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고장나무를 이용한 양방향 컨버터의 신뢰성 분석
Fault-tree based reliability analysis for bidirectional converter 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.1, 2019년, pp.254 - 260  

허대호 (Dept. of Electronics and Control Engineering, Hanbat National University) ,  강필순 (Dept. of Electronics and Control Engineering, Hanbat National University)

초록
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본 논문에서는 양방향 dc-to-dc 컨버터의 고장원인, 고장영향, 고장 결과를 파악하기 위한 failure mode and effect analysis(FMEA)와 양방향 컨버터의 위험도를 고려한 fault-tree analysis(FTA)를 통해 고장률을 예측한다. 전기차의 구동전압을 효율적으로 상승시키기 위해 인버터 앞단에 부착되는 양방향 컨버터는 배터리 전력을 dc-link 커패시터로 방전시키는 승압모드와 회생전력을 배터리로 충전시키는 강압모드를 가진다. 양방향 컨버터의 동작 특성을 고려한 FMEA 결과를 바탕으로 컨버터의 위험도를 고려한 고장나무를 설계한다. 전기차 MCU용에 맞는 설계 파라메타를 설정하고 출력전압 리플과 인덕터 전류 리플에 따른 커패시터와 인덕터의 부품 고장률을 분석한다. 또한 동작 온도에 따른 주요부품의 고장률을 MIL-HDBK-217F를 이용하여 구한다. 마지막으로 부품 고장률을 고장나무의 기본 사상의 고장률로 반영하여 컨버터 고장률과 평균고장시간을 예측한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The failure rate of bidirectional dc-to-dc converter is predicted through the failure mode and effect analysis (FMEA) and the fault-tree analysis (FTA) considering the operational risk. In order to increase the driving voltage of the electric vehicle efficiently, the bidirectional converter is attac...

주제어

#Bidirectional dc-to-dc Converter   #EV (Electric Vehicle)   #FMEA (Failure Modes and Effect Analysis)   #FTA (Fault-tree analysis)   #MCU (Motor Control Unit)   #MTBF (Mean Time Between Failures)  

표/그림 (9)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 양방향 컨버터에 대한 FMEA를통해 고장원인, 고장영향, 고장결과를 분석하고 컨버터의 위험도를 고려한 고장나무를 설계하였다. 전기차 MCU용으로 적합한 설계 파라메타를 설정하고 출력전압 리플과 인덕터 전류 리플에 따른 커패시터와 인덕터의 부품 고장률을 분석하였다.
  • 본 논문에서는 양방향 컨버터의 위험도를 고려한 고장률 분석을 통해 신뢰성 평가의 척도로 활용하고자 한다. 이를 위해 FMEA에 기반한 양방향 컨버터의 고장을 정의하고 고장의 영향과 고장의 결과를 분석한다.

가설 설정

  • 그림 5(a)는 온도변화에 따른 스위치, 다이오드, 커패시터 부품 고장률을 보여준다. 스위치 고장률이 가장 크며 온도 상승에 가장 크게 영향을 받는다. 그림 5(b)는 고장률이 낮은 인덕터와 제어기가 TMS320F28335 DSP를 기준으로 구성될 경우의 고장률, 게이트-앰프는 TLP250 포토커플러를 이용하여 구성할 경우의 고장률, 센서는 PT, CT 센서의 고장률이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
FMEA는 무엇인가? FMEA는 양방향 컨버터의 잠재적 고장모드와 고장의 원인 및 결과의 영향을 분석하여 잠재적 고장 발생 기회를 제거하거나 저감시키는 조치를 취하고 이를 문서화시키는 체계적인 활동이다[7]. 표 2는 양방향 컨버터의 FMEA를 나타낸다.
배터리 직렬결합을 해결하기 위한 방안은 무엇인가? 배터리 직렬결합으로 MCU 입력전압을 상승시킬 수 있지만 과도한 수의 배터리 직렬결합은 구조적 안정성과 전기적 안전성을 저하시키는 문제를 가진다. 이를 해결하기 위해 MCU의 앞단에 양방향 dc-to-dc 컨버터를 채용하는 방법이 소개되었다[1]-[3]. 추진용 배터리에서 MCU의 dc-link 단으로 전력을 공급하는 구간에는 승압모드로 동작하고 모터의 회생전력이 발생하는 구간에는 추진용 배터리를 충전시키는 강압모드로 동작한다.
승압모드의 특징은 무엇인가? 그림 1은 양방향 dc-to-dc 컨버터의 회로 구조를 보여준다. 승압모드에서는 스위치 Q1의 on-off 동작에 의해 부스트 컨버터로 동작하여 출력전압이 승압되며, 강압모드에서는 Q2의 스위칭 동작에 의해 벅-컨버터로 동작하여 배터리 충전이 이루어진다. 본 논문에서는 표 1에 주어진 설계사양과 같이승압모드에서 30 kW 용량을 기준으로 추진용 배터리 240 V, dc-link 680 V로 설계된다.
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