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철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측기술

최고관리자　 0 Comments　 1 Views　 20-11-10 15:46　 기계

분야 : 전자~전기 개발상태 5 9

철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측기술

보유기관 및 연구자 : 한국철도기술연구원 류준형

상담신청 기술문의

TRL09
사업화
- 본격적인 양산 및 사업화 단계
TRL08
시작품 인증/
표준화
- 일부 시제품의 인증 및 인허가 취득 단계
  - 조선 기자재의 경우 선급기관 인증, 의약품의 경우 식약청의 품목 허가 등
TRL07
Pilot 단계 시작품
신뢰성 평가
- 시작품의 신뢰성 평가
- 실제 환경(수요기업)에서 성능 검증이 이루어지는 단계
TRL06
Pilot 단계 시작품
성능 평가
- 경제성(생산성)을 고려한, 파일로트 규모의 시작품 제작 및 평가
- 시작품 성능평가
TRL05
시제품 제작/
성능평가
- 개발한 부품/시스템의 시작품(Prototype) 제작 및 성능 평가
- 경제성(생산성)을 고려하지 않고, 우수한 시작품을 1개~수개 미만으로 개발
TRL04
연구실 규모의
부품/시스템 성능평가
- 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가가 완료된 단계
- 실용화를 위한 핵심요소기술 확보
TRL03
연구실 규모의
성능 검증
- 연구실/실험실 규모의 환경에서 기본 성능이 검증될 수 있는 단계
- 개발하려는 시스템/부품의 기본 설계도면을 확보하는 단계
- 모델링/설계기술 확보
TRL02
실용 목적의 아이디어/
특허 등 개념 정립
- 실용 목적의 아이디어, 특허 등 개념 정립
TRL01
기초 이론/
실험
- 연구과제 탐색 및 기회 발굴 단계

주요기술구성: ▶ 전력반도체 소자의 온 상태 콜렉터-에미터 전압을 측정하여 소자의 잔존 수명을 예측할 수 있게 하고, VCE-ON 전압에서 초기수명의 전압 및 만기수명의 전압 대비 현재의 전압을 비교하여 만기 수명에 가까운 정도에 의해 잔존수명을 예측할 수 있게 함
▶ 전력반도체 소자의 콜렉터-에미터 전압에 대응하는 히트파이프 온도는 룩업테이블 형태로 미리 저장되고, 제어부는 룩업테이블을 참조하여 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측함

적용분야 및 적용제품: ▶ 기차, 전기자동차, 엘리베이터, 전철
▶ 섬유기계, 공작기계, 반송기계, 공장 프로세스 라인 등의 공장 자동화

시장동향: ▶ 전 세계 전력 반도체(소자, 파워IC, 모듈) 시장은 2019년 약 450억 달러에서 2023년 약 530억 달러로 성장할 것으로 전망됨
▶ 차세대 전력 반도체에 사용되는 SiC 웨이퍼 시장은 2019년~2027년간 연평균 16% 증가하여 3배 이상 성장할 것으로 예상됨

특장점

기존 기술의 문제점: ▶ 기존 철도차량 추진 인버터에서는 전력반도체 소자의 잔존수명 예측이 수행되지 않고, 전력반도체 소자의 오동작 또는 노후로 인해서 발생하는 현상인 고장만을 방지하기 위한 방법으로서, 1차적으로 소프트웨어를 통해 과전압과 과전류에 대한 진단을 수행하고, 2차적으로 전력반도체 소자의 구동을 위해서 연결된 게이트 드라이버를 통해 과전류와 과전압을 진단하는 방법을 사용함
▶ 이러한 방법은 추진인버터에 이미 고장이 발생한 후의 현상을 바탕으로 전력반도체 소자의 수명을 판단하는 것으로서, 추진인버터에 고장이 발생하기 전 철도차량 추진 인버터의 유지보수 계획을 수립하는데 도움을 받을 수 없는 문제점이 있음

기존 기술과의 차별성: ▶ 전력반도체 소자의 내구연한이 추진 인버터의 내구연한으로 사용되는 실정에서 잔존수명 예측이 안되는 전력반도체 소자의 노후화를 정확히 판단 가능함
▶ 추진 인버터의 고장이 발생하기 전 전력반도체의 수명을 미리 예측함으로써 철도차량의 유지보수가 용이해 철도서비스 제공이 지연되는 문제를 해결할 수 있음
▶ 패키징 된 전력반도체 소자의 접합온도를 측정하여 노후화를 판단하기 어려운 문제점을 해결하고 패키징 된 전력반도체 소자의 노후화 예측이 가능함