[논문]HVDC 병렬 하프브리지 서브모듈에 대한 고장나무기반의 신뢰성 분석

강필순; 송성근

doi:10.7471/ikeee.2019.23.4.1218

초록
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HVDC 시스템에서 풀-브리지 서브 모듈 구조는 하프브리지 서브 모듈에 비해 부품 수가 증가하지만 100 % 여유율 확보가 가능하여 고장률을 크게 줄일 수 있다. 그러나 풀-브리지 서브 모듈은 여유율 보장과 암(arm) 단락 방지를 위한 데드 타임(dead-time)을 확보하기 위해 복잡한 제어 알고리즘이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 풀-브리지 서브 모듈과 동일한 부품 수와 100 % 여유율을 갖는 병렬 하프브리지 구성의 고장률을 분석한다. 기존의 부품 고장 분석에 고장나무분석 방법을 적용하여 서브 모듈의 동작 위험을 반영함으로써 서브 모듈의 수명주기를 보다 정확하게 예측할 수 있다. 병렬 하프브리지 서브모듈의 타당성 검증을 위해 FTA 기반 분석 방법과 기존의 PCA 기반 방법으로 분석된 고장률을 비교한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In HVDC systems, the full-bridge submodule increases the number of components compared to the half-bridge submodule, but the failure-rate can be reduced by securing 100 % redundancy. However, full-bridge submodules require more complex control algorithms to ensure the redundancy and to prevent arm-s...

In HVDC systems, the full-bridge submodule increases the number of components compared to the half-bridge submodule, but the failure-rate can be reduced by securing 100 % redundancy. However, full-bridge submodules require more complex control algorithms to ensure the redundancy and to prevent arm-short with sufficient dead-time. To solve this problem, we analyse the failure-rate of the paralleled half-bridge configuration with the same number of components and 100 % redundancy as the full-bridge submodule. The fault tree analysis (FTA) method is applied to the conventional part failure analysis to reflect the operation risk of the submodule, thereby predicting the life-cycle of the submodule more accurately. To verify the validity, the failure-rate results of the proposed FTA based analysis method are compared with the failure rate obtained by the part failure method.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Circuit configuration of 3-phase MMC and paralleled half-bridge sub-module. 그림 1. 3상 MMC 구조와 병렬 하프브리지 서브모듈
표 Table 1. Parameters for paralleled half-bridge submodule 표 1. 풀-브리지 서브모듈의 설계 변수
그림 Fig. 2. Configuration of paralleled half-bridge sub-module. 그림 2. 병렬 하프브리지 서브모듈의 회로 구조
그림 Fig. 3. Fault-tree of paralleled half-bridge sub-module with 100% redundancy. 그림 3. 100% 여유율 조건의 병렬 하프브리지 서브모듈의 고장나무
그림 Fig. 4. FTA based failure-rate of half-bridge and paralleled half-bridge sub-module. 그림 4. 하프브리지와 병렬 하프브리지 서브모듈의 FTA 기반 고장률
그림 Fig. 5. FTA based MTBF of half-bridge and paralleled half-bridge sub-module. 그림 5. 하프브리지와 병렬 하프브리지 서브모듈의 FTA 기반 평균고장시간
그림 Fig. 6. Part failure configuration considering 100% redundancy in parallel half-bridge submodule structure. 그림 6. 병렬 하프브리지 서브모듈에서 100% 여유율 조건을 고려한 부품 고장 관계
그림 Fig. 7. PCA based failure-rate of half-bridge and paralleled half-bridge sub-module. 그림 7. 하프브리지와 병렬 하프브리지 서브모듈의 PCA 기반 고장률
그림 Fig. 8. PCA based MTBF of half-bridge and paralleled half-bridge sub-module. 그림 8. 하프브리지와 병렬 하프브리지 서브모듈의 PCA 기반 평균고장시간

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 기존의 부품 고장 분석은 부품의 수, 부품의 종류 및 부품의 결합 상태만을 고려하므로 서브 모듈의 동작 위험을 반영할 수 없다. 따라서 본 논문은 고장나무 기반의 고장률 분석(FTA)을 통해보다 정확한 수명 주기의 예측 결과를 제시한다. 제안된 FTA 기반 분석의 유효성은 기존의 PCA 기반 분석 방법과 비교하여 검증한다.
본 논문에서는 100% 여유율 확보가 가능한 병렬 하프 브리지 구조의 고장률을 분석한다. 병렬하프 브리지 서브 모듈은 전압 및 전류 정격이 동일한 IGBT 모듈 및 다이오드와 함께 사용될 때 100% 여유율을 보장할 수 있다.

제안 방법

먼저 병렬 하프브리지 서브 모듈의 동작 모드를 분석하여 고장의 정의, 고장 모드 및 고장의 원인과 결과를 분석한다. 다음으로 병렬 하프 브리지 서브 모듈의 동작 특성을 고려한 고장나무를 설계하고 구동 온도 조건을 고려하여 고장률을 계산한다. 마지막으로, 기존의 PCA 방법과 제안된 FTA기반 분석을 통해 고장률을 비교하고 서브 모듈의 작동 조건에 따라 MTBF(평균 고장 시간)를 제시한다.
다음으로 병렬 하프 브리지 서브 모듈의 동작 특성을 고려한 고장나무를 설계하고 구동 온도 조건을 고려하여 고장률을 계산한다. 마지막으로, 기존의 PCA 방법과 제안된 FTA기반 분석을 통해 고장률을 비교하고 서브 모듈의 작동 조건에 따라 MTBF(평균 고장 시간)를 제시한다.
먼저 병렬 하프브리지 서브 모듈의 동작 모드를 분석하여 고장의 정의, 고장 모드 및 고장의 원인과 결과를 분석한다. 다음으로 병렬 하프 브리지 서브 모듈의 동작 특성을 고려한 고장나무를 설계하고 구동 온도 조건을 고려하여 고장률을 계산한다.
그러나 이 방법은 시스템의 동작 특성을 반영하지 못한다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 시스템 고장의 원인과 결과를 반영하는 고장나무를 기반으로 병렬 하프브리지 서브 모듈의 고장률을 분석한다[6]-[8].
하프브리지 서브 모듈과 동일하게 [Half-bridge sub-module failure-Redundancy 100%]는 커패시터 연결 실패 및 커패시터 분리 실패 조건에 따라 각 하위 단계의 고장으로 설계한다. 커패시터의 충ㆍ방전 기능은 커패시터 충전 오류와 커패시터 방전 오류 상태의 고장으로 구분하여 설계한다. 기존 하프브리지 서브 모듈과의 차이점은 IGBT와 다이오드가 병렬구조를 가지게 되어 고장나무의 노란색 부분이 AND-Gate 구조로 추가 연결되는 부분이다.

대상 데이터

신뢰성 평가를 위한 IGBT 정격은 4.5kV, 1200A이며, IGBT 접합 온도는 125℃이다. IGBT의 내부 바디 다이오드 대신 고성능 다이오드를 사용하며, 다이오드의 전압 및 전류 정격은 IGBT와 동일하다.

데이터처리

따라서 본 논문은 고장나무 기반의 고장률 분석(FTA)을 통해보다 정확한 수명 주기의 예측 결과를 제시한다. 제안된 FTA 기반 분석의 유효성은 기존의 PCA 기반 분석 방법과 비교하여 검증한다.

이론/모형

고장나무에 표시되는 부품의 기본 고장률의 계산을 위해서 MIL-HDBK-217F 고장 라이브러리를 적용한다. 스위치 소자인 IGBT의 경우 BJT와 Power MOSFET가 결합된 등가모델을 이용하여 고장률을 식 (1)과 같이 정의한다.

성능/효과

25°C에서 하프브리지는 4.15년이며 병렬 하프브리지 서브 모듈은 41.68년으로 두 방법의 차이는 37.53년으로, 병렬 하프브리지 구성이 수명주기 측면에서 매우 유리하다는 것을 알 수 있다.
기존의 PCA 방법과 FTA 방법에 의한 고장률 결과를 비교하면 제안된 FTA 기반 방법은 서브모듈의 동작 위험을 반영하여 고장률을 분석하기 때문 PCA 기반 고장률이 상대적으로 낮다.
컨버터 룸이 평균 25°C로 제어되는 환경에서 하프브리지 서브 모듈은 4.15년, 병렬 하프브리지 서브 모듈은 41.68년으로 분석되어, 100% 이중화를 통해 병렬 하프브리지 구조가 37.53년의 수명주기를 연장할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풀-브리지 서브 모듈의 단점은 무엇인가?	HVDC 시스템에서 풀-브리지 서브 모듈 구조는 하프브리지 서브 모듈에 비해 부품 수가 증가하지만 100 % 여유율 확보가 가능하여 고장률을 크게 줄일 수 있다. 그러나 풀-브리지 서브 모듈은 여유율 보장과 암(arm) 단락 방지를 위한 데드 타임(dead-time)을 확보하기 위해 복잡한 제어 알고리즘이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 풀-브리지 서브 모듈과 동일한 부품 수와 100 % 여유율을 갖는 병렬 하프브리지 구성의 고장률을 분석한다.
	온도에 따른 하프브리지와 병렬 하프브리지 서브 모듈의 고장률 차이의 특징	그림 7은 PCA 기반의 하프브리지 및 병렬 하프브리지 서브 모듈의 고장률을 나타낸다. 하프브리지 방식과 비교하여 병렬 하프브리지 서브 모듈은 전체적으로 낮은 고장률을 보인다.
	HVDC 시스템에서 서브 모듈의 신뢰성을 향상시키기 위해 중요한 것은?	HVDC 시스템에서 서브 모듈의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 신뢰성이 낮은 반도체 스위칭 소자 및 잦은 충ㆍ방전으로 수명이 짧은 커패시터에 대한 동작 위험 분석이 중요하다[1]-[5].

참고문헌 (8)

S. Yang, A. Bryant, P. Mawby, D. Xiang, L. Ran, and P. Tavner, "An Industry-Based Survey of Reliability in Power Electronic Converters," IEEE Trans. Industry Applications, vol.47, pp. 1441-1451, 2011. DOI: 10.1109/ECCE.2009.5316356

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Y. Song and B. Wang, "Survey on Reliability of Power Electronics Systems," IEEE Trans. Power Electronics, vol.28, pp.591-604, 2013. DOI: 10.1109/TPEL.2012.2192503

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J. Guo, J. Liang, X. Zhang, P. D. Judge, X. Wang, and T. C. Green, "Reliability Analysis of MMCs Considering Submodule Designs with Individual or Series-Operated IGBTs," IEEE Trans. Power Delivery, vol.32, no.2, pp.666-677, 2017. DOI: 10.1109/TPWRD.2016.2572061

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J. Xu, P. Zhao, and C. Zhao, "Reliability Analysis and Redundancy Configuration of MMC With Hybrid Submodule Topologies," IEEE Trans. Power Electronics, vol.31, no.4, pp.2720-2729, 2016. DOI: 10.1109/TPEL.2015.2444877

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Y. Dong, H. Yang, W. Li, and X. He, "Neutral-Point-Shift-Based Active Thermal Control for a Modular Multilevel Converter Under a Single-Phaseto-Ground Fault," IEEE Trans. Industial Electronics, vol.66, no.3, pp.2474-2484, 2019.

상세보기
Y. D. Wang and B. F. Song, "Overview of system reliability prediction method," Aircraft Design, vol.28, no.1, pp.37-42, 2008.
J. Jones and J. Hayes, "A comparison of electronic-reliability prediction models," IEEE Transactions on Reliability, vol.48, no.2, pp.127-134, 1999. DOI: 10.1109/24.784270

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D. H. Heo, F. S. Kang, S. G. Song, "Failure-rate Analysis Considering Operational Condition of Half-bridge Submodule in HVDC System," Proc. Int. Sym. on Electrical and Electronics Eng (ISEE), pp.10-12, 2019. DOI: 10.1109/ISEE2.2019.8921368

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