안전등급 인버터 및 충전기 내 커패시터의
수명분포와 신뢰도 수준 적용
한국수력원자력(주) 중앙연구원 계전연구소 양창석
2019.08
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더미 텍스트
목 차
1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증
1.1 열노화 영향분석
1.2 검증수명 결정 및 평가
2. 신뢰성 공학
2.1. 용어 정의
2.2 고장률의 형태 : 욕조곡선(Bathtub Curve)
2.3 커패시터의 수명분포 적용 : 지수분포
2.4. MIL-STD-271 및 690
3. 신뢰도 수준(Confidence Limit) 적용
3.1 커패시터 수명보증시험시간 계산
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시작
커패시터 고장율
자료 유무?
열수명 해석 (Thermal Life Analysis) - 3점 온도에서의 고장율 계산 - 회귀분석 및 열수명곡선 추출
가속노화 시험 (Accelerated Aging Test) - 정격온도(RT) 이상(3점)에서 가
속노화 시험 - Arrhenius 열수명곡선 결정
활성화 에너지
(eV) 산출
활성화 에너지
(eV) 산출
검증수명평가 시험 - 정상운전조건에서의 예상 열 수명(Thermal Life) 계산
- 검증수명(Qualified Life) 결정 및 평가
- 수명보증 시험 : 최대정격온도에서 검증수명기간 시험
검증수명평가 해석 - 정상운전조건에서의 예상 열수명(Thermal Life)계산
- 검증수명(Qualified Life) 결정
끝
Yes
No
열노화 영향 분석 (Thermal Aging Effects Analysis)
검증수명(Qualified Life) 결정 및 평가
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1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증
신뢰도 수준 95%적용
1.1 열노화 영향분석
1.1.1. 열수명 해석(Thermal Life Analysys)
• 커패시터 제조사에서 수행한 고장율/내구성 시험자료를 확보하였을 경우 수행
• 아레니우스공식을 통하여 열수명 특성곡선과 활성화에너지 산출
1.1.2. 가속노화시험(Accelerated Aging Test)
• 제조사의 고장율/내구성 자료입수 불가 시 적용
• 3점 온도(10℃간격)를 선정하여 가속노화시험 진행
• 시험 시편은 점당 5개 이상 선정
• 제품고장여부 판단 수락기준(Acceptance Criteria)은 제조사에서 제공하는 기준을 적용
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1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증
1.2 검증수명 결정 및 평가
1.2.1. 검증수명평가시험 : 열수명 해석으로 활성화 에너지 산출 시 적용
• 각 커패시터의 검증목표수명 설정(최대 10주기, 15년)
• 최대정격온도에서 연속운전시험을 수행
• 시험 완료 후, 모든 커패시터가 고장이 발생하지 않았을 경우 적합판정(Capacitance, ESR,
Leakage Current 등 제작사 기준)
1.2.2. 검증수명평가 해석
• 활성화 에너지를 가속노화 시험으로 산출하였을 경우 검증수명평가를 해석으로 수행함
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1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증
2.1. 용어 정의
① 고 장 : 부품의 규정된 기능을 잃은 것
② 고장률(λ) : 부품이 단위 시간 내 고장을 일으키는 확률
③ 고장률 수준 : 고장률을 편의적으로 몇 개의 수준으로 구분(MIL-STD-217)
• M=1%, P=0.1%, R=0.01%, S=0.001% (%/1,000hr)
• M 수준 : 1,000시간에 1개 고장 확률이 1%
• 100,000시간에 1개 고장 확률 100%
④ 고장률 분포 : 시간에 따른 고장률을 그래프로 나타낸 분포
I. 지수분포(=우발고장) : 시간에 따른 고장률이 일정함 𝑅 𝑡 = 𝑒−λ𝑡
II. 정규분포(=마모고장) : 시간에 따른 고장률이 증가함
III. 와이블 분포 : Bathtub Curve를 따르는 고장률 분포를 표현
⑤ 신뢰 수준(CL) : 고장률 수준의 고장률 로트가 합격이 되는 확률(60%, 90%, 95%, 99%)
⑥ 누적 시험시간(T) = 시료수(n) × 실제시험시간(t) ……… 식 (1)
⑦ 신뢰성 샘플링 검사 : 총 시험시간 중 발생한 고장개수(r)가 허용실패 시료개수(c)보다
적으면 이 로트를 고장률의 신뢰수준에서 합격시키는 검사방식
2. 신뢰성 공학
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)()( tetR
)σ
μt(1)
σ
μtP(Zt)P(TR(t)
2.2 고장률의 형태 : 욕조곡선(Bathtub Curve) – 일반적인 전자제품의 수명분포
• DFR (Decreasing Failure Rate)
• CFR (Constant Failure Rate) = 지수분포
• IFR (Increasing Failure Rate) = 정규분포
• DFR+CFR+IFR = 와이블 분포
2. 신뢰성 공학
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)(th
초기 고장기간
early failure
decreasing failure rate
(DFR)
우발 고장기간
random failure
constant failure rate
(CFR)
increasing failure rate
(IFR)
마모 고장기간
wear-out failure 1t 2t
t
2. 신뢰성 공학
2.3 커패시터의 수명분포 적용 : 지수분포
• 초기 고장은 공장 품질검사 및 발전소 인수검사(일반규격품일 경우 CGID*)를 통하여 제품
출하 전에 배제
• 후기 고장은 주기적 검사 및 제품의 교체주기를 설정함으로써 배제
커패시터의 고장은 우발고장기간에 집중된다 = 고장률이 지수분포를 따른다
* CGID(Commercial Grade Item Dedication) : 일반규격품 품질검증
A 커패시터 제작사의 고장률 분포
그래프(지수분포 적용함)
B 커패시터 제작사의 신뢰도
함수(지수분포 적용함)
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2. 신뢰성 공학
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2.4. MIL-STD-271 및 690
• 제품의 고장률이 지수분포를 이루는 경우 신뢰성 시험 기준으로 MIL-STD-
217(RELIABILITY PREDICTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT)을 사용하며, 이에
따르는 표본선정 기준(=신뢰성 샘플링 검사)은 MIL-STD-690(Failure Rate Sampling
Plans and Procedures)을 따름
• MIL-HDBK-217은 미 국방부에서 군용 전자 장비 및 시스템 획득간의 신뢰도 예측을 위
해 개발한 전기전자 부품 고장률 예측 모델로 1962년 초판이 발간되었으며(William
Denson(1998)), 1991년에 217F로 개정, 1995년에는 217F Notice 2로 부분 수정이 이
루어 진 후 현재까지 지속적으로 활용되고 있다. 국내에서는 방위산업을 포함하여 가장
범용적으로 사용되고 있는 규격임
① 1940년대 세계 2차대전 시 미국 군용항공기 통신장비의 60%~75%가 첫 비행 시 고장(원인 : 진공관)
② 1952년 미 국방성에서 AGREE(Advisory Group on Reliability of Electronics Equipment, 전자 장비의 신뢰성
에 대한 자문단)를 설립함.(MIL-STD규격의 근간을 이루고 신뢰성 공학의 기초가 됨)
③ 1958년 MIL-STD-441”군사 전자 장비의 신뢰성”과 MID-R-26667”신뢰성과 수명 요구조건, 전자장비”를 발행
④ 위 문서들을 기초로 1982년 MIL-HDBK-217 “전자 장비의 신뢰도 예측”이 발행되고 미국방부에 의 해 1995년
민간에 공개되면서 전 산업의 신뢰성 공학 활용에 기초가 됨
3. 신뢰도 수준 적용
3.1 커패시터 수명보증시험시간 계산
① 운전온도 40℃에서 15년(=131,400hr)의 수명을 보증하는 고장률(λ)
• (100(%) × 1,000(hr)) ÷ 131,400(hr) = 0.76104%/1,000hr
② 고장률 15년에 따른 누적시험시간(T) – MIL STD 690 Appendix A Table A-1 신뢰도 수준 95% 적용
• (299,375) ÷ 0.76104 = 393,376hr @ 40℃
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3. 신뢰도 수준 적용
3.1 커패시터 수명보증시험시간 계산(계속)
③ 가속노화시험(TACC) 계산 : 아레니우스 방정식
• 활성화 에너지(E) 0.785eV(제조사 수명자료를 통하여 산출)
• 가속노화시간(TACC) =
T = 누적시험시간, E = 활성화 에너지, k = 볼츠만 상수, TR = 정격온도(105 ℃), TO = 운전온도(40 ℃)
가속노화시간(TACC) : 2,638hr @105℃
④ 시험 표본수량과 시간 계산
• 가속노화시험시간(TACC) 2,638hr/시료수 1개(Single Sample)
• 시료수(n) = 10개
• 누적 시험시간(T) = 시료수(n) × 수명보증 시험시간(t) (p.6 식(1) 참조)
• 수명보증 시험시간(t) = 2,638hr(TACC) ÷ 10개(n) = 263.77hr ≒ 264hr
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TEXT THANK YOU
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