[첨단 헬로티]

정부 정책이나 새로운 규제 등을 통해 신재생 에너지 기술이 장려됨에 따라 태양광 시장의 급성장이 예상된다. 태양광 인버터의 전력 밀도가 높아지고 에너지 저장장치 수요가 높아지면서 태양광 시스템의 모든 구성요소들을 모니터링 할 필요성이 생겼다. 태양광 애플리케이션에는 잡음 내성이 뛰어난 RS-485 통신이 주로 사용된다. iCoupler 절연형 RS-485 트랜시버는 태양광 발전 네트워크 통신 인터페이스에 안전하고 신뢰할 수 있으며 EMC에 대해서 견고한 솔루션을 제공한다.

RS-485 기술은 발전소 원격 모니터링, 최대 전력점 추적, 에너지 저장장치 상태(배터리 저장장치) 모니터링 같은 애플리케이션에 주로 사용된다.

에너지 저장장치 같은 태양광 애플리케이션의 경우에는 통신이 중요하다. 태양광 설비로 발전되고 소비되는 전력을 사용자에게 알려줄 수 있기 때문이다. 

이를 통해서 요금 관리(Bill management), 태양광 자체 소모(PV self-consumption), 수요 전력 요금 절감(Demand charge reduction), 백업 전력(Backup power) 같은 다양한 전략들을 도입할 수 있다. 특히 미국에서 인기 있는 것이 백업 전력이다. 예컨대 미국 텍사스주나 플로리다주에서는 허리케인으로 인한 대규모 파손이 자주 발생하기 때문에 백업 전력이 매우 인기가 있다.

[그림 1]은 하루 24시간 동안 태양광 발전, 에너지 저장장치, 가정 내에서의 소비를 보여준다. 이 그림을 보면 왜 요금 관리가 필요한지 알 수 있다. 야간에 태양광 패널로 발전을 할 수 없을 때에는 필요한 에너지를 요금이 가장 싼 전력망으로부터 구입한다. 해가 뜨면 태양광 패널로 태양 광선이 비쳐서 발전이 시작된다. 그러면 이 전력만으로 가정 내에서의 소비를 충당하거나 또는 남는 전력으로 에너지 저장장치를 충전한다. 

▲ 그림 1. 하루 24시간에 걸친 태양광 발전, 에너지 저장장치, 가정 내에서의 소비

이런 식으로 요금이 비싼 시간대에는 태양광으로 발전한 에너지를 사용해서 전력망으로부터 구매하는 에너지 사용은 줄이고, 전력 요금이 저렴한 구간에서는 전력망으로부터 에너지를 구매함으로써 전력 요금을 낮출 수 있다.

▲ 표 1. 가정용 에너지 저장장치 전략

[그림 2]에서 보는 것처럼, RS-485를 통신 인터페이스로 사용하면 PC 화면 상에서 현재 전력, 현재 소비, 최대 전력점 추적, 배터리 충전 상태, 건전성, 이산화탄소 저감 같은 데이터를 업데이트할 수 있다. 

▲ 그림 2. 태양광 시스템의 통상적인 모니터링 데이터

[그림 3]은 입력대입력 DC 스트링, DC-AC 변환, 에너지 충전 및 저장, 배터리 관리 및 통신으로 이뤄지는 일반적인 태양광 시스템 사례를 나타낸 것이다. 아나로그디바이스는 태양광 발전 및 에너지 저장 애플리케이션용으로 전력, 통신, 제어 인터페이스에 걸친 완벽한 신호 체인 솔루션을 제공한다. 이런 솔루션들로서, iCoupler 절연형 게이트 드라이버 제품에는 ADuM4135와 ADuM4223/ADuM3223이 포함되며, iCoupler 절연형 통신 포트 제품에는 ADM2795E, ADM2587E, ADM3054가 포함된다. 그리고 혼성신호 프로세서 솔루션에는 ADSP-CM419가 포함된다.

▲ 그림 3. 에너지 저장장치를 포함하는 일반적인 태양광 시스템 블록 다이어그램

RS-485 트랜시버에 iCoupler 절연 기술을 사용하는 이유

iCoupler 절연 기술은 태양광 네트워크 통신 인터페이스용으로 안전하고 신뢰할 수 있으며 EMC에 대한 내성이 뛰어난 솔루션을 제공한다.

태양광 네트워크에서는 RS-485나 CAN 통신 인터페이스가 전기적으로 잡음이 심한 환경에서 긴 케이블을 통해서 제공되는 경우가 종종 있다. RS-485 통신의 특징은 이런 환경에서 잡음에 대한 내성이 뛰어나다는 것이다. 여기에 iCoupler 절연 기술을 추가하면 잡음 내성을 더욱 높일 수 있다.

•‌ iCoupler 디지털 절연 제품군은 UL, CSA, VDE, TÜV, CQC, ATEX, IECEx를 비롯한 다양한 인증기관의 시험을 통과하고 인증을 받았다. 이들 기관의 인증을 받았다는 것은, 이 제품군이 전기적으로 혹독한 태양광 발전 환경에서 발생할 수 있는 고전압 과도현상과 전기 서지에 대해 안전하게 동작할 수 있다는 것을 의미한다.

•‌ 태양광 발전 통신 인터페이스는 대개 500kbps 미만의 낮은 데이터 속도로 동작하므로, RS-485 통신을 사용하는 것이 적당하다. 이더넷 같은 다른 대체 기술의 경우에는 10Mbps/100Mbps 또는 1Gbps의 고정된 데이터 속도로 동작하므로, 이 애플리케이션에 사용하기에는 과하다.

•‌ iCoupler 절연 기술은 EMC에 대한 내성이 뛰어난 것으로 검증됐기 때문에 현장에서 고장 발생을 줄일 수 있다. 또한 인터페이스 회로 설계 및 테스트 시간을 단축할 수 있으므로 태양광 발전 네트워크를 더 빠르게 개발할 수 있다.

▲ 그림 4. iCoupler 신호 및 전력 절연 RS-485 중계기

기존 태양광 발전 네트워크에 즉시 교체 가능

iCoupler 절연 기술을 사용하지 않은 기존 태양광 인버터의 통신 포트를 iCoupler 절연형 RS-485 중계기(Repeater)로 곧바로 교체할 수 있다. 컴팩트한 iCoupler 신호 및 전력 절연 RS-485 중계기를 사용하면 태양광 시스템의 혹독한 EMC 환경의 전기 잡음에 대해서 견고한 절연 보호 성능을 달성할 수 있다.

이 iCoupler 절연형 RS-485 중계기 설계는 2개의 RS-485 트랜시버와 2개의 고속 ADCMP600 비교기로 구성된다. ADM2587E는 완벽하게 통합된 신호 및 전력 절연 데이터 트랜시버로서 15kV의 ESD 보호 성능을 제공하므로, 다중 지점 전송 라인의 고속 통신에 적합하며, 특히 절연형 DC-DC 전원을 포함하므로 외부 DC-DC 절연 블록을 사용할 필요가 없다. RS-485 버스 상에서 통신 방향 제어는 매우 중요하기 때문에, 플로우 제어를 필요로 한다. ADCMP600 고속 비교기를 사용하면 ADM2587E 로직 핀으로 고속 흐름 제어와 방향 제어를 할 수 있다. 

이로써 신뢰성 높은 통신 시스템을 구현할 수 있다. AN-1458 애플리케이션 노트 “자동 방향 제어 기술을 지원하는 절연형 RS-485 중계기”에서는 이에 관한 상세한 설계 가이드라인을 볼 수 있다.

EMC 견고성을 추가한 iCoupler 신호 절연 RS-485

EMC 통신 인터페이스 설계 작업을 할 때, 회로 설계자는 종종 설계와 테스트를 반복하곤 한다. 시스템 레벨 EMC 기준과 고객의 요구 사항을 충족하도록 회로를 설계하기 때문이다. 

산업 자동화용 IEC 61131-2 같은 시스템 레벨 IEC 표준에서는 IEC ESD, EFT, 서지에 대한 다양한 보호 요건과 복사, 전도, 자기 내성 요건을 정의하고 있다.

아나로그디바이스의 iCoupler 신호 절연 RS-485는 추가적인 EMC 보호 성능을 제공하므로 엄격한 규격 요건을 충족하기 위해 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 특히 ADM2795E RS-485 트랜시버는 보다 견고한 절연 성능과 EMC 보호 성능을 결합함으로써 태양광 발전 통신 포트 인터페이스용 PCB 공간을 상당히 절약할 수 있다.

▲ 그림 5. A 및 B 버스 핀에 IEC 61000-4-5 서지 보호 기능을 추가한 iCoupler 절연형 RS-485 트랜시버

ADM2795E는 5kVrms 신호 절연 RS-485 트랜시버로서, RS-485 버스 핀에서 최대 ±42V의 AC-DC 피크 버스 과전압 결함 보호 기능을 제공한다. 

이 디바이스는 아나로그디바이스의 iCoupler 기술을 이용하여 3채널 아이솔레이터, RS-485 트랜시버, IEC EMC 트랜션트 보호 기능과 함께 단일 패키지로 통합하고 있다.

ADM2795E는 VDE 0884-10, UL1577, CSA, CQC 인증을 획득 또는 심사 중이다.

•‌ 동작 전압 : VDE 0884-10의 849VPEAK(600Vrms) 강화 요건 인증

•‌ 허용 전압 : UL1577의 5000Vrms 인증

또한 ADM2795E는 여러 종류의 시스템 레벨 EMC 시험을 통과하고 EMC 적합성 시험 기관의 인증을 취득했다(요청시 인증서 확인 가능):

•‌ IEC 61000-4-5 서지
•‌ IEC 61000-4-4 EFT
•‌ IEC 61000-4-2 ESD
•‌ IEC 61000-4-6 전도 RF 내성
•‌ IEC 61000-4-3 복사 RF 내성
•‌ IEC 61000-4-8 자기 내성

맺음말

아나로그디바이스는 태양광 발전 및 에너지 저장장치 애플리케이션을 위한 완벽한 신호 체인 솔루션을 제공한다. 이러한 iCoupler 절연형 게이트 드라이버 제품으로는 ADuM4135와 ADuM4223/ADuM3223을, iCoupler 절연형 통신 포트 제품으로는 ADM2795E와 ADM2587E를 각각 제공하며, 전력 통신 및 제어 인터페이스용으로는 ADSP-CM419 혼성 신호 제어 프로세서를 제공한다. iCoupler 절연 기술은 태양광 발전 네트워크 통신 인터페이스용으로 안전하고 신뢰성 높으며 EMC 내성이 뛰어난 솔루션을 제공한다.

아나로그디바이스의 인터페이스 및 절연 제품 포트폴리오에는 RS-485 인터페이스 절연을 위한 다양한 옵션들도 포함돼 있다. 

ADM2795E는 IEC 61000 서지, EFT, ESD 요건을 충족하고 전도, 복사, 자기 내성이 뛰어난 방대한 시스템 레벨 EMC 솔루션을 제공한다. ADM2795E를 사용하면 엄격한 규제 조건을 충족하는 데 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

ADM2587E는 현재 출시된 신호 및 전력 절연 RS-485 트랜시버 제품 중에서 가장 통합 수준이 높은 신호 및 전력 절연 솔루션을 제공한다. RS-485 중계기 설계에 ADM2587E를 사용하면 기존 장비 설계에 iCoupler 절연 기술을 손쉽게 추가할 수 있다.

---------------

글: 리차드 앤슬로우(Richard Anslow), 마틴 머네인(Martin Murnane) 아나로그디바이스 연구원 

리차드 앤슬로우(Richard Anslow)는 아일랜드 리머릭 대학에서 전자공학 학사 및 석사학위를 취득했다. ADI의 절연형 통신 제품과 관련한 제품 개발 및 고객 지원 업무를 맡고 있다. 

마틴 머네인(Martin Murnane)은 산업용 및 계측기 사업부에서 태양광 시스템 엔지니어로서 에너지/태양광 애플리케이션을 담당하고 있다. ADI 입사 전에는 샤프너 시스템즈(Schaffner Systems)에서 에너지 재생 시스템용의 전력 장치, 델 컴퓨터(Dell Computers)에서 윈도 기반 애플리케이션 소프트웨어/데이터베이스 개발, 그리고 BMS에서 스트레인 게이지 기술을 사용한 HW/FW 제품 개발 등의 업무를 맡았다. 아일랜드 리머릭 대학에서 전자공학을 전공했다.