IGBT형 전원변환기 다빈도 절체현상 원인분석

서론

2025년도 다빈도 고장·결함장비 원인분석 대상 중 하나로 함내 설치되는 IGBT형 전원변환기가 선정되었다. 대상품은 외부로부터 3상 AC 440V 60 Hz 전원을 공급받아 DC 24V로 변환하는 역할을 수행한다. 소요 제기된 문제 상황은 전원변환기의 절체가 너무 잦아, 임무수행에 제한을 겪는 상황이다. 절체란, 상시 정상운용을 위해 주 장비 고장발생 시 주 장비와 예비 장비가 서로 자동전환이 되는 기능을 말한다. 전원변환기의 기능도는 그림 1과 같으며, 1대의 전원변환기 내부에 ○대의 정류기모듈이 탑재된다. 절체는 정류기모듈의 고장 시 발생되도록 설계한 것으로, 정류기모듈이 1대라도 고장이 발생할 경우 절체는 진행된다.

본 과제는 고장 발생 시 잔여 비고장 정류기모듈을 받아 대체하는 방식(동류전용)으로 운용 중에 있어 분석용도로 접수할 수 있는 고장 정류기모듈의 재고가 한정적인 상황이었다. 또한, 고장빈도와 고장유형의 예측불가로 인해 고장 원인의 조사 및 유사사례에 대한 조사분석 결과 제공을 요청받았다.

원인 분석

고장 가설의 수립

정류기모듈의 잦은 고장경보 현상이 문제이므로, 고장 경보의 진위여부를 먼저 구분하여 가설을 수립하였다. 정류기모듈의 고장일 경우, 물리적 파손에 의한 핀 접촉부, 커패시터의 고장과 정류기모듈의 고장 검출과정의 이상을 가설로 수립하였다. 또한, 조립체인 전원변환기의 설정환경 이상으로 인한 전원변환기 고장도 고장 가설로 수립하였다.

고장 현장 조사

전원변환기 운용환경(설정, 설치환경 등) 및 운용 현황의 확인 결과 별도 특이점은 찾지 못하였다. 또한, 고장 이력 기록이 부재하여 일일 전원변환기 및 정류기모듈 전시화면의 기록을 요청하였다. 절체현상 발생 시 오류코드 기록을 요청한 결과 아래와 같이 약 ○일간 총 3회 절체현상이 발생하였다. 아래 표는 고장기록 중 하루치를 발췌한 내용이다.

1차 고장 정류기모듈 접수

분석 대상 함정 측에서 고장으로 식별된 정류기모듈 4 EA을 분석대상으로 접수하였다. 외관 확인 결과 모듈 내 교체, 수리 흔적은 별도 없는 것을 확인하였다. 분석 대상 함정의 정비창 퇴창 예정시기까지 수리품 탑재 후 발생되는 고장을 분석하는 것을 목표로 하고, 기한 내 명확한 수리가 가능한 #4 모듈의 입력 커넥터를 신품으로 교체하여 수리하였다. 입력 커넥터 핀 소실품의 경우 열, 전기, 화학적 열화 흔적은 없었으며, 물리적으로 파손된 상태인 것으로 확인하였다.

2차 고장 정류기모듈 접수

#4 모듈의 탑재 및 함 운용 시작 이후, 추가 절체현상이 발생하여 고장 모듈을 접수하였다. 1차 접수 수리품인 #4 모듈에서 Vd 경보가 고장 경보로 발생되는 것을 확인하였다.

고장현상(Vd 경보) 분석 및 개선

#4 모듈의 고장 경보인 Vd 경보는 1차 직류전압이 높거나 낮을 경우, 1차 직류 전압의 밸런스가 맞지 않을 때 발생된다. 취급설명서에 따르면 1차 직류전압 이상 경보인 Vd 경보가 발생되면, 발생 가능한 원인은 ‘정류기 불량’으로 명시되어 있어 정류기를 교체할 수 밖에 없는 상황이다. Vd 경보 추정원인은 아래 5가지로 구분할 수 있다.

#4 모듈의 Control PBA와 Micro Processor PBA는 함 내 및 공장 시험에서 모두 정상 작동됨을 확인하여 추정원인 1, 2는 배제하였다. 추정원인 3은 장기간 사용 시 부품의 경화에 따라 노이즈 cancellation 기능이 감소될 가능성을 염두에 둔 추정 원인이다. 해당 기능에 기여하는 커패시터 용량 변화가 육안 점검 시 뚜렷하게 나타나지 않아 경보 원인에서 배제하였다. 추정원인 4는 커패시터 및 스위치 소자 불량 시 발생 가능한 고장원인인데, 이 또한 특이사항이 없어 원인에서 배제하였다. 추정원인 5 또한 입력 DC Link 전압 밸런스의 오차 존재여부를 확인(추정원인 5)하여 특이사항 없음을 확인하였으나, 확인할 수 있는 부품의 고장사항이 없고, 시간에 따른 모듈의 정밀도 변화가 마지막으로 의심되어 Vd 경보 발생 가능성 여부에 대한 검토를 수행하였다. 이에 #4 모듈에 대해 규격 정상범위 내에서 경보 level 조절 저항과 경보 ON/OFF 저항의 저항값을 변경하였다. 공장시험에서 정상작동함을 확인 후 실선 탑재까지 하였으나, 약 2개월 운용 후 Vd 경보로 인한 절체현상이 재발생하였다.

3차 고장 정류기모듈 접수

수리한 2차 고장 접수분의 실선 탑재 후 절체현상이 재발생되어 3차 고장 정류기모듈을 접수하였다. 기 수리한 #4 모듈과 신규로 고장이 발생한 #7 모듈 총 2 EA가 접수되었다. 고장현상 분석 및 개선한 #4 모듈의 고장이 재발생함에 따라, 고장 추정원인을 재검토하였다. 새롭게 확인한 사항은, (1) 육안 점검 시 #7번 모듈의 커패시터 부풀음이 의심되었으며, (2) Vd 경보가 계속 울리는 것이 아니라 간헐적으로 발생되었다가 종료한다는 점, (3) Control PBA와 Micro Processor PBA가 정상 작동한다는 점이다.

신규 확인 사항에 따라 Vd 경보 추정원인을 아래 표와 같이 재검토하였으며, 시간에 따라 커패시터의 밸런스 및 특성 변화가 존재할 시 추정원인 3, 4번이 고장원인으로 가능할 것으로 재분석하였다.

정류기모듈 내 커패시터 기능분석

정류기모듈 내 커패시터의 역할은 크게 두 가지 역할을 수행한다. 정류 다이오드를 통해 정류된 전압이어도 일부 맥동(리플)성분을 포함하고 있는데, 커패시터는 이 전압의 고저를 충전/방전으로 완화하여 평탄한 DC 전압을 제공하는 평활 역할을 수행한다. 또한, +단 커패시터의 전압, -단 커패시터의 전압 간의 밸런스를 조절하는 역할 또한 수행한다. 해당 기능의 문제로 인해 노이즈 cancellation이 감소되거나, 밸런스 특성이 변화된 경우, 스위칭 리플에 의한 경보 발생(추정원인 3), 입력 DC Link 전압 이상(추정원인 4)이 발생될 수 있을 것으로 추정된다.

전해 커패시터 고장 분석

시간에 따른 커패시터 특성 변화가 의심되므로, 신품 커패시터로 교체 후 약 4일간 공장 내 전원을 인가하였다. 공장 내 전원인가 시 정상으로 확인되어 함내 운용을 시작하여 과제 종료 시점까지 별도 고장 또는 절체현상이 미발견되고 있음을 확인하였다.

전해 커패시터의 열화 고장 메커니즘은 연구사례가 다수 존재한다. 열화 진행에 따라 ESR이 증가하게 되면, 커패시터 내 소비전력 P가 증가, 커패시터 내 소비전력 증가에 따라 내부 온도가 상승하고, 이에 따라 전해액이 증발되어 금속판 단면적(A)가 감소하게 되어 결국 커패시턴스가 감소하게 된다. 초기 커패시턴스 대비 20% ~30% 감소 시 고장으로 간주하므로, 커패시턴스의 감소가 고장 기준까지 도달하는 경우, 전압 이상을 감지하여 Vd 경보가 발생될 가능성이 있다.

: 커패시터 내 소비전력 / : RMS Ripple Current / : 등가 직렬 저항

: 커패시턴스(capacitance) / : 유전율 / : 금속판 단면적 / : 두 금속판 사이의 간격

본 과제에서 문제가 된 커패시터의 제조사 제공 기대수명 계산식에 따라 기대수명을 계산하였다. 본 과제를 통해 1개 함에서 접수된 고장품은 총 7 EA였으며, 각 사용년수를 분석한 경과 최소 약 7년, 최대 약 20년 사용한 정류기모듈들로, 평균 약 15년 사용한 제품들이었다.(2025년 기준)

전원변환기 제조사 제공 정보를 토대로 추정하여 계산한 결과, 실 사용 시 소자 주위온도가 45 ℃인 경우와 40 ℃인 경우 모두 고장 모듈 운용기간(평균 약 15년)이 수명(최대 수명 15년)에 근접한 것을 확인하였다. 다만, 기대수명 계산식은 이론적 식이므로 실제 고장 데이터 적용 시 상이할 수 있어 참고치로만 활용하여야 한다.

고장 가설 비교

• (가설 1-1) 정류기모듈 pin 접촉부 고장
  1차 고장 모듈 접수품 총 4 EA 중, 모듈 체결부인 핀 접촉부의 물리적 파손품이 2 EA가 발견되어 접촉부의 체결 불안정성을 절체현상 발생원인으로 추정하였다. 그러나, #4 모듈의 접촉부 수리 후에도 Vd 경보 절체현상이 반복 발생되는 것을 확인하여 고장 원인에서 제외하였다.
• (가설 1-2) 정류기모듈 고장 검출과정 이상
  본 가설은 Vd 경보 분석 시 입력 DC Link 전압 검출의 이상(추정원인 5)이 의심되어 수립되었으며, 가설 검증을 위해 경보 level 조절 저항과 경보 ON/OFF 저항의 저항값을 변경하였다.(정상동작 범위 내) 변경 이후 함 탑재 운용 약 2개월 후 Vd 경보 절체현상이 재발생되어 고장 원인에서 제외하였다.
• (가설 1-3) 정류기모듈 DC Link 커패시터 고장
  고장 추정원인 재검토에 따라 시간에 따른 커패시터 밸런스와 특성 변화가 의심되어 수립된 가설로써, 신규 커패시터 교체 후 정상 운용 중에 있다. Vd 경보 발생에 대한 잔여 추정원인 중 가장 유력한 가설로 판단된다. 또한 참고용으로 수행한 커패시터 기대수명 간이계산 결과, 고장 모듈 운용기간(평균 약 15년)이 수명(최대수명 15년)에 근접함을 확인하였다.
• (가설 2) 전원변환기 고장
  전원변환기 설치 및 운용설정 현황에 대한 확인 결과, 전원변환기 자체 상황에 대한 특이사항은 별도 없는 것을 확인하여 고장원인에서 배제하였다.

개선방안

동류전용 시 사용이력에 대한 필수 기록 권장요소들을 식별하여 동류전용 사용이력 기록방안을 제시하였다. 현재 정류기모듈은 고장 발생 시 인근 함의 재고 정류기모듈을 고장품 대신 대체하여 쓰는 동류전용이 이루어지고 있다. 당장의 함 운용에는 도움이 되지만, 고장품의 고장 이력, 고장유형, 교체이력 등이 관리되고 있지 않아 어떤 장비/셋팅 환경에서 운용되던 정류기모듈인지 추적 및 분석이 불가능하다는 문제점이 존재한다. 향후 동일 고장 발생 방지 및 품목의 고장 유형별 이력 관리를 위해 함 측에서는 동류전용 시 교체이력 카드 작성과 해당 정보를 정비창과 공유하는 행위가 필요하다. 해당 행위를 통해 정비창 측에서는 함 측에서 공유된 동류전용 관련 데이터를 종합하여 재고상황을 명확히 파악할 수 있으며, 해당 데이터를 통해 평균 교체주기, 운용환경별 수명 데이터를 획득하여 실 운용자들에게 정량적 피드백이 가능하다. 해당 행위가 이루어지는 경우, 수명이 도래하는 정류기모듈에 대한 신규소요를 적시에 교체, 대비할 수 있을 것이다.

또한 본 과제와 유사한 고장이 발생하는 경우, 유력 추정원인인 커패시터 교체 정비를 먼저 시도해볼 수 있을 것이다. 하지만 현재 제조사 도면 및 정보제공의 제한으로 부품 교체까지는 이루어지지 못하고 있어, 군내에서 적시에 신속하게 수리를 하기 어려운 상황이었다. 제조사 측 확인 결과 본 과제에서 발생한 고장관련 도면 및 정보제공이 가능함을 확인받았으므로, 유사 고장 발생 시 정보 제공을 요청한다면 군내 수리가 가능해질 수 있다.

핵심 기술

이와 같이 우리나라를 포함한 다양한 나라가 레이저 무기체계를 운용중이거나 개발을 추진하고 있으며, 요격 능력 향상을 위해 출력 증대에 개발 역량을 집중하고 있다. 이러한 성능을 구현하기 위해서는 고에너지 레이저 출력 확보 기술과 생성된 에너지를 정확하게 표적에 전달하기 위한 빔 제어 기술이 핵심적으로 요구된다.

결론

함내 전원변환기의 잦은 절체현상이 임무수행 제한을 야기하여 다빈도 고장·결함장비 고장원인분석 과제로 소요제기되었다. 절체현상은 함 정상운용을 위해 정류기모듈 고장 시 의도된 주 장비-예비 장비의 교체이므로, 고장 가설을 정류기모듈 고장과 전원변환기 고장의 경우로 구분하여 수립·분석하였다. 분석 기간 중 발생된 절체현상 유형은 Vd 경보로, Vd 경보 발생 추정원인을 5가지로 나누어 분석하였다. 총 세차례에 걸쳐 수리, 공장 시험, 실선 운용을 수행하였으며 정류기모듈 내 전해커패시터의 마모고장이 가장 유력한 추정원인으로 판단된다. 운용시간에 따른 커패시터 밸런스 및 특성 변화 의심으로 수립된 가설로써, 신규 커패시터로의 교체 후 과제 종료시점까지 정상 운용됨을 확인하였다. 제시한 동류전용 사용이력 기록방안 및 제조사 제공자료를 통한 군내 정비방안을 실무적으로 수립한다면 동일 고장발생에 대해서 이전보다 더 신속하게 대응할 수 있을 것으로 사료된다.