 컨버터의 최신 기술 중 하나인 매트릭스 컨버터(Matrix converter)에 대해서 포스팅해 보겠습니다.

 

- 간접 매트릭스 컨버터의 회로도 기본 회로도 -

 

 - 매트릭스 컨버터 소개 -

 

매트릭스 컨버터의 정의

 

매트릭스 컨버터는 반도체 스위치 매트릭스를 사용하여 AC 전력을 한 주파수에서 다른 주파수로, 한 전압 레벨에서 다른 전압 레벨로 변환할 수 있는 전자 전력 변환기입니다. 정류기와 인버터를 사용하는 기존 컨버터와 달리 매트릭스 컨버터는 DC 링크 커패시터나 중간 DC 버스가 필요하지 않으므로 크기와 무게가 줄어듭니다.
매트릭스 컨버터에서 입력과 출력 사이의 전력 흐름은 매트릭스 패턴으로 배열된 일련의 양방향 스위치에 의해 제어됩니다. 반도체 스위치의 스위칭 시퀀스는 원하는 출력 전압과 주파수를 생성하기 위해 제어 알고리즘에 의해 제어됩니다. 따라서 매트릭스 컨버터는 광범위한 입력 및 출력 전압과 주파수 범위에서 작동할 수 있습니다.
매트릭스 컨버터는 기존 컨버터에 비해 더 높은 효율, 더 낮은 비용, 더 작은 크기 및 무게 감소 등 여러 가지 장점이 있습니다. 풍력 터빈, 태양광 인버터, 모터 드라이브 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

매트릭스 컨버터의 종류들

 

매트릭스 변환기에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.

1. 다이렉트 매트릭스 컨버터(DMC)
다이렉트 AC-AC 컨버터라고도 하는 디렉트 매트릭스 컨버터는 DC 링크 없이 입력 AC 전압을 출력 AC 전압으로 직접 변환하는 매트릭스 컨버터입니다. 이 유형의 컨버터는 양방향 스위치 매트릭스를 사용하여 입력 전압을 출력 전압에 직접 연결합니다. DMC는 단순성, 높은 신뢰성, 고효율로 잘 알려져 있습니다.

2. 간접 매트릭스 컨버터(IMC)
간접 AC-AC 컨버터라고도 하는 간접 매트릭스 컨버터는 중간 DC 링크를 사용하여 입력 AC 전압을 중간 DC 전압으로 변환한 다음 다른 매트릭스 컨버터를 사용하여 출력 AC 전압으로 다시 변환합니다. IMC는 DMC보다 복잡하지만 출력 전압 및 전류 파형을 더 잘 제어할 수 있으므로 모터 드라이브와 같은 애플리케이션에 적합합니다.

DMC와 IMC 모두 장단점이 있으며, 매트릭스 컨버터의 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라집니다.

실제 매트릭스 컨버터의 활용도

 

매트릭스 컨버터는 재생 에너지 시스템, 전기 운송, 산업 자동화 등 다양한 산업 및 상업용 애플리케이션에 사용됩니다. 다음은 매트릭스 컨버터의 실제 활용 사례입니다.

1. 풍력 터빈

매트릭스 컨버터는 일반적으로 풍력 터빈에서 발전기의 가변 주파수 AC 출력을 그리드에 필요한 정주파수 AC로 변환하는 데 사용됩니다. 매트릭스 컨버터는 부피가 큰 DC 링크가 필요하지 않으므로 풍력 터빈의 크기와 무게를 줄여줍니다.

2. 전기 자동차

매트릭스 컨버터는 전기 자동차에서 배터리의 DC 전압을 모터에 필요한 AC 전압으로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 매트릭스 컨버터는 전기 자동차 파워트레인을 위한 콤팩트하고 효율적인 설루션을 제공합니다.

3. 산업 자동화

매트릭스 컨버터는 산업 자동화 시스템에서 전기 모터의 속도와 토크를 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 출력 전압과 주파수를 직접 제어하여 모터를 정밀하게 제어할 수 있으므로 에너지 소비를 줄이고 시스템 효율을 개선할 수 있습니다.

4. 태양광 인버터

매트릭스 컨버터는 태양광 인버터에서 태양광 패널의 DC 전압을 그리드에 필요한 AC 전압으로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 매트릭스 컨버터는 더 높은 효율을 달성하고 태양광 발전 시스템의 비용을 절감할 수 있습니다.

5. HVAC 시스템

매트릭스 컨버터는 난방, 환기 및 공조(HVAC) 시스템에서 컴프레서 모터의 속도를 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 매트릭스 컨버터는 출력의 주파수와 전압을 조정하여 HVAC 시스템의 효율을 개선하고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

 - 매트릭스 컨버터 기술의 역사와 동향 -

 

매트릭스 컨버터의 역사

 

매트릭스 컨버터의 개념은 1970년대에 고전력 및 고주파 AC-AC 변환을 위한 잠재적 설루션으로 처음 제안되었습니다. 초기 매트릭스 컨버터는 사이리스터와 다이오드의 조합을 기반으로 하여 스위칭 주파수와 효율이 제한적이었습니다.
1980년대에는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 기타 고속 반도체 장치가 등장하면서 매트릭스 컨버터의 개발이 탄력을 받게 되었습니다. 1986년 스위스 회사인 ABB는 IGBT를 기반으로 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있는 최초의 상용 매트릭스 컨버터를 출시했습니다. 그 이후로 매트릭스 컨버터는 스위칭 장치, 제어 알고리즘 및 변조 기술이 개선되면서 상당한 발전을 거듭해 왔습니다. 연구원들은 다양한 애플리케이션에 맞게 매트릭스 컨버터의 성능과 효율성을 최적화하기 위해 직접 매트릭스 컨버터, 간접 매트릭스 컨버터, 하이브리드 매트릭스 컨버터 등 다양한 토폴로지를 탐색해 왔습니다.

오늘날 매트릭스 컨버터는 재생 에너지 시스템, 전기 운송 및 산업 자동화 분야에서 널리 사용되고 있으며, 고전력 및 고주파 AC-AC 변환을 위한 유망한 기술로 간주됩니다. 현재 기술 동향은 아래와 같습니다.

 

매트릭스 컨버터의 현재 기술 동향

 

1. 와이드 밴드갭(WBG) 디바이스

매트릭스 컨버터는 기존 실리콘 기반 디바이스에 비해 더 높은 스위칭 주파수, 더 높은 효율, 더 높은 전력 밀도를 제공하는 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN) 트랜지스터와 같은 WBG 디바이스의 사용으로 이점을 누리고 있습니다.

2. 고급 제어 알고리즘

머신 러닝, 인공 지능, 모델 예측 제어를 기반으로 하는 고급 제어 알고리즘이 개발되어 효율성, 신뢰성, 내결함성 측면에서 매트릭스 컨버터의 성능을 개선하고 있습니다.

3. 하이브리드 토폴로지

직접 및 간접 매트릭스 컨버터 토폴로지를 결합한 하이브리드 토폴로지는 고효율, 낮은 고조파 왜곡, 부품 수 감소 등 두 토폴로지의 이점을 모두 달성하기 위해 연구되고 있습니다.

4. 멀티 레벨 매트릭스 컨버터

출력 전압을 높이고 고조파 왜곡을 줄이기 위해 일련의 소형 매트릭스 컨버터를 계단식으로 연결하는 멀티레벨 매트릭스 컨버터가 연구되고 있습니다.

5. 에너지 저장 시스템과의 통합

매트릭스 컨버터는 주파수 조정, 전압 지원, 전력 품질 관리와 같은 향상된 그리드 지원 서비스를 제공하기 위해 배터리, 슈퍼 커패시터, 플라이휠과 같은 에너지 저장 시스템과 통합되고 있습니다.

전반적으로 이러한 기술 트렌드로 인해 매트릭스 컨버터의 효율성과 소형화, 신뢰성이 향상되어 다양한 산업 및 상업용 애플리케이션에서 매트릭스 컨버터가 채택되고 있습니다.

 

 - 매트릭스 컨버터 기술의 한계점들 -

 

매트릭스 컨버터는 기존 AC-DC-AC 컨버터에 비해 여러 가지 장점을 제공하지만 몇 가지 문제점과 한계도 있습니다. 다음은 매트릭스 컨버터의 몇 가지 주요 문제점입니다.

1. 높은 스위칭 주파수

매트릭스 컨버터는 높은 스위칭 주파수에서 작동하므로 손실과 전자기 간섭이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 완화하려면 고급 스위칭 장치와 제어 알고리즘이 필요합니다.

2. 높은 dv/dt

매트릭스 컨버터의 빠른 스위칭은 모터 권선에 높은 dv/dt(전압 변화율)를 생성하여 전기적 스트레스와 절연 고장을 일으킬 수 있습니다. dv/dt를 줄이려면 필터 및 PWM 기술과 같은 추가 조치가 필요합니다.

3. 복잡성 증가

매트릭스 컨버터의 직접 AC-AC 변환에는 양방향 스위치 매트릭스가 필요하므로 시스템의 복잡성과 비용이 증가합니다. 이러한 복잡성은 유지보수 및 안정성 문제도 증가시킬 수 있습니다.

4. 제한된 출력 전압

매트릭스 컨버터의 출력 전압은 입력 전압과 스위치 상태 수에 의해 제한되므로 고전압 애플리케이션에서 사용이 제한될 수 있습니다.

5. 제한된 내결함성

매트릭스 컨버터는 결함에 민감하며 결함이 발생하면 손상될 수 있습니다. 안전한 작동을 보장하기 위해서는 추가적인 보호 조치와 결함 감지 기술이 필요합니다.

이러한 과제에도 불구하고 와이드 밴드갭 디바이스, 고급 제어 알고리즘, 새로운 토폴로지에 대한 지속적인 연구 개발로 이러한 문제를 해결하고 다양한 산업 및 상업용 애플리케이션에서 매트릭스 컨버터의 채택을 주도하고 있습니다.

 

이상, 전력전자 시장에서 사용하는 컨버터의 최신 기술 중 하나인 매트릭스 컨버터에서 대해서 포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 감사드립니다.