고장나무를 이용한 양방향 컨버터의 신뢰성 분석

Fault-tree based reliability analysis for bidirectional converter

Abstract

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.

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 attached to the front of the inverter. It has a boost mode for discharging battery power to the dc-link capacitor and a buck mode for charging the regenerative power to the battery. Based on the results of the FMEA considering the operating characteristics of the bidirectional converter, the fault-tree is designed considering the risk of the converter. After setting the design parameters for the MCU for the electric vehicle, we analyze the failure rate of the capacitor due to the output voltage ripple and the inductor component failure rate due to the inductor current ripple. In addition, we obtain the failure rate of major parts according to operating temperature using MIL-HDBK-217F. Finally, the failure rate and the mean time between failures (MTBF) of the converter are predicted by reflecting the part failure rate to the basic event of the fault-tree.

Fig. 1. Circuit configuration of bidirectional converter. 그림 1. 양방향 컨버터 회로 구조

Fig. 2. Inductance and capacitance according to ripple rate. 그림 2. 리플율에 따른 인덕턴스와 커패시턴스

Fig. 3. Fault-tree of bidirectional converter. 그림 3. 양방향 컨버터의 고장나무

Fig. 4. Variation of capacitor failure rate according to temperature and capacitance. 그림 4. 커패시턴스와 온도에 따른 커패시터 고장률의 변화

Fig. 5. Part failure rate according to temperature, (a) MOSFET, diode, capacitor, inductor, (b) DSP, gate-amp, sensor. 그림 5. 부품 고장률, (a) MOSFET, 다이오드, 커패시터, (b) 인덕터, DSP, 게이트-앰프, 센서

Fig. 6. Bidirectional converter failure rate according to operating temperature and capacitance. 그림 6. 커패시턴스와 동작 온도에 따른 양방향 컨버터 고장률

Fig. 7. Variation of MTBF, (a) MTBF according to temperature and capacitance, (b) MTBF difference between maximum and minimum according to capacitance. 그림 7. 평균고장시간 변화, (a) 커패시턴스와 온도에 따른 평균고장시간, (b) 커패시턴스에 따른 MTBF 최댓값과 최솟값 차이

Table 1. Specification of bidirectional converter. 표 1. 양방향 컨버터 설계사양

Table 2. FMEA of bidirectional converter. 표 2. 양방향 컨버터의 FMEA