전력 전자의 기술 동향 - 자체 정류 CSI(전류 소스 인버터)

 

 전류 소스 인버터 중의 종류 중의 대표적으로 자주 쓰는 자체 정류 CSI(전류 소스 인버터)에 대해서 포스팅해 보겠습니다. 

 

 

 - 자체 정류 CSI 소개 -

 

자체 정류 CSI의 정의

 

자체 정류 CSI는 제어 가능한 반도체 소자를 활용하여 전류 출력을 조절하고 제어하는 인버터 시스템을 말합니다. 출력 전압을 조절하는 전압 소스 인버터(VSI)와 달리, 자체 정류 CSI는 출력 전류 파형을 제어하는 데 중점을 둡니다. 자체 정류 CSI에서 입력 DC 전류는 제어 가능한 반도체 스위치를 사용하여 가변 AC 전류 파형으로 변환됩니다. IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 또는 SiC(실리콘 카바이드) MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)과 같은 이러한 스위치는 원하는 사양에 따라 전류가 제어 및 변조되는 방식으로 작동합니다.
자체 정류 CSI는 전력 변환 시스템에서 여러 가지 이점을 제공합니다. 출력 전류를 조절할 때 높은 제어 가능성과 유연성을 제공하여 모터 드라이브, 무효 전력 보상 및 정확한 전류 조절이 필요한 기타 애플리케이션을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 또한 자가 정류 CSI는 회생 에너지 흐름을 처리할 수 있어 양방향 전력 흐름과 에너지 회생이 가능합니다.

자체 정류 CSI의 실생활의 사용 예시

 

자체 정류 CSI 기술은 전류 파형의 정밀한 제어와 효율적인 전력 변환이 필요한 다양한 실제 시나리오에서 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 아래는 몇 가지 일반적인 사용 사례입니다.

 

1. 산업용 모터 드라이브

자가 정류 CSI는 산업용 모터 드라이브, 특히 고전력 및 고성능 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. 정확한 전류 제어, 가변 속도 작동, 회생 제동 기능을 제공하므로 제조, 석유 및 가스, 광업, 운송 등의 산업에 적합합니다.

2. 재생 에너지 시스템

자가 정류 CSI는 풍력 터빈 및 태양광 발전(PV) 시스템과 같은 재생 에너지 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 재생 에너지 소스에서 생성된 DC 전력을 제어된 전류 파형을 사용하여 그리드 통합을 위해 AC 전력으로 변환합니다. 자체 정류 CSI는 그리드 동기화, 역률 보정, 무효 전력 보상을 지원합니다.

3. 그리드 규모 에너지 스토리지

자체 정류 CSI는 배터리 에너지 저장 또는 슈퍼 커패시터 시스템과 같은 그리드 규모의 에너지 저장 시스템에 사용됩니다. 에너지 저장 장치와 주고받는 전류를 조절하여 양방향 전력 흐름, 효율적인 에너지 저장 및 방출을 가능하게 합니다. 자체 정류 CSI는 그리드 안정화, 피크 감소, 부하 분산 및 전압 지원을 지원합니다.

4. 전기 자동차 충전

자가 정류 CSI는 전기 자동차(EV) 충전 인프라에 활용됩니다. 그리드 AC 전력을 EV 배터리 충전에 필요한 DC 전원으로 변환합니다. 자가 정류 CSI는 정밀한 전류 제어와 역률 보정을 가능하게 하여 전기차를 효율적이고 안전하게 충전할 수 있도록 합니다.

5. 전력 품질 개선

자체 정류 CSI는 유효 전력 필터(APF) 및 정적 변동 보상기(SVC)와 같은 전력 품질 개선 장치에 사용할 수 있습니다. 이러한 장치는 고조파를 완화하고 무효 전력을 보상하며 전기 시스템의 전반적인 역률을 개선하여 전력 품질을 향상하고 전력망의 장애를 줄이는 데 도움이 됩니다.

이는 자가 정류 CSI의 실제 적용 사례 중 일부에 불과합니다. 정확한 전류 제어, 양방향 전력 흐름, 효율적인 전력 변환 기능을 제공하므로 광범위한 산업, 재생 에너지 및 전력 품질 향상 애플리케이션에 적합합니다.

 

자체 정류 CSI의 종류들

 

일반적으로 사용되는 자체 정류 CSI 토폴로지에는 아래와 같이 여러 유형이 있습니다.

1. 전압 소스 인버터(VSI)

VSI 기반 자체 정류 CSI에서는 반도체 디바이스의 스위칭을 제어하여 출력 전압을 조절합니다. VSI는 고정 DC 전압 소스를 가변 AC 전압 소스로 변환합니다.

2. 전류 소스 인버터(CSI)

CSI 기반 자체 정류 CSI에서는 반도체 디바이스의 스위칭을 제어하여 출력 전류를 조절합니다. CSI는 고정 DC 전류 소스를 가변 AC 전류 소스로 변환합니다.

3. NPC(중성점 클램프) 인버터

NPC 인버터는 추가 클램핑 다이오드와 커패시터를 사용하여 DC 링크의 전압을 제어하고 3 레벨 출력 전압 파형을 달성하는 널리 사용되는 자체 정류 CSI 유형입니다. NPC 인버터는 스위치의 전압 스트레스를 줄이고 출력 전압의 고조파 왜곡을 낮출 수 있습니다.

4. 플라잉 커패시터 인버터

플라잉 커패시터 인버터는 특정 구성으로 연결된 일련의 커패시터를 사용하여 출력에서 여러 전압 레벨을 생성합니다. 플라잉 커패시터 인버터는 커패시터 연결을 전환하여 전압 스텝 변화를 달성하고 출력 전압을 제어합니다.

5. 캐스케이드 H 브리지 인버터

캐스케이드 H 브리지 인버터는 다중 레벨 출력 전압 파형을 생성하기 위해 직렬로 연결된 여러 개의 H 브리지 모듈로 구성됩니다. 각 H 브리지 모듈은 독립적으로 제어할 수 있어 전압을 정밀하게 조정하고 출력 전압의 고조파를 줄일 수 있습니다.

 토폴로지에는 전력 변환 시스템의 특정 요구 사항에 따라 장점과 응용 분야가 있습니다.

 - 자체 정류 CSI의 현재 기술 동향 -

 

 

자체 정류 CSI 분야에는 현재 많은 발전들이 이뤄지고 있습니다. 현재까지의 일반적인 동향을 몇 가지 정리하면 아래와 같습니다.

1. 와이드 밴드갭(WBG) 디바이스

SiC(실리콘 카바이드) 및 GaN(질화 갈륨)과 같은 와이드 밴드갭 반도체 디바이스의 채택은 자체 정류 CSI 기술에서 중요한 트렌드입니다. WBG 디바이스는 더 빠른 스위칭 속도, 더 낮은 스위칭 손실, 더 높은 온도 작동을 제공하여 CSI 시스템의 효율성과 전력 밀도를 개선합니다.

2. 멀티레벨 토폴로지

중성점 클램프(NPC) 및 캐스케이드 H 브리지 인버터와 같은 멀티레벨 자체 정류 CSI 토폴로지가 인기를 얻고 있습니다. 이러한 토폴로지는 고전력 애플리케이션에서 더 높은 전압 레벨, 스위치에 대한 전압 스트레스 감소, 고조파 왜곡 감소, 전반적인 성능 향상을 제공합니다.

3. 고급 제어 기술

모델 예측 제어(MPC), 고급 변조 기술, 예측 전류 제어 알고리즘과 같은 제어 기술의 발전이 자체 정류 CSI 시스템에 적용되고 있습니다. 이러한 제어 기술은 전류 파형 레귤레이션의 동적 응답, 정확성 및 안정성을 향상합니다.

4. 통합 전력 모듈

여러 전원 디바이스, 게이트 드라이버, 보호 회로를 통합한 통합 전원 모듈이 자체정류 CSI 시스템을 위해 개발되고 있습니다. 이러한 모듈은 향상된 통합, 감소된 기생, 간소화된 시스템 설계를 제공하여 CSI 기반 설루션을 더 빠르게 개발하고 구현할 수 있도록 지원합니다.

5. 에너지 스토리지 통합

효율적인 에너지 관리, 그리드 안정화 및 그리드 연계 애플리케이션을 구현하기 위해 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 기술과 자체 정류 CSI 시스템이 통합되고 있습니다. 이러한 통합은 시스템 성능을 향상하고 에너지 활용을 최적화하며 재생 에너지 통합을 지원하는 데 도움이 됩니다.

자체 정류 CSI의 기술 동향은 지속적으로 발전하고 있으며, 필자의 지식이 단절된 이후 새로운 개발이 이루어졌을 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 최신 연구, 업계 간행물 및 전문가 인사이트를 참고하여 자가 정전 CSI 기술의 최신 동향을 파악하는 것이 좋습니다.

 - 자체 정류 CSI 기술의 한계점들 -

 

자체 정류 CSI 기술은 다양한 이점을 제공하지만, 아래와 같이 여전히 특정 과제와 문제에도 직면해 있습니다.

1. 스위칭 손실

자체 정류 CSI는 IGBT 또는 MOSFET과 같은 반도체 디바이스의 고속 스위칭에 의존합니다. 이러한 스위칭 동작은 전도 손실 및 스위칭 손실을 포함한 스위칭 손실을 초래합니다. 이러한 손실을 관리하고 최소화하는 것은 시스템의 전반적인 효율성을 개선하는 데 매우 중요합니다.

2. 전압 스트레스

중성점 클램프(NPC) 인버터 또는 캐스케이드 H 브리지 인버터와 같은 일부 자체 정류 CSI 토폴로지의 경우, 특히 고전압 레벨을 생성할 때 스위치에 가해지는 전압 스트레스가 상당할 수 있습니다. 이는 스위치의 신뢰성과 수명에 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 전압 밸런싱 기술과 전압 정격 고려가 필요합니다.

3. 고조파 왜곡

자체 정류 CSI는 출력 전류 파형에 고조파 왜곡을 일으킬 수 있습니다. 이러한 고조파는 전력 손실 증가, 전력 품질 저하, 다른 민감한 장비와의 간섭으로 이어질 수 있습니다. 적절한 필터링 기술을 구현하거나 다단계 토폴로지를 사용하면 고조파 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

4. 복잡성 및 비용

특히 고급 제어 기술과 다중 레벨 토폴로지를 사용하는 자체 정류 CSI는 설계, 구현 및 제어가 복잡할 수 있습니다. 복잡성이 증가하면 하드웨어, 제어 알고리즘 및 시스템 통합 측면에서 비용이 증가할 수 있습니다. 비용 최적화와 효과적인 시스템 설계는 필수 고려 사항입니다.

5. EMI 및 노이즈

자체 정류 CSI의 빠른 스위칭 동작은 고주파 전자파 간섭(EMI) 및 노이즈를 발생시킬 수 있습니다. 이로 인해 주변 전자 시스템과 간섭이 발생할 수 있으며 전자파 적합성(EMC) 표준을 충족하기 위해 추가적인 필터링 및 차폐 조치가 필요할 수 있습니다.

6. 열 관리

자체 정류 CSI는 스위칭 손실과 전력 손실로 인해 상당한 열을 발생시킬 수 있습니다. 적절한 냉각을 보장하고 반도체 디바이스의 과열을 방지하려면 효과적인 열 관리가 중요합니다. 적절한 방열판, 냉각 시스템, 열 설계 고려 사항이 필요합니다.

이러한 과제를 해결하려면 신중한 설계, 고급 제어 알고리즘, 적절한 부품 선택, 효과적인 시스템 통합 기술이 필요합니다. 지속적인 연구 개발 노력은 이러한 문제를 극복하고 자체 정류 CSI 기술의 성능, 효율성 및 신뢰성을 향상하는 것을 목표로 합니다.

이상으로 자체 정류 CSI에 대해서 포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 감사드립니다.