[논문]HVDC 서브모듈용 커패시터의 고장 분석

강필순; 송성근

doi:10.7471/ikeee.2018.22.4.941

초록
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일반적으로 커패시터는 빈번한 충 방전으로 시스템의 수명에 큰 영향을 미친다. 본 논문에서는 고전압, 대전류의 HVDC 서브모듈용 필름 커패시터의 핵심 고장원인을 분석하여 커패시터의 설계 및 제조공정의 주의사항을 분석한다. 먼저 커패시터의 FMEA 수행을 통해 고장원인, 고장모드, 고장영향에 대해 분석한다. 커패시터의 고장에 가장 큰 영향을 주는 고장원인과 영향을 정량적으로 평가하기 위해 커패시터에 대한 고장나무(Fault-tree)를 제시하고 설계인자와 구동환경의 조건에 따른 고장률을 분석한다. 커패시터 고장의 핵심 원인이 커패시턴스 변화에 있음을 확인하고, 커패시터의 고장률 저감을 위해서 커패시터의 설계와 제조공정 중 온도상승, 코로나 발생, 전극팽창, 절연거리 감소를 최소화할 필요가 있음을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, capacitors have a large influence on the life of the system due to frequent charging and discharging. In this paper, we analyze the cause of the core failure of high voltage, high current HVDC sub-module film capacitor and analyze the precautions of the capacitor design and manufacturing...

In general, capacitors have a large influence on the life of the system due to frequent charging and discharging. In this paper, we analyze the cause of the core failure of high voltage, high current HVDC sub-module film capacitor and analyze the precautions of the capacitor design and manufacturing process. First, the cause of the fault, the failure mode, and the effect are analyzed through the FMEA of the capacitor. To quantitatively evaluate the causes and effects of faults that have the greatest effect on the failure of a capacitor, a fault tree for the capacitor is presented and the failure rate is analyzed according to the design parameters and the driving conditions. It is verified that the main cause of capacitor failure is the capacitance change, and it is necessary to minimize the temperature rise, corona occurrence, electrode expansion, and insulation distance decrease during capacitor design and manufacturing process in order to reduce the failure rate of the capacitor.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Influence and result of cause of failure, (a) design perspective, (b) manufacture process perspective. 그림 1. 고장원인별 영향 및 결과, (a) 설계관점, (b) 제조공정 관점
표 Table 1. Failure mode and effect analysis of MKP. 표 1. 커패시터(MKP)의 고장모드/영향 분석
그림 Fig. 2. Fault-tree of MKP. 그림 2. MKP의 고장나무
그림 Fig. 3. Variation of failure-rate when the failure rate of the basic event of the driving environment and the design factor is given equally. 그림 3. 구동환경과 설계인자의 기본 사상의 고장률이 동일하게 주어진 경우의 고장률 변화
그림 Fig. 4. Variation of failure-rate when the failure rate of the design parameter is constant. 그림 4. 설계인자의 고장률이 일정한 경우 구동환경의 고장률 증가에 따른 고장률 변화
그림 Fig. 5. Variation of failure-rate when the failure rate of the driving environment is constant. 그림 5. 구동환경의 고장률이 일정한 경우 설계인자 고장률 증가에 따른 고장률 변화
그림 Fig. 6. Configuration of low events occurring capacitance rise, (a) capacitance rise, (b) electrode expansion, (c) corona increase, (d) temperature rise. 그림 6. 커패시턴스 변화 사상에 대한 하위 사상 구조, (a) 커패시턴스 감소, (b) 전극팽창, (c) 코로나 발생, (d) 온도상승

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고전압, 대전류의 HVDC 서브모듈용 필름 커패시터의 핵심 고장원인을 분석하여 커패시터의 설계 및 제조공정 중의 주의사항을 분석한다. 먼저 커패시터의 FMEA(Failure mode and effect analysis) 수행을 통해 고장원인, 고장모드, 고장영향에 대해 분석한다.

제안 방법

먼저 커패시터의 FMEA(Failure mode and effect analysis) 수행을 통해 고장원인, 고장모드, 고장영향에 대해 분석한다. 커패시터의 고장에 가장 큰 영향을 주는 고장원인과 영향을 정량적으로 평가하기 위해 커패시터에 대한 고장나무(Fault-tree)를 제시하고 설계인자와 구동환경의 조건에 따른 고장률을 분석한다.

대상 데이터

본 논문의 분석 대상 커패시터는 높은 안정성, 넓은 온도범위, self-healing 특성으로 고전압 응용에 적합한 PP(Polypropylene) Metalized Film capacitor (MKP)이다. 일반적으로 필름 커패시터는 개방과 단락의 두 가지 고장 모드를 가진다(간헐적 개방 또는 단락, 고 저항 단락 포함).

데이터처리

본 논문에서는 HVDC 서브모듈용 필름 커패시터 (MKP)의 주요 고장원인을 분석하여 커패시터의 설계 및 제조공정의 주의사항을 분석하였다. 커패시터의 FMEA 수행을 통해 고장원인, 고장모드, 고장영향에 대해 분석하였다. 커패시터의 고장에 가장 큰 영향을 주는 고장원인과 영향을 정량적으로 분석하기 위해 커패시터의 고장나무(Fault-tree)를 이용하여 설계인자와 구동환경의 조건에 따른 고장률을 분석하였다.

이론/모형

이들 5가지 고장모드 중 가장 중요한 고장모드를 정량적으로 분석하기 위한 고장나무(Fault-tree)를 그림 2에 나타낸다. FTA는 커패시터(MKP)의 고장을 고장나무의 최상위 사상으로 하며 바람직하지 않은 사건을 유발할 수 있는 잠재적인 원인이 아래의 가지로 표현되는 하향식 접근법(top-down)으로 그래픽 표현에서 AND, OR 게이트 등을 사용하여 기본 사상과 최상위 사상 간의 논리적 상호 관계를 표현한다[8], [9].

성능/효과

커패시터 고장은 커패시턴스 변화(Capacitance decrease)에 크게 영향을 받음을 확인하였고, 커패시터의 고장률 저감을 위해서는 커패시터의 설계와 제조공정 중 온도상승, 코로나 발생, 전극팽창, 절연 거리 감소를 최소화할 필요가 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가속수명시험은 왜 HVDC 시스템에 적합하지 않은가?	수명 예측의 일반적인 방법인 가속수명시험은 시스템을 구성하는 부품 단위의 고장률을 기반으로 수명을 예측하는 것이 아니라 완제품을 가혹한 환경에서 가속시험을 통해 실제 운전환경에서의 수명을 예측하는 방법이다. 이 방법은 가전기기와 같이 많은 수요가 있는 분야에 활용되고 있지만, 정확한 수명을 예측하기 위해 다수의 샘플들이 필요 하므로 HVDC 서브모듈과 같은 고가의 시스템에는 적합하지 않으며, 설계 초기단계에 활용하여 고장원인, 고장영향 등을 분석하여 설계 또는 제조공정에 반영하기에는 부적합하다.
	고장률은 무엇인가?	신뢰성이란 시스템 또는 부품이 요구되는 기능을 규정된 조건 하에서 명세된 시간동안 제공하는 확률을 의미하며 고장률과 수명이 신뢰성의 척도로 사용될 수 있다. 고장률은 부품, 장치, 또는 특정 시스템이 단위 시간 당 발생하는 고장 횟수이며, 수명은 고장이 발생할 때까지의 시간으로 정의된다. 수명 예측의 일반적인 방법인 가속수명시험은 시스템을 구성하는 부품 단위의 고장률을 기반으로 수명을 예측하는 것이 아니라 완제품을 가혹한 환경에서 가속시험을 통해 실제 운전환경에서의 수명을 예측하는 방법이다.
	HVDC 시스템의 기본 역할은 무엇인가?	HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템 구성에 있어 서브모듈에 의한 전력변환과 전력공급은 HVDC 시스템의 기본 역할로서 고 신뢰성의 서브 모듈 설계와 개발이 요구되며 이를 위해서 서브모듈을 구성하는 하위 구성품 들에 대한 신뢰성 확보가 중요하다. 특히 빈번한 충·방전으로 다른 구성품에 비해 상대적으로 수명이 짧은 것으로 알려진 신뢰성 취약 소자인 커패시터의 수명 예측과 고장률 분석은 서브모듈의 신뢰성 개선을 위해 매우 중요한 요소이다[1]～[3].

참고문헌 (9)

Eui Min Choi, "Reliability factor and reliability evaluation method of power electronic system," Journal of power electronics, vol.23, no.3, pp.34-40, 2018.
S. Yang, A. Bryant, P. Mawby, D. Xiang, L. Ran, and P. Tavner, "An industry-based survey of reliability in power electronics converters," IEEE Trans. Industry Applications, vol.47, no.3, pp.1441-1451, 2011. DOI:10.1109/TIA.2011.2124436

상세보기
Jun Seok Lee, "Power conversion system life evaluation technology," Journal of power electronics, vol.23, no.3, pp.41-47, 2018.
Film Capacitors: General technical information, TDK, 2015.
Y. Tang, L. Ran, O. Alatise, and P. Mawby, "Capacitor Selection for Modular Multilevel Converter," IEEE Trans. on Industry Applications, vol.52, no.4, pp.3279-3293, 2016. DOI:10.1109/TIA.2016.2533620

상세보기
Vishay Roederstein, "Film capacitors, General Technical Information," http://www.vishay.com
KEMET, "Power Electronics Film Capacitors," http://www.kemet.com
Military Handbook, Reliability Prediction of Electronic Equipment, 1991.
Failure Mode/Mechanism Distributions (FMD-97), Reliability Analysis Center, 1997.

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