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문제 정의
- 본 논문에서는 실 사용되고 있는 LED 구동용 전원회로와 이에 적용된 트랜스포머를 가지고, 트랜스포머에 대한 고장메커니즘과 유효한 스트레스 인자별 가속열화시험을 실시하여 트랜스포머의 열화에 가장 유효한 스트레스 인자를 도출하고 열화 트랜스포머가 전원회로에 미치는 영향성을 검증하고 분석하였다.
제안 방법
- 트랜스포머 및 유사제품에 대한 문헌과 관련 규격의 검토를 통해 트랜스포머의 주요한 고장모드, 고장메커니즘, 유효한 스트레스 인자들을 사전에 규정하고 그에 따른 영향성을 분석하기 위한 시험법 설정하도록 하였다. 유효한 스트레스 인자별 시험을 실시하고 이를 근거로 고장유무 및 경향성 분석함으로서 영향성이 가장 높은 스트레스 인자에 따른 신뢰성 시험법을 개발하고 열화모델식을 설정할 수 있도록 활용이 가능할 것이다.
- 트랜스포머와 유사제품에 대한 신뢰성 규격인 RS C 0039(전자기용 권선형 칩코일)과 RS C 0008(전자기용 고주파 칩인덕터)을 검토하여 표 3과 같이 온/습도, 열충격, 충격 및 진동이 트랜스포머에 유효한 스트레스 인자인 것으로 추정하고 그에 따른 방법을 설정하였다.
- “Transformer Engineering Design and Practice(S.V, Kulkarni, S.A. Khaparde, 2004)”에 의하면 아래의 두 가지 고장모드를 확인하고 유효한 스트레스 인자를 추정하였다.
- 트랜스포머 및 유사제품에 대한 문헌과 관련 규격의 검토를 통해 트랜스포머의 주요한 고장모드, 고장메커니즘, 유효한 스트레스 인자들을 규정하고 그에 따른 고장재현을 위한 시험항목 및 시험방법을 표 3과 같이 설정하였다.
- 기초자료조사를 통해 설정된 각각의 스트레스 인자가 트랜스포머 열화에 미치는 영향을 분석하기 위해 열화 트랜스포머를 전원회로에 직접 실장하여 평가하였다. 성능측정데이터와 그에 따른 경향성에 대한 분석하고 가장 유효한 스트레스 인자를 도출하기 위해서 실사용조건에서의 트랜스포머를 평가하는 것은 무엇보다 실증적입 방법이 될 수 있다.
- 성능측정데이터와 그에 따른 경향성에 대한 분석하고 가장 유효한 스트레스 인자를 도출하기 위해서 실사용조건에서의 트랜스포머를 평가하는 것은 무엇보다 실증적입 방법이 될 수 있다. 우선 정상상태의 트랜스포머가 실장된 전원회로에 대한 기본적인 특성을 측정하고 스트레스 인자에 의해 열화시킨 트랜스포머를 실장하여 평가함으로써 트랜스포머의 열화와 미치는 영향을 분석하였다.
- 일반적으로 알려진 전원회로의 고장원인 중 하나는 부품의 열화에 의한 열적스트레스 증가로 전원회로에 대한 열특성 분석은 필수적이다. 그러므로 열화 트랜스포머를 실장시킨 전원회로의 열특성을 분석하여 트랜스포머의 열화가 전원회로에 미치는 영향과 가장 유효한 스트레스 인자를 도출하도록 하였다.
- 트랜스포머가 전원회로에 실장되어 동작하는 조건에서 입력단(Primary)과 출력단(Secondary) 사이의 X-Y 위상측정을 통해 양단간의 위상의 편차를 확인하고 Core의 열화에 대해 확인할 수 있도록 하였다. X-Y 위상측정결과 그림 11과 같이 위상차 0°선을 중심으로 점들이 약간의 편차를 보이며 밀집되어 있는 것으로 확인되었다.
- 트랜스포머의 주요한 고장모드, 고장메커니즘, 유효한 스트레스 인자들을 사전에 규정하고 그에 따른 영향성을 분석하기 위한 시험법 설정하기 위해 트랜스포머와 유사제품에 대한 신뢰성 규격인 RS C 0039(전자기용 권선형 칩코일)과 RS C 0008(전자기용 고주파 칩인덕터)을 검토하고 문헌조사(Transformer Engineering Design and Practice(S.V, Kulkarni, S.A. Khaparde, 2004))를 실시하여, 온습도, 고온, 열충격, 진동에 대한 시험항목 및 시험방법을 설정하였다.
- 트랜스포머는 인접소자와 비교했을 때 상대적으로 내성이 강해 필드고장품의 수집하고 고장분석을 통한 데이터를 수집하는 것이 어려워 설정된 시험항목 및 시험방법에 따른 고장재현시험을 통해 고장에 대한 맵핑(Mapping)화 작업을 하도록 하였으며, 성능측정은 트랜스포머의 동작조건을 고려하여 주파수(Frequency)와 Current Bias변동에 따라 측정하였다.
데이터처리
- 각 시험 전후의 초기치 대비 특성변화의 통계적인 상대 비교를 위해, 등분산을 가정하여 시험전후의 각각의 특성들에 대해 표 4와 같이 t-검정을 실시하였다. 유의수준을 0.
이론/모형
- 절연저항의 변화(감소)폭이 큰 고온고습시험 시료들에 대해 절연저항에 의한 평균수명을 산출하기 위해 Exponential 모델을 적용하여 Degradation을 분석하였다. “KS C IEC 61588-1(전력용 변압기, 전원 공급장치 및 유사 기기의 안전 - 제1부 : 일반 요구사항 사항 및 시험)”에 따르면 폴리이미드 또는 동등한 절연물의 절연저항은 105㏁으로, 이를 기준으로 50% 감소되는 것을 고장의 판정기준으로 설정하고 Weibull 모델을 적용하여 수명을 추정한 결과 고온고습(85℃, 85 %R.
- )에서의 B10 수명은 약 1,105시간으로 분석되었다. 가속모델을 Peck 모형으로 설정하고 활성화 에너지는 선행연구결과를 활용하여 0.86 eV(출처 : EPRI NP - 6408)로 적용하여 정상상태를 온도 35℃, 습도 65 % R.H.로 설정하였을 때. 가속계수는 120.
성능/효과
- 038459, 2) 고온고습시험 절연저항에서 2.12E-11, 3) 열충격시험 절연저항에서 4.92E-06으로 유의한 것으로 나타나 전후의 변화가 있으며, 그 외의 특성들은 전후변화가 없는 것으로 분석되었다.
- “KS C IEC 61588-1(전력용 변압기, 전원 공급장치 및 유사 기기의 안전 - 제1부 : 일반 요구사항 사항 및 시험)”에 따르면 폴리이미드 또는 동등한 절연물의 절연저항은 105㏁으로, 이를 기준으로 50% 감소되는 것을 고장의 판정기준으로 설정하고 Weibull 모델을 적용하여 수명을 추정한 결과 고온고습(85℃, 85 %R.H.)에서의 B10 수명은 약 1,105시간으로 분석되었다.
- 각 특성들 중 절연저항의 경우, 시험시간에 따른 변화가 뚜렷하게 나타났으며 P-value(유의확률)이 가장 유의한 것으로 분석되었다. 고온시험과 열충격시험에서의 절연저항은 그림 7과 같이 초기에 Coil을 감싸고 있는 절연물(합성수지)이 경화로 인한 증가 양상을 보이고, 후기에 점차 감소하는 것으로 나타났다.
- 각 특성들 중 절연저항의 경우, 시험시간에 따른 변화가 뚜렷하게 나타났으며 P-value(유의확률)이 가장 유의한 것으로 분석되었다. 고온시험과 열충격시험에서의 절연저항은 그림 7과 같이 초기에 Coil을 감싸고 있는 절연물(합성수지)이 경화로 인한 증가 양상을 보이고, 후기에 점차 감소하는 것으로 나타났다. 반면 고온고습시험에서는 초기에 급격히 감소하고, 후기에 서서히 감소하는 양상으로 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 전원회로의 출력단에 최대부하조건에서 열특성을 분석한 결과 그림 9와 같이 열화 트랜스포머를 실장한 전원회로에서 스위칭소자를 중심으로 발열이 높게 나타나면서 주변영역으로 전이되는 현상을 발견하였다. 특히 고온고습에 의해 열화 트랜스포머를 실장한 완제품의 스위칭 소자는 100℃에 가까운 발열이 발생하여 가장 높은 온도를 나타내고 있어, 고온고습이 트랜스포머의 열화(영향)에 주요한 스트레스 인자인 것으로 분석되었다.
- 전원회로의 출력단에 최대부하조건에서 열특성을 분석한 결과 그림 9와 같이 열화 트랜스포머를 실장한 전원회로에서 스위칭소자를 중심으로 발열이 높게 나타나면서 주변영역으로 전이되는 현상을 발견하였다. 특히 고온고습에 의해 열화 트랜스포머를 실장한 완제품의 스위칭 소자는 100℃에 가까운 발열이 발생하여 가장 높은 온도를 나타내고 있어, 고온고습이 트랜스포머의 열화(영향)에 주요한 스트레스 인자인 것으로 분석되었다.
- 하지만 열특성 분석에서 발열이 높은 것일수록 위상차 0°선에서 편차가 커지고 밀집도가 상대적으로 낮아졌으며, 고온고습시험품에서 편차가 가장 심한 것으로 분석되었다.
- 각각의 스트레스 인자에 따라 열화시킨 트랜스포머를 실장하여 평가하는 실증적인 방법을 통해 분석한 결과 트랜스포머의 열화는 스위칭소자를 비롯한 주변부품에 스트레스를 가중시켜 발열로 대변되는 현상을 유발하고 트랜스포머 입출력 양단간의 위상편차는 심화시키는 것으로 나타났으며, 스트레스 인자 중 온습도에 의한 영향이 가장 유효한 것으로 분석되었다.
- 축방향 힘(Axial Force)이 지속적으로 가해졌을 때, 코일 및 코일배열의 변형으로 인한 특성변화와 절연파괴라는 고장메커니즘을 검증하기 위한 진동시험에서는 공진주파수가 15 Hz와 50~55 Hz에서 검출되었지만 코어(페라이트)의 깨짐 현상이 발생하였고, 이는 지속적인 진동이 코일의 변형을 유발하기에 앞서 코어의 깨짐을 먼저 유발할 수 있다는 것으로 판단되었다.
- 또한, Core의 단면을 고배율현미경으로 분석한 결과 고온고습시험에 의해 그림 12와 같이 열화 트랜스포머의 Core 재료결합이 상대적으로 느슨해 해진 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 트랜스포머가 동작주파수에 완벽하게 대응하지 못하고 X-Y 위상측정결과와 같이 위상편차가 심화된 것으로 분석되었다.
- 유효한 스트레스 인자와 고장재현을 위한 가속열화시험 중 고온고습/고온/열충격시험에 대한 시험결과는 제품사양을 기준하였을 때 각각 만족하는 결과를 나타냈으며, 각 시험 전후의 초기치 대비 특성변화에 대해 T-검정을 통하여 통계적인 상대 비교한 결과 유의수준 0.05에서 1) 고온고습시험 주파수변동 인덕턴스, 2) 고온고습시험 절연저항, 3) 열충격시험 절연저항이 유의한 것으로 나타나 전후의 변화가 있는 것으로 분석되었다. 시험시간에 따른 변화가 큰 절연저항의 경우, 고온시험과 열충격시험에서 초기에 Coil을 감싸고 있는 절연물(합성수지)이 경화로 인한 증가 후 점차 감소하였고, 고온고습시험에서 초기에 급격히 감소한 후 서서히 지속적으로 감소하였다.
후속연구
- 트랜스포머 및 유사제품에 대한 문헌과 관련 규격의 검토를 통해 트랜스포머의 주요한 고장모드, 고장메커니즘, 유효한 스트레스 인자들을 사전에 규정하고 그에 따른 영향성을 분석하기 위한 시험법 설정하도록 하였다. 유효한 스트레스 인자별 시험을 실시하고 이를 근거로 고장유무 및 경향성 분석함으로서 영향성이 가장 높은 스트레스 인자에 따른 신뢰성 시험법을 개발하고 열화모델식을 설정할 수 있도록 활용이 가능할 것이다.
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