태양광 발전(PV) 시스템에서 모듈 차원 전력 전자 장치(MLPE)는 특히 그늘과 같은 특정 조건 하에서 전력 생산 성능을 향상시킵니다. 한때 비용이 많이 드는 전문 분야로 여겨졌기 때문에 MLPE는 현재 태양광 산업에서 가장 빠르게 성장하는 시장 부문 중 하나입니다. 태양광 전력 옵티마이저는 PV 패널의 전원 출력을 최적화하고 효율성을 높이는 MLPE의 한 유형입니다.

기존의 태양광 전력 옵티마이저는 바이패스 회로에 P-N 접합부 다이오드 또는 쇼트키 다이오드를 사용합니다. 높은 전류가 다이오드를 통해 흐르게 되면 높은 전력 손실로 인해 다이오드의 순방향 전압 강하로 인해 심각한 열 문제가 발생할 수 있습니다. 향상된 방법은 다이오드보다 전압 강하가 낮은 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)를 사용하여 고전력 손실을 극복합니다.

또한 태양광 옵티마이저는 이제 주어진 전력 수준에서 전도 손실이 낮아져 효율성이 향상되고 시스템 비용이 절감되므로 두 개의 태양광 패널을 직렬로 연결하여 최대 150V의 과도 전압까지 더 높은 입력 전압을 지원할 수 있습니다. 이 문서에서는 부동 게이트 이상적 다이오드 컨트롤러를 사용하는 확장형 바이패스 회로 솔루션에 대해 설명합니다. 이 회로는 태양광 전력 옵티마이저, 신속 종료, PV 정션 박스 등의 태양광 전력 애플리케이션에서 넓은 전압 지원을 제공하는 바이패스 스위치와 관련된 과제를 해결합니다.

그림 1에서는 개별 PV 패널에 태양광 전력 옵티마이저가 설치된 PV 시스템을 보여줍니다.

전력 옵티마이저는 마이크로인버터와 스트링 인버터의 절충안이라고 생각하면 됩니다. 마이크로 인버터와 같은 개별 태양광 패널에 설치되지만, 그 기능은 DC를 AC 전기로 변환하는 것과 아무 상관이 없습니다. 전력 옵티마이저는 각 태양광 패널의 최대 전력을 실시간으로 추적하고 인버터로 전송하기 전에 출력 전압을 조정합니다. 따라서 인버터는 훨씬 더 많은 전기를 처리할 수 있습니다. 그 결과, 태양 방향, 그늘이나 하나 이상의 패널 손상에 관계없이 모든 단일 태양광 패널에 대해 최적의 전력 출력 성능을 제공합니다. 각 PV 패널에 전력 옵티마이저가 설치된 태양광 시스템은 개별 패널 수준 옵티마이저 없이 시스템에 비해 효율성이 20%~30% 더 높아질 수 있습니다.

고전력 태양광 인버터의 경우 여러 PV 패널을 직렬로 연결하는 것은 인버터 입력으로 높은 DC 입력 전압을 달성합니다. 그림 2에 나와 있는 것처럼, 해당 PV 패널에 최적화 장치를 배포하면 효율성이 가장 높습니다. PV 스트링은 옵티마이저의 출력에 의해 연결됩니다. 태양광 패널 중 하나가 고장 나면 PV 스트링 전압이 붕괴될 수 있는데, PV 패널은 모두 직렬로 연결되어 있기 때문입니다. 출력 바이패스 회로는 손상된 옵티마이저 주변의 스트링 전류에 병렬 경로를 제공합니다. 그림 2에서는 PV 패널 중 하나가 파손될 때 바이패스 기능이 어떻게 작동하는지 보여줍니다.

일반적으로 바이패스 회로를 위한 솔루션은 두 가지 종류가 있습니다. 그림 3에 나와 있는 것처럼 P-N 접합부 다이오드 또는 쇼트키 다이오드를 사용하여 바이패스 기능을 달성하는 일반적인 방법입니다. 저렴하고 사용이 간편하며 선택한 다이오드에 따라 매우 높은 역전압을 달성할 수 있습니다. 그러나 높은 순방향 전압 강하(0.5V~1V)와 같은 단점이 있으며, 이는 전력 손실이 높아지고 인쇄 회로 보드 요구 사항이 커집니다. 바이패스 다이오드 솔루션의 단점을 극복하기 위해 전압 강하가 훨씬 낮고 전력 손실이 적은(R_DS(on)이 낮기 때문에) N채널 MOSFET을 사용하는 것이 대안이 될 수 있습니다. 그러나 몇 가지 단점이 있습니다.

• MOSFET은 독립형 솔루션이 아닙니다. MOSFET를 스위치로 작동하려면 제어 회로가 필요합니다. 일반적으로 개별 MOSFET 드라이버 회로를 갖춘 마이크로컨트롤러(MCU)입니다.
• MCU에는 PV 패널의 전원이 필요합니다. 따라서 PV 패널이 심하게 손상되거나 어두운 그림자나 음영으로 완전히 가려지는 경우 MCU가 작동하지 않고 MOSFET가 켜질 수 없습니다.
• MCU에 고장이 발생할 경우 MOSFET을 켤 수 없으며, 바이패스 경로는 MOSFET의 바디 다이오드를 통해 이루어집니다. 그러나 MOSFET의 바디 다이오드는 큰 전류를 견딜 수 없으며 화재의 위험이 있는 높은 수준의 열이 누적됩니다.

MCU 기반 온 또는 오프 제어 체계의 단점을 해결하는 지능형 방법은 외부 개입 없이 자율적으로 작동할 수 있는 독립형 MOSFET 컨트롤러를 사용하는 것입니다. 텍사스 인스트루먼트의 부동 게이트 이상적 다이오드 컨트롤러인 LM74610-Q1 제품군은 직렬 다이오드 동작을 에뮬레이션하기 위해 외부 N채널 MOSFET를 제어하여 독립형 저손실 바이패스 스위치 솔루션을 제공합니다. 이러한 컨트롤러에는 MOSFET의 바디 다이오드 순방향 강하(약 0.5V)의 낮은 입력 전압으로 작동할 수 있는 부동 게이트 드라이브 아키텍처가 있습니다.

그러나 태양광 인버터 전력 수준이 높아지고 고전압 PV 패널이 채택됨에 따라 바이패스 회로는 기존 솔루션보다 더 나은 솔루션을 만들기 위한 몇 가지 요구 사항이 있습니다. 여러 플랫폼에 걸쳐 확장하려면 20V~150V의 PV 패널 전압과 연동되어야 하며, 다른 회로와는 독립적이어야 합니다.