2.1 NPC와 Active NPC 인버터

그림 1의 인버터 구조는 모두 3-레벨 인버터로서 기본적으로 직류 단 전압($V_{{dc}}$)을 이용하여 교류 전압($+V_{{dc}}/2$, 0, $-V_{{dc}}/2$)을 출력할 수 있다. 그림 1(a)와 같이 NPC 인버터에서는 한 레그에 4개의 Si IGBT ($Sw_{1}$, $Sw_{2}$, $Sw_{3}$, $Sw_{4}$)와 중성점 클램핑 다이오드 ($D_{1}$, $D_{2}$)가 존재한다. NPC 인버터는 하나의 레그에서 P (Positive), O (Zero), N (Negative) 세 가지 스위칭 상태가 가능하며, 중성점에 다이오드가 연결되어 영 전압(O 스위칭) 상태에서 수동적인 전류 흐름이 발생한다. NPC 토폴로지는 전력 전달 방향에 따라 소자별 손실 분포가 고르지 않아 PCS 설계 시 발열에 따른 소자 선정과 방열 설계가 큰 고려사항이다⁽¹²⁾. 그림 1(b)와 같이 ANPC 인버터에서는 NPC 인버터의 중성점 클램핑 다이오드를 Si IGBT ($Sw_{5}$, $Sw_{6}$)로 변경하여 더욱 많은 스위칭 상태를 능동적으로 고려할 수 있다. ANPC 인버터는 NPC 인버터보다 더욱 다양한 많은 변조 방법을 적용할 수 있지만, NPC 인버터와 마찬가지로 스위칭 손실이 크고 양방향 운전에서 소자별 손실 분포가 균일하지 않다. 스위치별 손실을 균일하게 하기 위한 손실 추정 및 접합온도를 계산하여 각 소자에서 발생하는 열을 균일하게 분배하는 방법이 존재하지만, 제어가 복잡하다⁽¹⁵⁾-⁽¹⁷⁾.

그림 1 중성점 클램핑 인버터의 종류와 구조 (a) NPC 인버터 (b) ANPC 인버터

Fig. 1 Type and structure of neutral-point-clamped inverters (a) NPC inverter (b) ANPC inverter

2.2 Hybrid ANPC 인버터

본 논문에서 분석하는 Hybrid ANPC 인버터는 그림 2와 같이 4개의 Si IGBT $Sw_{1}$, $Sw_{4}$, $Sw_{5}$, $Sw_{6}$ 와 2개의 SiC MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) $Sw_{2}$, $Sw_{3}$ 로 하나의 레그를 구성한다. SiC MOSFET은 밴드 갭 에너지가 큰(Wide Band Gap, WBG) 소자로서 Si보다 고온 안정성이 높고 턴-온/오프 에너지가 낮아 높은 주파수로 스위칭 동작이 가능하다⁽¹⁸⁾-⁽²⁰⁾. 모든 스위칭 소자가 Si IGBT로 구성된 기존의 ANPC 인버터와 달리 Hybrid ANPC는 Si IGBT와 SiC MOSFET을 혼용하여 각 소자의 장점을 활용하는 토폴로지이다. 또한, 한 레그 내에 있는 Si IGBT와 SiC MOSFET은 각기 다른 지령 신호에 의해 스위칭 동작을 수행하여 출력 전압을 변조한다. 앞서 언급한 바와 같이 일반적인 Si IGBT 기반 ANPC 인버터는 스위칭 소자 간의 온도 분배를 위하여 IGBT의 접합온도 추정을 요구하는 복잡한 O 스위칭 상태 선택 기법을 사용한다. 그러나 Hybrid ANPC 인버터는 스위칭 손실이 매우 작은 SiC MOSFET을 사용하며 Si IGBT는 매우 낮은 주파수로 스위칭 동작을 수행하기 때문에 모든 스위칭 소자의 손실은 대부분 전도 손실로 이루어져 복잡한 O 스위칭 상태 선택 기법 없이 상대적으로 균등한 온도 분배가 가능하다.

전력변환장치에 SiC MOSFET을 적용하는 주된 이유는 높은 스위칭 주파수로 운전을 하여도 고효율, 고전력 밀도의 인버터를 설계할 수 있기 때문이다. 모든 스위치가 SiC MOSFET으로 구성된 Full SiC-ANPC 인버터 토폴로지도 존재하지만 현재까지 SiC MOSFET의 가격은 Si IGBT 대비 4~6배 높으며 소자의 용량이 증가함에 따라 두 소자의 가격 차이는 더욱 커진다. Hybrid ANPC 구조는 200 kW 용량 기준 Full SiC-ANPC 구조 대비 약 절반의 스위칭 소자 가격으로 거의 동일한 출력 품질과 효율을 갖는 인버터를 구성할 수 있다⁽¹³⁾.

그림 2 Hybrid ANPC 인버터 구조

Fig. 2 Structure of Hybrid ANPC inverter

2.3 Hybrid ANPC 인버터의 변조 방법

Hybrid ANPC 인버터는 저속 스위칭 주파수(Low Frequency, LF)와 고속 스위칭 주파수(High Frequency, HF)를 혼합한 LF/HF 변조 방법을 사용한다. 그림 3과 같이 ANPC 인버터는 지령 상전압과 옵셋 전압을 더하여 변조된 지령 전압 신호를 삼각 반송파와 비교하여 스위칭 신호를 생성한다⁽²²⁾. 변조된 지령 전압이 삼각 반송파보다 클 경우 HF 신호는 턴-온 신호가 되고, 지령 전압이 삼각 반송파보다 작을 때 HF 신호는 턴-오프 신호로 발생한다. 삼각 반송파와 비교를 통해 생성된 HF 신호는 삼각 반송파와 동일한 주파수를 가지며, 게이트 드라이버(Gate Drive Unit, GDU)를 거쳐 SiC MOSFET의 게이트에 인가되어 매우 빠르게 스위치를 턴-온/오프 시킨다. 그림 3에 표시된 것과 같이 2개의 SiC MOSFET $Sw_{2}$, $Sw_{3}$는 HF 신호에 따라 상보적으로 동작한다. 지령 전압이 삼각 반송파보다 큰 값을 가지는 구간에서는 상단 스위치($Sw_{2}$)가 턴-온되며, 반대로 지령 전압이 삼각파 보다 작은 값을 가지는 구간에서는 하단 스위치($Sw_{3}$)가 턴-온 된다.

LF 신호는 삼각 반송파와 무관하며 변조된 지령 전압의 부호와 주파수에 따라 결정된다. 지령 전압이 양(+)의 값을 가지는 구간에서 LF 신호는 턴-온 신호가 되고, 지령 전압이 음(-)의 값을 가지는 구간에서 LF 신호는 턴-오프 신호가 된다. LF 신호는 지령 전압에 상응하는 주파수로 발생하며, HF 신호보다 비교적 느리게 Si IGBT를 턴-온/오프 시킨다. 4개의 Si IGBT 스위치 중에서 $Sw_{1}$, $Sw_{6}$ 스위치와 $Sw_{4}$, $Sw_{5}$ 스위치가 짝을 이루어 동작하며, $Sw_{4}$, $Sw_{5}$ 스위치가 턴-온 상태를 유지하는 동안 $Sw_{1}$, $Sw_{6}$ 스위치에서 턴-오프 상태가 지속된다. 나머지 반 주기 동안은 반대의 스위칭 상태를 가진다.

LF/HF 변조 방법을 사용하면 대부분의 스위칭 동작이 2개의 SiC MOSFET에 집중된다. 2개의 SiC MOSFET는 온도 변

그림 3 Hybrid ANPC 인버터의 LF/HF 변조 방식

Fig. 3 LF/HF modulation method of Hybrid ANPC inverter

화에 따른 턴-온/오프 에너지 변화가 작아서 고속 스위칭 주파수(HF)로 동작하더라도 스위칭 손실이 매우 적다. Si IGBT의 스위칭 주파수를 높이는 경우 큰 스위칭 손실이 발생하므로 4개의 스위치 $Sw_{1}$, $Sw_{4}$, $Sw_{5}$, $Sw_{6}$ 은 낮은 스위칭 주파수(LF)로 동작하여 스위칭 손실을 최소화한다. SiC MOSFET가 고속으로 스위칭하는 동안 Si IGBT가 통전 경로로만 사용되므로 Si IGBT에서 발생하는 전도 손실(Conduction loss)만을 고려하여 소자 선정이 가능하다. 고속 스위칭 주파수(HF)로 동작하는 스위치 $Sw_{2}$, $Sw_{3}$은 30kHz 이상으로 동작하여 인버터 등가 스위칭 주파수를 높이는 효과를 가진다. 이는 출력 전류의 전고조파 왜율(Total Harmonics Distortion, THD)을 개선하여 필터 인덕턴스의 감소, 인덕터의 물리적 크기 감소로 이어진다⁽²³⁾.

3.1 정방향 운전 시 특성 분석

Hybrid ANPC 인버터는 표 1과 같이 각 레그의 스위치별 온-오프 상태에 따라 4가지 스위칭 상태가 존재하며, 3-레벨 인버터이므로 3가지 극 전압을 출력한다. Positive (P) 스위칭 상태에서 극 전압은 양의 값($+V_{{dc}}/2$)이며, Negative (N) 스위칭 상태에서 극 전압은 음의 값($-V_{{dc}}/2$)이다. 기존 NPC 인버터의 Zero (O) 상태는 한가지이지만, Hybrid ANPC 인버터는 영 전압 생성을 위하여 두 가지의 Zero 스위칭 상태(O+, O-)를 가진다.,

P와 O+ 스위칭 상태에서 Si IGBT $Sw_{1}$과 $Sw_{6}$ 스위치는 턴-온, $Sw_{4}$와 $Sw_{5}$ 스위치는 턴-오프 상태이며, 최종적으로 스위칭 상태는 SiC MOSFET의 상태에 의해 결정된다. 반대로 N과 O- 스위칭 상태에서 $Sw_{1}$과 $Sw_{6}$ 스위치는 턴-오프, $Sw_{4}$와 $Sw_{5}$ 스위치는 턴-온 상태이며, 마찬가지로 스위칭 상태는 SiC MOSFET에 의해 결정된다. 이는 앞서 설명한 것처럼 저속(LF)으로 동작하는 Si IGBT 대비 고속(HF)으로 동작하는 SiC MOSFET에서 더 많은 스위칭 동작과 스위칭 손실이 발생한다는 것을 의미한다.

각 스위칭 상태에 따른 스위치별 온-오프 상태와 도통 전류의 크기에 따라 식(1), (2)와 같이 전도 손실이 발생하며 식(3)과 같이 스위칭 손실이 발생한다⁽²⁴⁾-⁽²⁵⁾. $V_{CE}$는 컬렉터-이미터 양단 전압 강하, $I_{C}$는 컬렉터 전류, $V_{DS}$는 드레인-소스 양단 전압 강하, $I_{D}$는 드레인 전류이며, $D_{IGBT}$와 $D_{FET}$는 스위치의 듀티 비 이다. IGBT와 MOSFET 스위칭 동작에서 발생하는 손실은 스위칭 주파수 $f_{sw}$, 턴-온/오프로 발생하는 에너지($E_{on}$, $E_{off}$)를 기반으로 식(3)과 같이 계산할 수 있다⁽²⁶⁾.

출력 전류가 양의 값일 때, 스위칭 상태는 P와 O+ 상태를 반복한다. 이 구간 동안 Si IGBT $Sw_{1}$, $Sw_{6}$는 켜지며, SiC MOSFET $Sw_{2}$, $Sw_{3}$는 고속으로 켜지고 꺼진다. P 상태에서 $Sw_{1}$, $Sw_{2}$, $Sw_{6}$ 스위치가 켜지며, O+ 상태에서 $Sw_{1}$, $Sw_{3}$, $Sw_{6}$ 스위치가 켜진다. 정방향 운전 시 그림 4(a)와 같이 P 스위칭 상태에서 양의 전류가 $Sw_{1}$, $Sw_{2}$ 스위치로 도통된다. 그림 4(b)와 같이 $Sw_{2}$ 스위치가 턴-오프, $Sw_{3}$ 스위치가 턴-온되며 O+ 스위칭 상태로 전환되어 2개의 SiC MOSFET에서 스위칭 손실이 발생한다.

출력 전류가 음의 값일 때 스위칭 상태는 N과 O- 상태를 반복하며, Si IGBT $Sw_{4}$, $Sw_{5}$가 켜진 상태를 유지한다. 정방향 운전 시 그림 4(c)와 같이 N 스위칭 상태에서 음의 전류가 $Sw_{3}$, $Sw_{4}$ 스위치로 도통된다. 그림 4(d)와 같이 $Sw_{2}$ 스위치가 턴-온, $Sw_{3}$ 스위치가 턴-오프되며 O- 스위칭 상태로 전환되어 2개의 SiC MOSFET에서 스위칭 손실이 발생한다.

그림 4 Hybrid ANPC 인버터의 동작(PF: 1) (a) P (b) O+ (c) N (d) O- 상태

Fig. 4 Operation of Hybrid ANPC inverter(PF: 1) (a) P (b) O+ (c) N (d) O- state

3.2 역방향 운전 시 특성 분석

역방향 운전 시 정방향과 반대로 전류가 음의 값을 가질 때, 스위칭 상태는 P와 O+ 상태를 반복한다. 이 구간 동안 정방향 운전 시와 마찬가지로 Si IGBT $Sw_{1}$, $Sw_{6}$는 켜지며, SiC MOSFET $Sw_{2}$, $Sw_{3}$는 상보적으로 켜지고 꺼지는 동작을 반복한다.

그림 5 Hybrid ANPC 인버터의 동작(PF: -1) (a) P (b) O+ (c) N (d) O- 상태

Fig. 5 Operation of Hybrid ANPC inverter(PF: -1) (a) P (b) O+ (c) N (d) O- state

P 상태에서 그림 5(a)와 같이 $Sw_{1}$, $Sw_{2}$, $Sw_{6}$ 스위치가 켜지며, 전류는 스위치 $Sw_{1}$, $Sw_{2}$ 로 도통한다. 스위치 양단의 전압과 전류의 방향이 정방향 운전 시와 반대이므로 $Sw_{1}$의 역병렬 다이오드를 통한 도통 손실이 발생하며, $Sw_{2}$는 드레인-소스 전압에 따라 양방향으로 도통이 가능한 소자이므로 정방향 운전과 같은 도통 손실이 발생한다. O+ 상태에서는 그림 5 (b)와 같이 $Sw_{1}$, $Sw_{3}$, $Sw_{6}$ 스위치가 켜지며, $Sw_{6}$의 역병렬 다이오드와, $Sw_{3}$ 스위치를 통해 전류가 도통한다. 이때, 각 스위치의 전도 손실은 식(4)와 같이 계산할 수 있다. $V_{d}$는 역병렬 다이오드의 순방향 전압 강하, $I_{F}$는 순방향 도통 전류, $D_{diode}$는 듀티 비를 의미한다. 반면 역병렬 다이오드의 스위칭 손실은 스위칭 주파수 $f_{sw}$, 역회복 에너지 $E_{rr}$를 바탕으로 식(5)와 같이 계산된다.

전류가 양의 값을 가질 때 스위칭 상태는 N과 O- 상태를 반복하며, Si IGBT $Sw_{4}$, $Sw_{5}$가 턴-온 상태를 유지한다. 그림 5(c)와 같이 N 스위칭 상태에서 양의 전류가 $Sw_{3}$, $Sw_{4}$ 스위치로 도통된다. $Sw_{2}$ 스위치가 턴-온, $Sw_{3}$ 스위치가 턴-오프되며 O- 스위칭 상태로 전환되어 2개의 SiC MOSFET에서 스위칭 손실이 발생한다. O- 상태에서는 O+ 상태와 비슷하게 Si IGBT 의 역병렬 다이오드로 전류가 도통된다. 정리하면 역방향 운전 시 Si IGBT에서 발생하는 전력 손실은 대부분 전도 손실인 반면, 고속으로 스위칭하는 SiC MOSFET에서 스위칭 손실과 전도 손실이 함께 발생한다. 역방향 운전 시 SiC MOSFET 스위치를 통해 전류가 도통되지만, Si IGBT 스위치에서는 역병렬 다이오드를 통해 전류가 도통된다. 스위칭 손실은 양방향 운전 모두 SiC MOSFET에서만 발생한다.

3.3 양방향 운전 분석 결과

앞에서 분석한 바와 같이 Hybrid ANPC 인버터는 양방향 운전에서 동일한 전류 경로를 나타낸다. 따라서 정방향, 역방향 운전 모두에서 스위칭 소자의 손실이 거의 동일하게 발생하며 결과적으로 온도와 효율 모두 동일한 특성을 갖는다. 이와 같은 Hybrid ANPC 인버터의 양방향 운전 특성을 일반적인 NPC 인버터와 비교한 결과는 그림 6과 같다. 그림의 빨간색, 파란색 실선은 각각 양의 전류와 음의 전류가 흐를 때의 스위칭 상태가 변하는 경로를 나타낸다. 그림 6(a)의 정방향 운전(PF: 1) 시, P 스위칭 상태에서는 양의 전류가 $Sw_{1}$을 통해 흐르며 O 스위칭 상태로 변경되면 $D_{5}$를 통해 흐른다. 즉, $Sw_{1}$과 $D_{5}$에는 스위칭 손실($P_{sw}$)과 전도 손실($P_{con}$)이 함께 발생한다. $Sw_{2}$는 계속 턴-온 상태이므로 전도 손실만 발생한다. 반면에 역방향 운전(PF: -1) 시, P 스위칭 상태에서는 음의 전류가 $D_{1}$을 통해 흐르며 O 스위칭 상태로 변경되면 $Sw_{3}$를 통해 흐른다. 즉, $D_{1}$과 $Sw_{3}$에는 스위칭 손실과 전도 손실이 함께 발생한다. $D_{6}$에도 전류가 통전, 차단을 반복하지만 역전압이 걸리지 않기 때문에 스위칭 손실은 거의 발생하지 않는다. 따라서 전도 손실만 발생한다. 결과적으로 일반적인 NPC 인버터는 전력 전달 방향에 따라 각 소자마다 발생하는 전력 손실의 종류가 다르며 온도 분포 또한 상이하다.

Hybrid ANPC 인버터의 Si IGBT는 기본파 한 주기 동안 스위칭 상태가 한 번만 바뀌므로 역률에 관계없이 전도 손실만 발생한다. 교류 전압을 변조하기 위한 높은 주파수의 스위칭 동작은 SiC MOSFET에서만 이루어지므로 스위칭 손실은 모두 SiC MOSFET으로 집중된다. 하지만 스위칭 손실은 식(3)에서 언급한 바와 같이 턴-온 및 턴-오프 시의 스위칭 에너지($E_{on}$, $E_{off}$)에 비례하며 SiC MOSFET의 스위칭 에너지는 Si IGBT 대비 매우 작다. 동일한 1200V/60A 급 용량을 갖는 Infineon의 IKQ75N120CT2 (Si IGBT)와 Infineon의 IMW120R030M1H (SiC MOFSET)의 턴-온 스위칭 에너지는 각각 6.70 mJ, 0.36mJ로 약 18배의 차이를 갖는다. 따라서 SiC MOSFET에서 발생하는 전력 손실 또한 전도 손실이 지배적이다. 결과적으로 Hybrid ANPC 인버터는 양방향 동작 모두에서 동일한 손실 특성을 나타내므로 온도 분포 또한 변하지 않는다. 따라서 3-레벨 인버터 토폴로지 가운데, Hybrid ANPC 인버터는 양방향 운전을 요구하는 ESS를 위한 최적의 솔루션이며 일반적인 NPC 인버터 대비 한 레그의 모든 소자들이 비교적 균일한 수명을 가지기 때문에 전력변환장치의 신뢰성을 향상시킨다⁽²⁶⁾-⁽²⁹⁾.

그림 6 NPC 인버터와 Hybrid ANPC 인버터의 양방향 동작(역률)에 따른 손실 발생 위치

Fig. 6 The power loss profiles of NPC inverter and Hybrid ANPC inverter versus power factor