인버터는 태양광 발전소의 심장입니다. 모듈이 만든 직류를 전력망이 받을 수 있는 60Hz 교류로 바꾸는 일을 합니다. 방향이 바뀌지 않는 직류로 어떻게 방향이 바뀌는 교류를 만들까요? 답은 아주 빠른 스위치입니다.
스위치 4개로 전류 방향을 바꾼다
인버터 안에는 IGBT 같은 반도체 스위치가 들어 있습니다. 스위치 4개를 사각형(H 모양)으로 배치하고, 대각선으로 마주 보는 두 개씩 번갈아 켜면 출력 쪽 전류의 방향이 바뀝니다.
- 왼쪽 위와 오른쪽 아래를 켜면 → 전류가 한 방향으로
- 오른쪽 위와 왼쪽 아래를 켜면 → 전류가 반대 방향으로
이것만으로도 방향이 바뀌는 전기, 즉 네모난 모양의 교류가 만들어집니다. 하지만 전력망의 교류는 부드러운 사인파입니다.
펄스의 폭을 바꿔 사인파를 만든다(PWM)
그래서 인버터는 스위치를 1초에 수천 번 이상 켜고 끄면서, 켜 두는 시간(펄스의 폭)을 조금씩 바꿉니다. 사인파가 높은 순간에는 펄스를 넓게, 낮은 순간에는 좁게 만드는 방식입니다. 이것을 PWM(펄스 폭 변조)이라고 합니다.
아래 그림에서 사인파와 삼각파를 비교해 펄스가 만들어지는 과정, 그리고 그 펄스가 필터를 지나 사인파가 되는 모습을 확인해 보세요. 스위칭 횟수를 늘리면 출력이 사인파에 더 가까워집니다.
인버터는 스위치를 1초에 수천 번 이상 켜고 끄며 + 펄스와 − 펄스의 폭을 조금씩 바꿉니다. 이 펄스를 필터로 고르게 하면 사인파 교류가 됩니다. 화면은 스위칭 횟수를 크게 줄이고 느리게 그렸습니다.
스위칭 횟수와 출력 크기를 바꿔 필터를 지난 파형을 비교해 보세요.
필터가 마무리한다
펄스 자체는 여전히 켜졌다 꺼졌다 하는 모양입니다. 인버터 출력단의 필터(코일과 콘덴서)가 빠른 변화를 걸러 내고 평균값만 남겨, 전력망과 같은 부드러운 사인파로 다듬습니다. 이때 걸러지지 않고 남은 찌꺼기 파형을 고조파라고 하며, 전력망에 내보낼 수 있는 양에는 기준이 있습니다.
현장에서는
스위치는 1초에 수천 번 이상 켜지고 꺼지며 열을 냅니다. 그래서 인버터는 냉각이 성능과 수명을 좌우합니다. 필터와 냉각팬이 막히거나 실내 온도가 높으면 인버터가 스스로 출력을 줄이거나 멈추기도 합니다. 정기적인 필터 청소와 인버터실 온도 관리가 중요한 이유입니다.
핵심 정리
- 스위치 4개를 대각선으로 번갈아 켜면 전류 방향이 바뀐다
- 펄스의 폭을 사인파 모양에 맞춰 바꾸는 PWM으로 교류를 만든다
- 출력 필터가 펄스를 부드러운 사인파로 다듬는다
- 스위칭은 열을 내므로 냉각(필터·팬·실내 온도) 관리가 중요하다