Analysis of failure rate according to capacitor position of bidirectional converter

양방향 컨버터의 커패시터 위치에 따른 고장률 분석

Abstract

We analyze the failure rate change of a conventional bidirectional converter and a modified one which moves an output capacitor towards propulsion battery. We analysis of the circuit structural homogeneity and the difference between both converters, and confirm that the capacitor working voltage is reduced by changing the capacitor position. After obtaining the capacitor failure rate according to voltage stress factor and operating temperature, it is applied to the fault-tree of the bidirectional converter to obtain the overall failure rate of the converter. We analyzes the advantages and disadvantages of design changes by comparing and analyzing the failure rate and mean time between failures (MTBF) according to operating temperature and capacitance value.

기존 양방향 컨버터와 출력 커패시터를 추진용 배터리 쪽으로 이동시킨 양방향 컨버터의 고장률 변화를 분석한다. 두 컨버터의 회로 구조적 동일성과 차이점을 분석하여 커패시터 위치 변경으로 동작전압이 저감됨을 확인한다. 전압스트레스 인자와 동작온도에 따른 커패시터 부품 고장률을 구하고 양방향 컨버터의 고장나무에 적용하여 컨버터 전체 고장률을 구한다. 동작온도와 커패시턴스 값에 따른 고장률과 평균고장시간을 비교 분석하여 설계 변경으로 인한 장 단점을 분석한다.

Fig. 1. Circuit configuration of prior bidirectional converter and converter with modified converter position. 그림 1. 기존 양방향 컨버터 회로 구조와 커패시터 위치가 변경된 컨버터

Fig. 2. Voltage stress factor and capacitor failure rate, (a) voltage stress factor with capacitor voltage ripple, (b) capacitor failure rate according to temperature. 그림 2. 전압스트레스 인자와 커패시터 고장률, (a) 커패시터 전압 리플에 따른 전압 스트레스 인자값, (b) 온도에 따른 커패시턴스 고장률

Fig. 3. Failure rate comparison of both converters according to capacitance value and operating temperature. 그림 3. 커패시턴스 값과 동작온도에 따른 두 컨버터의 고장률 비교

Fig. 4. MTBF comparison of both converters according to capacitance and operating temperature, (a) MTBF, (b) difference between maximum and minimum of MTBF. 그림 4. 커패시턴스 값과 동작온도에 따른 두 컨버터의 평균고장시간 비교, (a) 평균고장시간, (b) 평균고장 시간 최댓값과 최솟값의 차

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