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DQS 매거진

자항식 기만기 발사대 고장 분석을 통한 품질 개선

2022. 06. 29

글. ㈜라시본 기업부설연구소 수석연구원 김진형

적의 어뢰 공격을 회피하기 위하여 자체의 동력으로 운항하는 자항식 기만기는 개조개발을 통하여 양산 납품되고 있다. 그러나 자항식 기만기 발사대의 부적합 발생으로 인하여 장비의 운용 시간이 줄어들고 소요군의 신뢰가 저하되었으며 부적합 다빈도 발생에 따라 실패비용 과다발생이 대두되어 부적합의 원인과 재발 방지 대책을 수립하고자 한다. 이를 통하여 장비에 대한 신뢰성을 확보하고 소요군에 최상의 운용성을 제공하고자 한다.

개선 개요

수상함용 자항식 기만기는 아군 수상함의 추진기 소음보다 휠씬 큰 광대역 잡음신호를 생성하며, 잠수함용 자항식 기만기는 아군 잠수함 형태의 반사신호를 생성한다. 천안함 피격 사건 이후 적 어뢰에 대한 함정의 대응능력이 더욱 중요해짐에 따라 함정의 생존성 향상을 위하여 부유식 기만기로부터 개조개발되어 전력화된 장비이다.

그림 1. 자항식 기만기 발사대

자항식 기만기 발사대는 어뢰 경보기의 전술통제콘솔로부터 발사대의 위치 명령 및 발사 명령을 수신하여 발사대를 지정된 위치로 구동한 후 선택된 기만기를 발사하고 기만기의 상태를 전술통제콘솔로 전송하는 기능을 담당한다. 실전에서 발사대의 기능을 다하지 못하면 엄청난 위험으로부터 아군은 자유로울 수 없다. 이렇게 중요한 기능을 담당하는 발사대가 다수의 부적합으로 인하여 소요군에 신뢰도가 떨어지고 많은 실패비용이 발생함에 따라 부적합의 근본 원인을 찾아 재발방지 대책을 수립하여 개선하고자 한다.

개선 배경 및 내용

자항식 기만기 발사대의 제어기,기만기발사대는 자체점검기, 위치제어기, 전력증폭기, 벡터제어기, 전력변환기로 구성된다. 제어기,기만기발사대는 그림 2와 같이 전술통제콘솔과 연결되어 발사대를 제어한다.

그림 2. 자항식 기만기 시스템 구성도

제어기,기만기발사대는 2015년부터 최근까지 제작되어 소요군에 실전 배치되고 있으나 운용 상황에 따라 교체 가능 장치(LRU, Line Replaceable Unit) 단위로 부적합 현상이 발생되고 있다. 2015년부터 2021년까지의 고장 또는 수리 현황은 표 1과 같다.

표 1. 제어기,기만기발사대용 고장 및 수리 현황

품명 수리내역 건수
전력증폭기 회로카드조립체 교체 0
IGBT 교체 00
제어기,기만기발사대용 연결기, 배선 수리 0
벡터제어기 회로카드조립체 교체 0
IC 교체 외 0

표 1에서 보는 바와 같이 전력증폭기의 부적합 발생 빈도가 현저하게 나타나고 있다. 이는 고전압용 스위칭 소자인 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함한 인버터(Inverter)부의 소손이나 부품 부적합이 주원인으로 판단되어 전력증폭기의 부적합 현상을 상세하게 알아보고자 한다.

개선 주제 선정

부적합 발생 현황 분석

기존 부유식 기만기 발사대를 개발하여 10여년간 사업을 수행하였으며 2011년부터 2016년까지 제어기,기만기발사대의 하위 품목인 전력증폭기의 부적합률은 22.2% 발생한 것으로 파악된다. 2015년부터 자항식 기만기로 개조개발 되면서 지속적인 부적합이 발생되었다. 부유식 기만기에 비하여 자항식 기만기의 전력증폭기 부적합률이 79.3%로 급증하고 있다.

그림 3. 기만기 부적합 발생 현황

표 2. 연도별 전력증폭기 부적합 현황

구분 기간 총발생건수 건수 비율
부유식 기만기 ‘11~16년 00 0 22.2%
자항식 기만기 ‘15~21년 00 00 79.3%

실패비용 분석

전력증폭기의 실패비용은 부품교체비, 공정손실비, 출장비로 구분하였다.

표 3. 전력증폭기 실패비용

순번 항목 금액
1 부품 교체 12,083,080
2 공정 손실 22,035,740
3 출장 23,968,000
합 계 58,086,820

부적합 고장 유형별 파레토도

포탑 및 고각, 발사대 구동불가 등의 현상이 00건으로 79.3%를 차지한다.

그림 4. 부적합 고장 유형별 파레토도

유형별 부적합 파레토도

자항식 기만기의 유형별 부적합 중 전력증폭기가 00건으로 88.2%를 차지한다.

그림 5. 유형별 부적합 파레토도

특성요인도

그림 6. 특성요인도

개선 활동계획 수립

개선 주제가 선정되고 개선 활동을 위한 TFT를 구축하여 부분별 담당자가 선정되고 업무 범위와 활동 계획을 수립하였다.

그림 7. 개선 활동 계획

현상 파악

전력증폭기는 포탑의 선회 및 고/저각 구동 운전을 담당하는 모터에 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 부적합 현상을 요인별 분석, 파악하였다.

그림 8. 부적합 요인 계통도

주요 소손 현상에 대한 요인 파악을 위하여 소손 상태를 확인하였다. 또한 부유식과 자항식 기만기의 전력증폭기 PWM 파형을 비교하여 IGBT 스위칭 노이즈에 대한 PWM 신호의 극심한 채터링 현상 발생을 확인할 수 있었다.

그림 9. PWM 신호 분석

원인 분석 및 검토

첫 번째, 문제 요인으로 의심되는 과전류 또는 과전압 발생 유무를 판단하기 위하여 실부하를 연결한 상태에서 3상(U, V, W)의 전류와 DC Link단 전압을 측정하였으나 현상이 나타나지 않았다. 두 번째, PWM 파형의 각상 상하단 Dead Zone 미확보 여부를 확인하였는데 이는 IGBT Gate Driver 소자인 SKHI71에서 하드웨어상 Dead Zone 설정이 2㎲로 확보되어 PWM 신호가 제어회로에 의한 Arm Short 발생을 방지하고 있음을 확인하였다. 세 번째, PWM 신호회로 비교로 부유식 기만기는 벡터제어기 PWM PCB에서 전력증폭기의 Gate Driver에 직접 연결되어 있으나 자항식 기만기는 버퍼 소자 IC 2개를 거쳐 로직 변화없이 Gate Driver에 연결되어 있다. 이에따라 IGBT 스위칭 노이즈에 의한 PWM 신호에 채터링 현상이 발생함을 확인하였다. 네 번째, 제어기,기만기발사대 및 전력증폭기 단품 검사 시, 모터 출력선과 AC 전원선의 Shield(SH단자)가 접지되지 못하여 PWM 신호에 극심한 채터링이 발생함으로써 IGBT의 손상이 누적되어 IGBT 소손을 야기하는 것으로 판단된다. 또한 접지(Shield 상태)의 불안정으로 PWM 신호에 채터링이 발생함을 확인하였다.

그림 10. PWM 접지 시 정상 파형
그림 11. PWM 미접지 시 파형

다섯 번째, 사용환경의 특수성으로 인한 연결기 가이드 핀의 백화현상으로 SH단자가 Open됨으로써 IGBT 스위칭 노이즈에 의해 채터링이 발생함을 확인하였다. 분석 결과 PWM 신호 선로문제와 접지문제로 검토됨을 확인하였다.

개선 대책

순차적인 기술 개선을 진행하여 최상의 결과를 도출하고자 하였다. 1차 개선으로 전력증폭기의 PWM 신호 선로를 최소화하는 방법으로 무기능 버퍼 소자를 거치지 않고 선로를 직접 연결하여 채터링을 발생을 차단하였다. 2차 개선으로 연결기의 미사용 핀으로 SH단자를 연결하여 연결기 가이드 핀의 백화현상으로 불안정한 접지 문제를 보완하여 채터링을 차단하였다. 3차 개선을 통하여 단품검사, 공정검사 시 IGBT의 누적 손상을 최소화하기 위하여 검사 시부터 접지 연결을 수행하였다. 또한 이를 공정검사 절차에 포함하도록 하였다.

그림 12. 배선수정 및 접지 추가 측정 파형

마지막 4차 개선으로 가상부하장치를 제작하여 검사방법을 개선함으로써 성능 검증과 부적합을 사전 점검에 활용하게 되었다.

그림 13. 가상부하장치를 활용한 성능검사

개선 효과

자항식 기만기 발사대 개선 효과의 일환이자 개선 효율를 높이기 위하여 먼저 문서의 표준화를 수행하였다. 제어기,기만기발사대 및 전력증폭기 작업표준서에 기술변경 항목을 반영함으로써 이력관리와 추적성을 더 하였다. 더불어 성능시험 절차서를 신규 제정하여 공정검사에 반영하는 표준화를 시행하였다.

그림 14. 작업표준서 표준화

근본적인 원인 분석 및 검토에서 첫 번째, 과전류와 과전압은 영향성이 없음을 확인하였고 두 번째, 2㎲ Dead Zone이 확보됨으로 이 또한 문제없음이 확인되었다. 개선 대책에서 언급되었던 세 번째, 불필요한 IC 소자 연결은 선로를 최소화하여 채터링 발생을 제거하였으며 네 번째, Shield 미접지와 다섯 번째, 백화현상에 따른 Shield Open으로 PWM 신호에 채터링 발생은 연결기 내 미사용 핀을 활용하여 접지 문제를 해결하였다. 추가적으로 가상부하장치를 개발하여 최종검사에 적용함으로써 개선 효과에 신뢰성을 확인할 수 있었다.

최소 선로와 가상부하장치 적용

그림 15. 신호선로 최소화와 가상부하장치 적용을 통한 개선 내용

그림 15와 같이 개선 전 PWM신호의 채터링이 발생이 개선 후 제거되었으며 개선 전, 속도와 전류패턴 측정이 불가능하였지만 개선 후 파형 측정도 가능하게 되었다. 뿐만아니라 검사성적서상의 측정수치까지 출력이 가능하여 장비의 신뢰성까지 높이는 효과를 가져다 주었다.

유형 효과와 무형 효과

유형 효과

전력증폭기의 실패비용 절감 내역과 효과는 표4와 같다.

표 4. 절감 효과

절감효과(향후 5년 예상)
①제어기, 기만기발사대 신규 양산 00대 기준
②전력증폭기 대당 2대 소요, 총 00대 기준
대당 실패비용 : 2,525,514원
58,086,820원(총 실패비용) / 00건(부적합 건수)
절감 효과 금액 : 126,275,696원
2,525,514원(대당 실패비용) x 00대(소요량)

무형 효과

  • 부적합 재발 방지 개선을 통한 부적합 최소화로 소요군의 신뢰 향상
  • 품질개선 및 신뢰성 보장으로 고객 만족도 향상
  • 향후 유사 사업 시 개선기술을 적용하여 Risk 최소화 실현

결론

자항식 기만기 발사대의 고장 분석은 7가지 QC 도구 중, 자료를 정리하여 정보를 파악하기 위한 그래프 기법, 자료를 그 현상이나 원인별로 분류하고 집계하여 분석하는 파레토도 기법, 특성에 어떠한 요인이 있고 서로 어떻게 관계되고 영향을 주는지 파악하는 특성요인도 기법을 적용하여 부적합 원인 규명을 시작하였다. 그리고 이를 위한 조직을 구성하고 계획을 상세하게 세워 부적합 현상 파악을 진행하고 철저한 원인 분석을 수행하였다. 분석을 통한 원인으로 지목된 몇 가지 문제를 철저한 시험과 검증을 통하여 그 개선 대책을 확립하게 되었으며 추가적으로 재발방지를 위한 작업과 시험의 표준화를 확립하고 수치로 보여줄 수 있는 검사공정까지 더하여 제품의 신뢰성을 확보하게 되었다. 유·무형의 기대 효과로 실패 비용을 분석하여 상당 비용의 절감 효과와 소요군의 신뢰 회복, 품질 개선, 유사 사업의 Risk 최소화를 기대해 본다.