문서번호		차량운영처-7031		차장		부장	팀장	처장		본부장
등록일자		2019.12.31.
										12/31
결재일자		2019.12.31.
공개여부		대시민공개
				협조	차량정비처 처장
방침번호		본부장-124
	- 7&8호선 2차분 전동차 - 인버터 전력변환소자(IGBT) 고장예방 대책(안)
2019. 12.
차량운영처

- 7&8호선 2차분 전동차 -

인버터 전력변환소자(IGBT) 고장예방 대책(안)

7&8호선 2차분 전동차용 인버터 전력변환소자(IGBT)의 고장 증가와  관련하여 신뢰성 분석을 실시하고 LCC차원에서의 개선방안을 도출하여   적용함으로써 고장 예방 및 전동차 안전운행에 만전을 기하고자 함

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 파워 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)와 바이폴러 트랜지스터의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자

※ 관련근거

- 2019. 11. 25.(월) ‘11월 RAMS 추진회의’ 사장님 보고

- 2019년 11월 RAMS 추진회의 결과 보고 (차량운영처-6518, ’19.12.05.)

Ⅰ		현 황

가. IGBT 장착 현황

구 분	편성 수	수 량		비 고
		칸당 편성 당	총 장착량
계	51편성 (398칸)	-	1,592개	도입: 1999~2000년도 차령: 약 20년 제작사: 도시바
7호선 (2차분)	46편성 (368칸) 718~735(도봉), 736~763(천왕)	8개/M카 32개/편성	1,472개 (32개ⅹ46편성)
8호선 (2차분)	5편성(30칸) 816~820(모란)	8개/M카 24개/편성	120개 (24개ⅹ 5편성)

나. 인버터 구성 장치 및 주요 기능

○ ARM UNIT: 주전동기 4대를 구동 및 직류 전압을 교유전압 출력으로 변환

○ OVT UNIT: 필터캐패시터가 과전압이 될 때 저항을 넣어 IGBT를 단락시켜 과전압을 제한

○ 제어 UNIT: 인버터 전압, 전류, 주파수 제어 및 시스템 보호기능 등 수행

○ 기타 제어장치로는 스너버판넬Ass’y, 필터캐패시터, G-AMP 등이 있음

[인버터 BOX]                    [IGBT]

다. 전력변환소자 종류

구분	압접형 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)	IPM (Intelligent Power Module)
사 진
특 성	- 인버터의 출력파형을 정현파화 가능하고 저소음으로 Gate Drive 회로는 따로 구성하는 전압 구동형 소자 - 압접형에 따른 별도 수리비용 또는 전용장비 필요 - 제어회로 및 부품 배치 복잡하고 가격이 고가 - 특정업체 사양으로 대체품 적용 불가	- IGBT, MOSFET 등의 전력반도체 소자와, 제어회로, 구동회로, 보호 회로, 제어 전원을 단일 패키지 내에 구성한 전압 구동형 소자 - 전류변화율에 대한 내량이 커서 Reactor 불필요 - 소자 교환 등 유지보수에 별도 장비 불필요 - 국제표준화 모델 적용 가능, 물품구매 다양화
적 용	7&8호선 2차분	6호선 및 신조차
단 가	4,959천 원/개 (2019. 11. 기준)	1,600천 원 (2017. 3. 기준)

라. 추진경과 - 시범 개조

○ 시범 개조 설치 현황

- 대상편성: 755편성

- 설치기간: 2017. 6. 23. ~ 11. 27.

- 계약금액: 259,990,000원

- 개조대상: IGBT소자, 냉각기, 부스바, 스너버판넬, 필터캐패시터, 인터페이스보드

- 성능시험 감독 및 결과: ㈜ROTECO 감독관 입회→합격

※ 제작검사, 구성품시험, 완성차시험, 구내(본선)시운전: 양호

○ 현차 검증 시험

- 검증기간: 2018. 1. 11. ~ 6. 21. (월 1회, 총 6회)

- 시험항목: 외관상태, TCMS고장기록, 온도테이프 상태

- 인버터스택 개조 관련 유지보수 업무 반영: 검사항목 추가

- 예비품(기존 인버터스택 등) 자산(저장품) 등재 시행

※ 현차 검증 결과: 양호

개조 전	개조 내역	개조 후

Ⅱ		문 제 점

가. 인버터 스택 고장율 증가 및 노후화

○ 인버터 스택 20년 경과 누적 고장율 20.7%로 증가 추세에 있음

○ 인버터 스택 노후화에 따른 고장 건수 지속 발생 ⇨ 스택 외주수선

- 연도별 외주수선 현황

구 분	계	2015년	2016년	2017년	2018년	2019년
수 량 (대)	24	14	10	7	12	2
수선비용 (만 원)	8,032	1,260	2,200	1,604	2,544	424

나. 물품(IGBT) 확보 및 성능 검증 어려움

○ 제작사(도시바) 동일 물품 단종

○ 기제작품의 제작연도 경과 및 보관상태에 따른 성능 저하 우려

○ 기성품(유사품) 사용품 대비 성능 부족으로 교체 주기 단축 및 고장 증가

Ⅲ		신뢰성 분석

가. 인버터장치 고장(경미고장) 현황

○ 기 간:2017년 ~ 2019년 11월 (3년 11개월)

○ 최근 3년간 경미고장 발생 현황

구 분	전체고장건수	주회로(고전압)장치		인버터장치
		고장건수	고장율(전체기준)	고장건수	고장율(주회로장치기준)
평 균	168건	40.7건	24.2%	17건	41.8%
2017년	161건	33건	20.5%	13건	39.4%
2018년	203건	49건	24.1%	19건	38.8%
2019년	140건	40건	28.6%	19건	47.5%

○ 인버터장치는 주회로(고전압)장치 내에서 평균 42%의 고장율을 보이는 중요 관리대상 장치임

○ 인버터장치의 고장율은 최근 증가추세임 (전년대비 8.7%p 증가함)

나. IGBT 교환 수량

○ 기 간: 2000년 ~ 2019년 10월 (19년 10개월)

○ 전동차 반입(1999년~2000년) 이후 2006년까지 4차에 걸친 8건의   정비작업 및 2015년 이후 외주수선 시행에도 고장은 꾸준히 발생됨

다. 고장모드영향 및 치명도 분석 (FMECA)

○ IGBT 고장 유발은 ARM-UNIT에서 98.1%로 발생되었고, ARM 스택 내에서는 W상 > U상 > V상 순서로 고장 발생함

라. 정규성 검증 및 분석

○ 형상모수(β)는 0.78로 정규분포를 따르고 있지는 않으며, 초기 고장 형태보임

○ OVT 스택의 경우 신뢰도가 개선되고 있으나, ARM 스택의 경우 신뢰도가 낮은 것으로 분석됨

ARM 스택

OVT 스택

마. 고장간 평균 주행키로(MKBF) 분석

○ MKBF 값은 중정비(4년검사) 40만㎞ 수준의 값이 산출되었고, 인버터장치 내 IGBT 교환수량이 2016년 이후 증가추세에 있어 대책 관리가 필요함

대 상		건수	형상모수(β)	척도모수(η)	DF	P값	MTBF(h)	MKBF(㎞)	MKBF(순위)
	IGBT	95	0.780128	0.0738676	155,694	0.000	13,367	461,163	-
	ARM-IGBT스택	93	0.709334	0.159871	152,770	0.000	13,226	456,281	2
	OVT-IGBT스택	2	2.35401	43602.1	2922	0.000	19,948	688,210	1

바. RCM 분석

○ 유지보수측면

- 경정비(월상)시 인버터(ARM/OVT UNIT) 각 소자 저항 등 점검

- 중정비(4Y)시 절연저항, 내전압시험 등 검사시행

- IGBT에 영향을 미치는 장치와 요소들은 복합적 요인으로 발생함

구 분	고 장 현 상	관련사진
냉각기 효율 저하	– 히트씽크 반복적 on/off시 발생하는 발열 냉각기능(효율) 저하 – 압력 발생 및냉매 누출 등 문제 발생	정상 파형 불량 파형
필터캐패시터 불량	– 장기사용에 따른 노후화로 접합부 전해액 누액 발생 – 필터캐패시터 사용기간 증가로 배부름 현상 발생	누액 발생 배부름 현상
Gate-Amp 불량	– 소자 차단시 동작시간 차이에 따른 전압(dv/dt), 전류(di/dt)로 인한 소자 소손
스택 구조 방식 문제	– 알루미늄 전극의 용융현상으로 소자 소손
모터전류 불안정	– 열팽창율과 온도 상승치의 상이로 발생되는 열피로도에 의한 소자 소손
제어유니트 불량	– 동작범위 벗어난 전압/전류 출력으로 인한 소자 소손 – 시스템 보호회로의 이상으로 인한 인버터스택 불량

○ 운용환경측면

- 고장 개선(보완) 작업 활동: 총 4차에 걸친 8건의 보완작업 시행

○ 물품관리측면

- 2019.11월 현재까지 총 소요비용: 총 15,447백만 원(도입비용 12,508백만 원, 수선비용: 2,939백만 원)

- 연도별 소요비용과 고장 연관분석: 초기 고장 ⇨ 보완작업에 따른 안정화 ⇨ 노후 고장으로 증가하는 경향을 보임

- 인버터 IGBT 사용수명 검토

구 분	5호선 및 7,8호선 1차분 인버터 (‘16.11. 구성품 신뢰성평가 결과)	제작사(도시바)	B10 Life	20년 사용 누적 고장율
내 용	10 ~ 13.4년	사용주기 없음	10 ~ 11년 정도	20.7%

	신뢰성 분석결과
□ IGBT 고장율 지속발생, B10 수명 10년~11년 정도로 사용수명 도래 ○ 약 20년간 IGBT 교환수량은 총 328개로 약 16억 원의 비용이 소요됨 (연간 평균 16.4개로 약 8천만 원임) □ FMECA 분석 결과 3등급으로 수용가능한 수준이고, MKBF는 약 46만㎞로 중정비 40만㎞ 수준이나, 정규성 검증에서 ARM 스택은 신뢰도가 낮은 것으로 분석됨 □ IGBT는 인버터 내 주변장치와 상호 연관되어 영향을 많이 받는 소자로 단품 불량의 문제보다는 복합적인 요소에 의해 발생하는 경우가 대부분으로 시스템적인 차원에서의 개조 시행 필요

Ⅳ		개선방안

가. 인버터 IGBT 개선(안) 검토

○ 수명 도래시 마다 일괄 교체 및 외주 수선 시행하는 [1안], IPM이   적용된 인버터 스택으로 인버터 전체를 교체하는 [2안], IPM 적용을 위한 인버터 스택 내 필수 장치와 성능 저하 부품만을 일부 개조하는 [3안] 중에서 가장 적합한 개선방안을 도출 추진코자 함

구 분	[1안] IGBT 구매 수선	[2안] 인버터스택 교체	[3안] 인버터스택 일부 개조
내 용	ㆍIGBT 수명도래에 따른 일괄 교체 후 유지보수 시행	ㆍIPM 적용된 인버터스택으로 전체 교체	ㆍIPM 적용을 위한 인버터스택 일부 개조
범 위	ㆍ인버터스택 내 IGBT	ㆍ인버터스택Ass’y, OVT유니트, 제어컴퓨터 소프트웨어 수정 등	ㆍIGBT소자, 냉각기 교체, 부스바, 스너버판넬, 필터캐패시터, 인터페이스보드 신규 제작
비 용	ㆍ1개 편성 개조 기준 214백만 원 ㆍ2016년 단가기준 - 소자구매(24개) 189백만 원 - 스택수선(12개) 25백만 원	ㆍ편성당 약 440백만 원 (1칸 110백만 원) ㆍ총 21,890백만 원	ㆍ편성당 약 260백만 원 (1칸 65백만 원) ㆍ총 12,935백만 원

나. LCC(수명주기비용: Life Cycle Cost) 기반의 개선안 비교

○ 비용산정 내역

구 분	세부항목		[1안] IGBT 구매수선	[2안] 인버터스택 교체	[3안] 인버터스택 일부개조	비 고
비 용	계		6,910.7백만원	22,052.5백만원	13,272.5백만원
	비율		52.8%	168.47%	100%
	도입	구입비용 (개선비용)	5,203.8백만원 (866개×600.9만원)	21,890백만원 (199량×110백만원)	12,935백만원 (199량×65백만원)	최초 구매비용
		예비품 (최초도입시)	기보유로 제외	102백만원	76.4백만원	예비품 구매비
	유지	고장정비비 (인건비)	172.2백만원 (16.4개×105만원×10년)	발생없음	2.1백만원 (OVT 2개×105만원)	외주수선비 기준적용
		부품교체비 (재료비)	813.3백만원 (16.4개×495.9만원×10년)	9백만원 (5회×160만원)	24.7백만원 (OVT 2개×495.9만원 IPM 5개×160만원)	물품구매비 적용
		사회적비용	721.1백만원	51.5백만원	51.5백만원	열차지연에 따른 승객손실
신뢰도	MKBF (km)		461,163	1,276,910	912,079
	고장율 (λ)		0.000002168	0.000000783	0.000001096

	개선안 검토결과
□ LCC 기반의 분석 결과 (전동차 사용수명 30년 가정, 향후 10년을 더 사용한다고 볼 때) ○ 경제성 측면 분석 순위: 1안(52.8%) 〉3안(100%) 〉2안(168.5%) 순임 ○ 신뢰도 및 고장률 측면 분석 순위: 2안(140%) 〉3안(100%) 〉1안(50.56%) 순임 □ 개선방안이 적용되기 전까지는 불량이 발생한 인버터 스택은 외주수선을 통해 품질 확보토록 하고, □ 최종적으로 개선안 3안으로 추진함이 인버터 IGBT 사용수명 도래, 신뢰성 저하 및 고장예방 대책으로 가장 타당할 것으로 판단됨 ○ 경제성 측면을 감안하여 대상 차량의 50% 수준에서 개조 반영 추진하고, ○ 개조에 따른 취거 발생품 중 양품을 선별하여 전동차 폐차시까지 예비품 활용 가능 ※ 기대 효과 ○ 인버터 스택 고장 조치 지연 및 고장 확대 사전 예방 ○ 고장발생율 저감 및 본선 안전운행 확보 ○ 사용수명 및 사용 신뢰도 증가 ○ 인버터스택 전체 교체 대비 8,955백만 원 절감 가능 (제3안 추진시)

Ⅴ		대책방안

가. 인버터 스택 불량품 외주수선 시행

○ 불량이 발생한 물품은 스택단위로 외주수선 의뢰 시행

나. 인버터 스택 일부개조 시행

○ 개조내용: 인버터장치 내 스택 일부 개조

○ 개조대상: 51개 편성 중 25개 편성 / 1개 편성 개조작업 제외

○ 추진방법: 순차적으로 개량 추진

○ 소요예산: 총 7,556백만 원(년차별 분할 추진)

구 분	계	2020년	2021년	2022년	2023년	2024년	2025년	비 고
편성 수	25	4	5	4	4	4	4	1개 편성 당 302백만 원 (1량 75.5백만 원)
총 비용 (백만 원)	7,556	1,209	1,511	1,209	1,209	1,209	1,209

※ 년차별 개조대상은 예산범위에 따라 변동 가능

다. 6호선, 7&8호선 2차분 전동차 구성품 신뢰성 연구용역 추진

○ 기 간: 2019. 8. 26. ~ 2020. 12. 17.

○ 업 체: 비즈피어㈜

○ 내 용: 노후관리 대상 구성 대상품 선정, 기대수명 설정 및 RAMS 관리방안

주요장치 구성품 기대수명 분석 및 파괴/비파괴 검사 등

Ⅵ		결 론

□ 인버터 장치 내 전력변환소자(IGBT)의 신뢰성 검증 및 LCC 기반 개선방안을 검토한 결과 인버터 내 필수 장치와 성능 저하된 부품만을 일부 개조하는   인버터 스택 일부 개조안이 최적인 것으로 검토되었고,

□ 스택 일부 개조전까지는 불량 발생된 스택 및 IGBT는 외주수선을 통하여  품질을 확보하고, 7&8호선 2차분 전동차의 인버터 장치 일부 개조를 약 6년에 걸쳐 순차적으로 개량 추진함으로써 인버터 장치의 고장예방 및 성능 안정화에 노력토록 하겠습니다.

2019. 12.

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