일본 미쯔비시전기(三菱電機)는 2월 14일 SiC 파워 반도체 모듈을 활용한 교직류변환기 셀의 기술검증을 세계에서 최초로 실시했다. 이 기술로 해상풍력발전 플랫폼 등의 송전효율개선 및 공간확보 등에 기여할 것으로 내다 봤다.

미쯔비시전기는 SiC(탄화규소) 파워반도체 모듈을 다단직류 접속한 변환기 셀의 기술검증을 세계 최초로 실시하면서 이 기술이 고압직류(HVDC) 송전 등에서 활용될 수 있는 교직류변환에 응용이 기대된다고 설명했다.

현재 송전방법으로서 널리 이용하는 교류송전은 송전전압의 변환이 쉽다는 장점은 있지만 무효전력·표피효과의 영향으로 전력손실이 발생하는 등 여러 가지 문제도 존재하고 있었다.

이에 대해 HVDC 송전은 송전에 의한 전력손실이 적을 뿐만 아니라 교류계통에 비동기연계가 가능하다는 점에서 해상풍력발전에 적합한 송전방법으로 주목을 받고 있다.

송전에 이용하는 해저 케이블이 50~100km 정도가 되면 비용면에서도 교류송전보다 HVDC송전이 유리하다는 점이다.

HVDC송전에는 기존 교류계통에 접속해서 교류와 직류를 상호 변환하는 변환기가 필요하다. 현재 고전압·대전력에 대응하기 위해 복수의 변환기 셀을 직렬 접속한 MMC(Modular Multilevel Converter)형 HVDC 변환기의 실용화가 추진되고 있지만 송전효율의 개선을 위해 변환기 자체의 한층 낮은 손실화가 필요한 상황이다. 또 해상풍력발전에는 HVDC변환기를 설치하는 해상 플랫폼 건설비용 절감을 위해 변환기의 소형·경량화도 요구되고 있다.

동사에서는 MMC형 HVDC 변환기 셀에 내압3.3kV의 SiC 파워반도체 모듈을 적용함으로써 전력손실의 50%를 저감하고 크기는 20% 이상, 중량은 14% 정도를 작게 하는데 성공했다.

이번 기술은 파워반도체 재료로서 SiC를 채용했고 SiC는 최근 등장한 비교적 새로운 파워 소자로 SiC와 비교해 스위치 연결시 손실이 낮기 때문에 변환기 셀의 전력손실을 제어하는 것이 가능했다.

특히 SiC 모듈을 병렬화시킴에 따라 변환기 셀 내부의 저항을 조절할 수 있지만 병렬화 과정에는 각 모듈 사이의 전류 밸런스 문제가 있지만 전자계 해석을 활용해 변환기 셀 내부의 전류분포를 가시화하고 병렬화한 모듈에 전류가 균등하게 흘러가도록 부품을 배치함으로써 이를 해결했다.

또 SiC 파워 소자는 Si에 비해 고속 동작이 가능해 스위칭 고주파화가 가능한 것도 장점이다. 기존 Si를 활용한 변환기 셀에서는 스위칭 주파수가 약 150Hz 였는데, SiC를 활용한 변환기 셀에서는 약 350Hz로 향상됐다. 이 스위칭 주파수 향상으로 콘덴서 용량의 저감 및 전력손실 저감에 의한 냉각장치 소형화로부터 변환기 셀의 소형화가 가능하게 된 것이다.

미쯔비시전기는 향후 현재 3.3kV 모듈에서 한층 내압이 높은 6.5kV의 SiC 모듈 적용에 의한 개발을 추진하는 한편 장거리 대용량 송전의 고효율화와 변환기 설치비용 삭감을 실현해 2020년 대 후반에 이를 실용화한다는 목표를 세워 놓고 있다.