2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A126

4호선 대우전동차 EC Box용 ESBA PCB의 고장분석에 관한 연구

A Study on Failure Analysis for ESBA PCB of EC Box in Line 4 Daewoo train 안상덕*, 최원석*, 이길형*, 지유선*, 김우교**, 김경섭*†

Sang-Duk An*, Won-Suk Choi*, Gil-Hyeong Lee*, Yu-son Ji*, Woo-Kyo Kim**, Kyung-Seob Kim*†,

Abstract The electronic control ESBA PCB is used in the Seoul Metro Line 4 and installed in the EC (Electronic control) Box and it is performed VVVF self-diagnostic test through interaction the ESL PCB and INTO PCB, at the same time it is performed major task functionality as a PCB which output 15V constant voltage control by control contact point (PE) make up the train control circuit. However, this is associated with the failure of HSCB problems result in a significant disruption in maintaining the function as well as the breakdown of the capacitor and the zener-diode constituting ESBA PCB. Therefore, this study is achieved a solution in terms of the prevention of failure by the failure analysis related. Keywords : VVVF self-diagnostic test, control contact point (PE), HSCB, zener-diode

초 록 서울메트로 4호선에서 사용되는 전자제어용 ESBA PCB는 전자제어(EC) Box 내에 탑재되어 ESL 및 INTO PCB와 상호작용를 통하여 VVVF 자기진단시험을 수행함과 동시에 전동차 제어회로를 구성하는 전자접점(PE)에 정전압제어에 의한 15V를 출력하여 주는 PCB로서 그 기능상으로 주요한 임무를 수행하고 있다. 그런데 ESBA PCB를 구성하는 콘덴서 및 제너다이오드 (ZD)의 고장으로 그 기능을 유지하고 동작하는데 있어서 막대한 지장을 초래할 뿐만 아니라, 고속도차단기(HSCB)의 고장으로 연계되는 문제점이 있다. 따라서 본 연구는 관련고장에 관한 분석을 통하여 고장예방이라는 관점에서 해결책을 도모하고자 한다. 주요어 : VVVF 자기진단시험, 전자접점(PE), HSCB(고속도차단기), 제너다이오드

1. 서 론

현재 4호선 대우전동차의 구동차에 내장된 전자제어장치(EC unit)에는 10종의 PCB가 있는데, 그 중에서 ESBA 및 ESL PCB는 주회로 전력용 반도체소자의 일종으로 게이트 신호로 파워회로 on·off를 자유로 제어가 가능하며, 유도전동기 구동용 펄프폭변조(PWM)제어 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)인버터(Inverter)에 사용되는 GTO A,B,C 등과 통신하여 이상 시에는 VVVF자기진단테스트(Self-diagnostic test)고장을 현시시킨다. 그러나, 전자제어장치(EC unit)에 내장된 ESBA PCB의 노후화로 인한 제너다이오드, 콘덴서 및 저항 등의 반도체소자의 특성저하로 발생되는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 자기진단테스트(Self-diagnostic test)고장과 불규칙한 출력변화로 인하여 제어회로를 구성하는 전자접점(PE)의 출력기능의 불안정화로 인하여 ESL PCB 및 INTO PCB로의 병발고장이 발생되며, 또한 고속도차단기(HSCB)의 서지전압(Surge voltage)이 전자접점(PE)을 거치면서 ESBA PCB과 ESL PCB의 고장을 발생시키고 있다. 이 두 개의 PCB는 로직제어(Logic Control)를 수행하며 특히, ESBA PCB는 저전압 논리입력에 의해 구동되는 견인 및 제동 등의 외부장치

† 교신저자: 서울메트로 창동차량사업소, 공학박사(polraris7@seoulmetro.co.kr)

* 서울메트로 창동차량사업소 ** 서울메트로 기술연구원

를 제어하며, 100V의 전압을 입력받아 15V로 출력되며, 그 결과치를 ESL PCB에 전송하는데 불규칙한 서지전압(Surge voltage)에 의한 ESBA PCB 소손 시 ESL PCB 및 INTO PCB 소자의 불량이 동시에 진행될 수 있다. 이는 로직제어(Control Logic)를 담당하는 저전압제어(LV Control) 시스템이 일련의 전/후 인터페이스(Interface)를 구성하고 있기 때문이다. 본 연구는 이와 같은 고장이 발생하는 원인분석을 통하여 과전압에 의한 PCB소손과 관련기기의 고장예방을 목적으로 한다.

2. 본 론

2.1 ESBA PCB의 역할

접점 로직제어를 위한 자유전압 릴레이 컨텍트에 의해 100V 제어신호 및 제어신호를 받는 입/출력용 인터페이스를 수행하며, ESBA PCB는 저전압 논리 입력에 의해 구동되는 외부 장치 (견인, 제동 등)를 제어할 수 있으며, ESL PCB의 Read회로와 연결하는 계전기제어를 하며, ESBA PCB는 100V 전압을 입력받아 15V로 출력되며, ESL PCB로 결과치를 전송하여 배터리 전압적응을 한다. 마지막으로 15V 내부출력을 통하여 미리 설정되어 있는 70~110V 입력의 적합여부 자체시험에 사용하는 자체진단시험을 수행한다. 인버터 랙의 EIS S/W를 넣으면, 인버터 랙은 자기진단테스트를 수행하며 완료에 15~20초 정도 걸린다. 진단이 완료되면 60초 동안 LED를 점등시켜서 고장부위를 표시하는데 SYS만 점등되면 랙은 시험에 통과된 것이고, 만약 LED 17이 점등되면 랙은 시험에 실패하였고 고장의 원인은 알지 못한다. 만약 LED 17이 점등되고 LED 5 ~ LED 14 범위에서 1개나 그 이상의 LED가 점등되면 고장의 원인은 알 수 있다. 인버터 랙에서는 LED5는 ESBA, LED6은 ESL6은 ESL, LED 12는 INTO PCB의 고장을 나타낸다. 이것이 ESBA PCB가 수행하는 VVVF자기진단시험(Self-diagnostic test)이다. 2.1 ESBA PCB와 ESL PCB의 상관관계

Fig.1은 ESBA PCB로 D14선을 통하여 전원이 입력되면 BC03을 통하여 ESL PCB의 BA17로

전송된다. 이 전압은 다시 HC17~HA16을 통하여 ESBA PCB로 피드백(Feedback)되어 BC24 ~BC25 로 입력된다. ESBA PCB에서는 HC20~HA22를 통하여 제어회로의 접점을 제어하는 전자접점 PE0~PE5로 보내지게 된다. 이 전자접점은 고속도차단기(HSCB)를 제어하는 접점으로, HSCB의 접지 및 제어회로의 불규칙한 전압은 ESBA PCB를 통해 ESL PCB의 병발고장을 유발 하기도 한다. 또한, Fig.2에서 C는 100uF 콘덴서이며, 필터링 역할을 하는데 소자의 노후화 [1]로 인하여 필터링을 못할 경우에는 ELI에 +15V 신호가 출력되지 않거나 과전압신호가 출력되어 ESL PCB의 소자에 소손을 발생시키며, 드물지만 INTO PCB의 소자에도 병발고장을 발생시킨다. 제너다이오드(ZD)는 +15V 제너다이오드(Zener-diode)로서 ELI 출력전압 +15V를 유지시켜 주는데, 부품의 노후화로 ELI +15V 신호가 높거나 낮게 측정되는 경우에는 과전압[2]이 순간적으로 흐르게 되고 프로그램연산, 통신, 버퍼기능 등의 소프트웨어(Software)적인 연산을 수행하는 ESL PCB의 반도체IC가 고장이 발생하게 되는데, 그 중에서 15V에서 5V로 낮춰주는 버퍼기능을 하는 소자가 고장빈도가 월등하게 높았으며, 프로그램연산을 하는 IC, CPU, 통신기능 순으로 고장발생 빈도수가 높게 나타났다.

Fig.1

Fig.4 HSCB Fig.5 Grounded HSHZ

Fig.6 Grounded bolts Fig.7 Train Door Fig.3 Traction control circuit of Daewoo ADV

2.2 ESBA PCB와 고속도차단기(HSCB)의 상관관계 Fig.3 은 대우 ADV 의 견인제어회로를 나타낸 것인데, ESBA PCB 에서 나온 전자접점 PE0~PE5는 Fig.4 의 고속도차단기(HSCB)제어를 하는데, HSCB 와 관련된 D26 선에서 Fig.5 와 Fig.6 에 나타낸 것과 같이 HSHZ 고정볼트의 차체접지에 의한 저속도계전기(LSR)에 의한 Fig.7 의 출입문제어를 하지 못하여, 출입문 열림불량이 발생한 사례가 있으며, 이 경우에도 ESBA PCB 와 ESL PCB 가 모두 열화 손상되었다. HSCB 고장이 발생할 경우 과전압의 역류로 인하여 ESBA PCB 및 ESL PCB 의 병발 고장이 발생할 수 있다.

3. 결 론

ESBA PCB는 정전압제어를 하는 15V 출력의 저전압시스템(LV System)[3]이며, 상호 인터페이스(Interface)을 통하여 전력반도체 GTO A,B,C와 통신하여 VVVF 자기진단테스트를 현시하는데, 고장이 발생하면 ESBA PCB와 ESL PCB이 병발고장을 발생하는 사례가 빈번하였는데, 15V의 전압제어시스템에 그보다 큰 과전압이 걸리게 되면 ESBA PCB 15V의 제너다이오드및 콘덴서의 열화가 발생하여 Fig.8과 Fig.9와 같이 PCB가 열화되어 고장나게 되며, 또한 ESBA PCB를 통과한 과전압은 다시 ESL PCB에도 영향을 미치게 된다. ESBA PCB에서 나온 전자접점 PE0~PE5는 고속도차단기(HSCB)제어를 하는데, 과전압의 역류로 인하여 ESBA PCB 및 ESL PCB의 병발고장이 발생할 수 있다. 또한, Fig.10과 같이 진동에 의한 균열로 파손되는 사례도 발생한다. 본 연구에서 규명한 ESBA PCB의 고장원인을 세분화하고, 고장 데이터의 추적관리를 통하여 고장이 반복하여 발생되지 않도록 적극적이고 체계적인 관리가 필요할 것으로 사료된다.

Fig.8 Burnout of ESBA pattern Fig.9 Burnout of ESBA pattern Fig.10 Crack due to vibration

참고문헌

[1] H.C.Kang, H.C.Kim, H.C.Park, (2011) A Study on the Development of Low Pass Filter for Chopper Gate

Control Unit of Electric Rolling Stock , Spring Conference of The Korean society for Railway .

[2] D.W.Kim, C.S.Choi, H.W.Moon, et al. (2007) The Protective Countermeasure of Water Purifier PCB

according to Abnormal Voltage, Journal of The Korean Institute of Illuminating and Electrical

Installation Engineers, 21(8), pp.64-70.

[3] S.W.Jeong, (1998) An integrated CMOS DC-DC converter and controller for battery operated systems, a

master’s thesis of KAIST.