パワーモジュール
【課題】隣接するパワー半導体素子からの伝熱の影響を受けても寿命であるとの誤認識を防止することができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】パワー半導体素子であるＩＧＢＴ２の表面中央部および表面周辺部の２箇所にダイオード６ａ，６ｂを取り付けてそれらの温度を検出し、温度勾配監視手段７が表面中央部の温度と表面周辺部の温度との温度勾配（温度差）を監視する。動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２の動作状態、すなわち、オン状態かオフ状態かを検出し、素子電流検出手段９がＩＧＢＴ２の大電流動作を検出し、寿命推定手段１０は、動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２のオン状態を検出し、素子電流検出手段９がＩＧＢＴ２の大電流動作を検出しているときだけ、温度勾配監視手段７の監視結果に基づいた寿命の推定を行う。これで、寿命推定時に、他のパワー半導体素子からの熱の影響による誤認識を防止できる。
【解決手段】パワー半導体素子であるＩＧＢＴ２の表面中央部および表面周辺部の２箇所にダイオード６ａ，６ｂを取り付けてそれらの温度を検出し、温度勾配監視手段７が表面中央部の温度と表面周辺部の温度との温度勾配（温度差）を監視する。動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２の動作状態、すなわち、オン状態かオフ状態かを検出し、素子電流検出手段９がＩＧＢＴ２の大電流動作を検出し、寿命推定手段１０は、動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２のオン状態を検出し、素子電流検出手段９がＩＧＢＴ２の大電流動作を検出しているときだけ、温度勾配監視手段７の監視結果に基づいた寿命の推定を行う。これで、寿命推定時に、他のパワー半導体素子からの熱の影響による誤認識を防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーモジュールに関し、特に大電力制御を行うＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワーデバイスおよびその保護用の還流ダイオードからなる複数のパワー半導体素子を備えたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機可変速駆動装置やコンピュータの無停電電源装置などの電力変換装置は、パワー半導体素子をスイッチング動作させることにより電力変換を行っている。このようなパワー半導体素子は、負荷の大きさに応じ複数個組み合わされて１つのパッケージに収容され、パワーモジュールを構成している。
【０００３】
図８は交流電動機を駆動する三相インバータの回路構成の一例を示す図である。
この三相インバータは、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ１０１および還流ダイオード１０２を使用した例を示している。この回路構成によれば、ＩＧＢＴ１０１を２個直列に接続した直列回路が三相分形成され、これらの直列回路の接続点が交流電動機１０３に接続されている。また、これらの直列回路は、直流電源１０４に対して並列に接続されている。さらに、それぞれのＩＧＢＴ１０１には、還流ダイオード１０２がそれぞれ逆並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子には、それぞれ駆動回路１０５が接続され、これら駆動回路１０５は、パルス分配回路１０６を介して制御回路１０７に接続されている。この制御回路１０７は、出力電圧指令１０８および基準三角波１０９を入力とする比較演算部１１０を備えている。ここで、６組のＩＧＢＴ１０１および還流ダイオード１０２が一体になってパワーモジュールを構成したり、さらに、駆動回路１０５、パルス分配回路１０６および制御回路１０７を含めてパワーモジュールを構成したりしている。
【０００４】
三相インバータは、ＩＧＢＴ１０１を駆動回路１０５にて上下アームで交互にスイッチングすることにより、直流電源１０４の直流電力を三相交流電力に変換して負荷である交流電動機１０３に供給する。ここで、ＩＧＢＴ１０１がオフした際には、負荷電流を還流ダイオード１０２側へ還流させてＩＧＢＴ１０１を保護している。なお、このＩＧＢＴ１０１がオフ状態のとき、還流ダイオード１０２は、オン状態となっているため、このときのモジュール内部の温度分布は、ＩＧＢＴ１０１の側が低く、還流ダイオード１０２の側が高くなっている。
【０００５】
ＩＧＢＴ１０１のスイッチング方法としては、制御回路１０７において、出力電圧指令１０８と基準三角波１０９との大小関係を比較演算部１１０により比較してスイッチングパターンを決定するパルス幅変調（ＰＷＭ）が一般的に行われている。制御回路１０７により決定されたスイッチングパターンは、パルス分配回路１０６によりインバータの三相の各アームに分配され、さらに駆動回路１０５を介してＩＧＢＴ１０１の駆動パルスが生成される。この駆動パルスによりＩＧＢＴ１０１をスイッチングさせて直流−交流間の電力変換を行っている。
【０００６】
一般に、パワー半導体素子（半導体チップ）が許容できるジャンクション温度の限界値は、１５０℃程度であり、電力変換装置の最大負荷条件においてもジャンクション温度が１５０℃以下となるようにパワーモジュールの定格の選定や、電力変換装置の負荷運転条件を設計している。
【０００７】
しかし、パワー半導体素子がスイッチングするときに発熱や温度上昇が発生し、これが電力変換装置の運転ごとに繰り返されることにより、パワーモジュール各部の接合、特にＩＧＢＴ１０１や還流ダイオード１０２のパワー半導体素子と絶縁配線基板との間の半田層、および、絶縁配線基板と金属ベース板との間の半田層に応力が発生し、この応力が繰り返して半田層に加わると、これらの半田層に亀裂が生じることがある。
【０００８】
これは、パワーモジュールを構成しているセラミックス・銅・シリコンなどの材料の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、温度が上昇すると熱膨張係数の違いが応力として内部に発生し、これが半田層に加わることに起因している。
【０００９】
半田層に亀裂が生じると、パワー半導体素子において生じる熱の放散を妨げる原因になり、温度上昇を繰り返すごとにさらに亀裂が進展し、当初の素子温度設計値よりも高くなってしまうという現象を招く。
【００１０】
この結果、電力変換装置の運転に伴ってパワー半導体素子の温度が次第に高くなり、ついにはジャンクション温度が１５０℃を超えて素子の破壊に至ってしまう。なお、このような運転の繰り返し回数に応じたパワー半導体素子の劣化（寿命）をパワーサイクル寿命と呼ぶ。
【００１１】
電力変換装置の運転中にパワー半導体素子が破壊してしまうと、電力変換装置が異常停止することになり、停止原因の究明や修理・復旧に時間がかかってしまうことが多い。このため、パワー半導体素子が破壊する前に素子の劣化、特に半田層の劣化を検出できれば、電力変換装置が運転を停止しているときや定期点検時などに、劣化したパワー半導体素子をあらかじめ交換しておくことができる。
【００１２】
このような半田層の劣化状態、ひいてはパワー半導体素子の劣化状態を検出して素子の破壊や装置の故障を未然に防止しようとする技術が提案されている。たとえば、パワー半導体素子の表面中央部および表面周辺部の２箇所の温度を検出し、これらの温度を比較して、表面周辺部の温度が表面中央部の温度よりも高くなった場合に、半田層が劣化したと推定し、パワー半導体素子は寿命であると判断する技術がある（たとえば、特許文献１参照）。
【００１３】
また、パワー半導体素子がオフしたときの温度とオンしたときの温度とを検出し、その温度差を設定値と比較し、温度差が設定値を超えたとき、半田層が熱疲労したと推定することにより、過電流による過熱とは区別して亀裂の発生を診断するようにした技術も知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−１１４５７５号公報
【特許文献２】特開２００７−７１７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のものは、パワー半導体素子の表面周辺部の温度が表面中央部の温度よりも高くなると、半田層が劣化したと推定しているので、表面周辺部が隣接するパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けて表面中央部よりも高温になると誤認識してしまうことがある。また、特許文献２に記載のものについては、隣接するパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けてオフしたときのパワー半導体素子の温度が低下しにくくなり、半田層が熱疲労したと推定する温度差を得ることができない場合がある。いずれにしても、従来のパワー半導体素子の寿命を判断する装置では、隣接するパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けることによって、誤動作する場合があるという問題点があった。
【００１６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、隣接するパワー半導体素子から伝達される熱の影響を受けても寿命であるとの誤認識を防止することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明では上記の課題を解決するために、絶縁配線基板上に複数のパワー半導体素子を実装して構成されるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の表面中央部および表面周辺部の２箇所の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度を基にして温度勾配を監視する温度勾配監視手段と、前記パワー半導体素子の動作状態を検出する動作状態検出手段と、前記表面周辺部の温度が前記表面中央部の温度以上となる温度勾配を前記温度勾配監視手段が検出し、かつ、前記パワー半導体素子が動作していることを前記動作状態検出手段が検出したとき、寿命信号を出力する寿命推定手段と、を備えていることを特徴とするパワーモジュールが提供される。
【００１８】
このようなパワーモジュールによれば、温度勾配監視手段による温度監視結果に基づいて寿命推定手段がパワー半導体素子の寿命を推定するのは、動作状態検出手段がパワー半導体素子の動作状態を検出しているときだけに限定することができる。これにより、他のパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けて、温度勾配監視手段が監視対象のパワー半導体素子の寿命時に現れる温度勾配と同じ温度勾配を検出したとしても、寿命推定手段は、誤って寿命信号を出力することはない。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成のパワーモジュールは、パワー半導体素子の動作状態を検出する動作状態検出手段を備えたことにより、監視対象のパワー半導体素子が実際に動作しているときの表面温度に基づいて寿命を推定しているので、動作していないパワー半導体素子が隣接するパワー半導体素子から伝達された熱によって寿命時に現れる温度勾配と同じ温度勾配を呈していたとしても、寿命であると誤認識することを防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用したパワーモジュールの原理的な構成を示す図である。
【図２】半田層正常時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図である。
【図３】半田層劣化時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。
【図５】第２の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。
【図６】第３の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。
【図７】第３の実施の形態に係るパワーモジュールの寿命推定動作を説明するフローチャートである。
【図８】交流電動機を駆動する三相インバータの回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、ＩＧＢＴおよび還流ダイオードの組みがパワー半導体素子として同一の絶縁配線基板上に実装されているパワーモジュールに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明を適用したパワーモジュールの原理的な構成を示す図、図２は半田層正常時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図、図３は半田層劣化時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図である。
【００２３】
パワーモジュール１は、ＩＧＢＴ２とこれを保護するための還流ダイオード２ａとを有している。ＩＧＢＴ２は、熱伝導性のよい金属ベース板３に固着されたセラミックス製の絶縁配線基板４の上に半田層５によって接合されている。還流ダイオード２ａも同様にして、絶縁配線基板４に接合されている。
【００２４】
ＩＧＢＴ２の表面中央部および表面周辺部の２箇所には、ダイオード６ａ，６ｂが取り付けられている。これらのダイオード６ａ，６ｂは、一定の電流を流したときの順方向電圧が温度の上昇とともに低下するという温度依存特性を利用し、温度検出手段として使用している。ダイオード６ａ，６ｂの出力は、温度勾配監視手段７に接続され、この温度勾配監視手段７において、ＩＧＢＴ２の表面中央部の温度と表面周辺部の温度との温度勾配（温度差）が監視される。ＩＧＢＴ２は、また、その動作状態、すなわち、オン状態かオフ状態かを検出する動作状態検出手段８が接続され、さらに、ＩＧＢＴ２を流れる電流値を検出する素子電流検出手段９が接続されている。そして、温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の出力は、寿命推定手段１０に接続されている。寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の出力を基に、ＩＧＢＴ２を絶縁配線基板４に接合している半田層５が劣化したかどうかを推定し、その結果を寿命信号として出力する。
【００２５】
ここで、ＩＧＢＴ２を絶縁配線基板４に接合している半田層５の劣化とＩＧＢＴ２の表面温度との関係について説明する。まず、ＩＧＢＴ２が搭載される部分を詳細に見ると、図２に示したように、絶縁配線基板４の両面に回路パターン４ａ，４ｂが形成され、ＩＧＢＴ２は、上面側の回路パターン４ａに半田層５によって接合されている。絶縁配線基板４の下面側の回路パターン４ｂも、同様に、半田層５ａによって金属ベース板３が接合されている。
【００２６】
半田層５の劣化がない正常時には、ＩＧＢＴ２がオン状態で自身が発熱し、その熱は、半田層５、回路パターン４ａ、絶縁配線基板４、回路パターン４ｂおよび半田層５ａを介して金属ベース板３側へ放散されている。このとき、ダイオード６ａ，６ｂの位置に対応する温度分布は、表面中央部の温度Ｔ１が高く、表面周辺部の温度Ｔ２が低くなっている。これは、ＩＧＢＴ２から外気への熱の放散量が表面中央部よりも表面周辺部の方が大きいからである。
【００２７】
半田層５は、このパワーモジュール１を搭載した装置の運転・停止の繰り返しによる温度変化（パワーサイクル）に起因して、図３に示すように、半田層５に亀裂１１が生じるようになる。この亀裂１１がＩＧＢＴ２から絶縁配線基板４の方向に至る熱の放散経路上に発生すると、この放熱経路上の熱抵抗が大きくなって熱の放散が阻害されるようになる。この結果、ＩＧＢＴ２の表面の温度分布は、表面中央部の温度Ｔ１に比べて表面周辺部の温度Ｔ２が高くなるといった逆転現象が生じる。
【００２８】
このような亀裂１１の発生が進行すると、絶縁配線基板４への熱の放散がさらに阻害されるため、ＩＧＢＴ２の表面周辺部の温度Ｔ２だけでなく、表面中央部の温度Ｔ１も次第に上昇していき、遂には過熱によるＩＧＢＴ２の素子破壊に至ってしまう。
【００２９】
そこで、本発明では、半田層５に亀裂１１が生じた場合に生じるＩＧＢＴ２の表面中央部と表面周辺部との温度差の逆転現象に着目し、そのような逆転現象がＩＧＢＴ２の動作中にあった場合に、半田層５が劣化したと推定し、寿命信号を出力するようにしている。すなわち、温度勾配監視手段７がダイオード６ａ，６ｂによって検出されたＩＧＢＴ２の表面中央部の温度と表面周辺部の温度とを監視し、寿命推定手段１０がそれらの温度差の逆転現象があった場合に、寿命信号を出力する。この寿命信号は、たとえばこのパワーモジュール１を搭載した装置の制御回路に送られ、制御回路は、パワーモジュール１の交換を促すなどの保護動作を実行する。
【００３０】
ただし、温度差の逆転現象は、隣接するパワー半導体素子の発熱の影響を受けて生じる場合がある。たとえば、ＩＧＢＴ２が動作していなかったり、動作していても小電流での動作であったりして、発熱量がないまたは非常に少ないはずであるにも拘わらず、ＩＧＢＴ２が隣接するパワー半導体素子の発熱する熱を受けて表面周辺部の温度Ｔ２が表面中央部の温度Ｔ１より高くなることがある。そのような場合においても、寿命推定手段１０は、誤って寿命信号を出力することがないようにする必要がある。本発明では、ＩＧＢＴ２の動作状態を検出する動作状態検出手段８およびＩＧＢＴ２の素子電流を検出する素子電流検出手段９の少なくとも一方を備え、寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の検出結果に基づいて寿命を推定している。
【００３１】
寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７からＩＧＢＴ２の表面における温度勾配の監視結果を受けるとともに、動作状態検出手段８からＩＧＢＴ２がオン状態であるかオフ状態であるかの動作状態を受け、素子電流検出手段９からＩＧＢＴ２を流れる電流値が基準値を超えているかどうかの比較結果を受けて、ＩＧＢＴ２の寿命を推定している。これにより、温度勾配監視手段７の監視結果がＩＧＢＴ２の寿命到達を表していたとしても、動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２のオフ状態を検出していれば、寿命推定手段１０は、寿命信号を出力しない。また、温度勾配監視手段７の監視結果がＩＧＢＴ２の寿命到達を表し、動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２のオン状態を検出していたとしても、ＩＧＢＴ２を流れる電流値が基準値を超えていないとの比較結果を素子電流検出手段９が出力していれば、寿命推定手段１０は、寿命信号を出力しない。このように、寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７の監視結果を、動作状態検出手段８または素子電流検出手段９の検出結果に基づいて判断することにより、隣接するパワー半導体素子から伝達される熱の影響を受けたとしても、ＩＧＢＴ２が寿命であるとの誤認識を防止することができる。
【００３２】
なお、図１の原理的なパワーモジュールの構成によれば、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の両方を備えているが、必要に応じて、いずれか一方だけでもよい。特に、素子電流検出手段９については、素子電流が基準値より小さいことを検出することによって実質的にＩＧＢＴ２のオフ状態を検出できるので、動作状態検出手段８の機能を兼用させることができる。また、ＩＧＢＴ２が小電流駆動頻度の少ない負荷用の駆動装置に適用される場合には、素子電流検出手段９を省略して、動作状態検出手段８だけにすることもできる。
【００３３】
図４は第１の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。なお、この図４において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３４】
この第１の実施の形態に係るパワーモジュールは、素子電流検出手段９に動作状態検出手段８の機能を兼用させて構成した場合の例を示している。パワー半導体素子としてのＩＧＢＴ２のコレクタおよびエミッタには、パワー半導体素子としての還流ダイオード２ａのカソードおよびアノードが逆並列に接続され、ゲートには、駆動回路１２が接続されている。この駆動回路１２は、図示しない制御回路に接続されている。
【００３５】
ＩＧＢＴ２のチップ表面には、温度検出手段としてのダイオード６ａ，６ｂが配置されている。ダイオード６ａは、チップの表面中央部に配置され、ダイオード６ｂは、チップの表面周辺部に配置されている。これらのダイオード６ａ，６ｂのアノードは、差動増幅器２１の入力に接続されるとともに、直流定電流源２２ａ，２２ｂを介して駆動回路電源２３に接続され、カソードは、ＩＧＢＴ２のエミッタに接続されている。差動増幅器２１の出力は、比較器２４の非反転入力に接続され、その反転入力には、基準電圧源２５が接続されている。基準電圧源２５は、ダイオード６ａ，６ｂによって検出された温度差が半田層５の劣化と推定すべき温度差に対応する電圧値を出力する。比較器２４は、ダイオード６ａ，６ｂによって検出された所定の温度勾配での温度差が所定の温度差を超えていない場合には、論理レベルＬの信号を出力し、所定の温度勾配での温度差が所定の温度差を超えている場合には、論理レベルＨの信号を出力する。したがって、差動増幅器２１および比較器２４は、ダイオード６ａ，６ｂが検出したＩＧＢＴ２のチップの表面中央部の温度が表面周辺部の温度より低いときの温度差が所定の温度差を超えているかどうかを監視するもので、温度勾配監視手段７に対応する。
【００３６】
ＩＧＢＴ２は、センスエミッタを有し、そのセンスエミッタは、電流検出用の抵抗２６を介してエミッタに接続されている。センスエミッタと抵抗２６との接続点は、比較器２７の非反転入力に接続され、その反転入力は、基準電圧源２８に接続されている。ここで、この基準電圧源２８は、ＩＧＢＴ２の状態検出が、そのオン・オフ状態の検出を主としているのか、小電流動作状態の検出を主としているかによって基準電圧の値が決められている。
【００３７】
ＩＧＢＴ２のオン・オフ状態を主として検出する場合、基準電圧源２８の基準電圧は、ゼロに近い電圧値に設定され、小電流動作状態を主として検出する場合には、発熱量が少ないときの電流に相当する電圧値に設定される。したがって、比較器２７は、ＩＧＢＴ２を流れる電流に相当する抵抗２６の端子電圧と基準電圧源２８の基準電圧とを比較して、電流相当電圧が基準電圧より低い場合、論理レベルＬの信号を出力し、電流相当電圧が基準電圧より高い場合、論理レベルＨの信号を出力する。
【００３８】
比較器２４の出力および比較器２７の出力は、論理積ゲート回路２９の入力に接続されている。この論理積ゲート回路２９は、比較器２４の出力および比較器２７の出力が論理レベルＨの信号の場合のみ、寿命信号を出力し、比較器２４の出力および比較器２７のいずれか一方の出力が論理レベルＬの信号の場合は、寿命信号を出力しない。したがって、論理積ゲート回路２９は、所定の温度勾配での温度差が所定の温度差を超えていると比較器２４が判断しても、ＩＧＢＴ２が実質的にオフ状態または小電流動作状態であると比較器２７が判断すれば、寿命信号を出力しない。つまり、論理積ゲート回路２９は、ＩＧＢＴ２がオン状態または大電流動作状態である場合のみ寿命の推定を行う寿命推定手段１０に対応する。
【００３９】
以上の構成のパワーモジュールによれば、ＩＧＢＴ２と絶縁配線基板４との間の半田層５に劣化のない正常状態で動作中においては、ダイオード６ａによって検出されたチップの表面中央部の温度は、ダイオード６ｂによって検出されたチップの表面周辺部の温度よりも常に高い。このため、ダイオード６ａの順方向電圧は、ダイオード６ｂの順方向電圧よりも低くなるので、差動増幅器２１は、ゼロ以下の電圧を出力する。この電圧は、基準電圧源２５の基準電圧よりも低いので、比較器２４は、論理レベルＬの信号を出力する。論理積ゲート回路２９は、比較器２４から論理レベルＬの信号を受けることで、比較器２７からの信号の論理状態に関係なく、寿命信号を出力しない。
【００４０】
半田層５に亀裂１１が生じた状態でＩＧＢＴ２が動作していると、そのチップの表面中央部よりも表面周辺部の温度が高くなってくる。すると、差動増幅器２１は、その温度差に応じた電圧値を出力する。表面中央部の温度と表面周辺部の温度との温度差が大きくなって差動増幅器２１の出力する電圧値が基準電圧源２５の基準電圧よりも高くなると、比較器２４は、論理レベルＨの信号を出力する。このとき、比較器２７がＩＧＢＴ２を流れる電流を監視していて、ＩＧＢＴ２が実質的にオフ状態または小電流動作状態である場合、比較器２７は、論理レベルＬの信号を出力する。このため、論理積ゲート回路２９は、比較器２４の出力が半田層５の劣化を現した信号を出力していても、寿命信号を出力しない。つまり、ＩＧＢＴ２が実質的に動作していないまたは小電流動作の場合に表面中央部よりも表面周辺部の温度が高くなる状態は、ＩＧＢＴ２自身の発熱によるものではなく、隣接するパワー半導体素子の発熱によるものであると論理積ゲート回路２９が推定し、寿命信号を出力しない。
【００４１】
もし、ＩＧＢＴ２を流れる電流を監視している比較器２７が、ＩＧＢＴ２のオン状態または大電流動作状態を検出している場合、比較器２７は、論理レベルＨの信号を出力する。このとき、比較器２４が半田層５の劣化を示唆する論理レベルＨの信号を出力していれば、論理積ゲート回路２９は、論理レベルＨの信号、すなわち、寿命信号を出力することになる。
【００４２】
図５は第２の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。なお、この図５において、図４に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４３】
この第２の実施の形態に係るパワーモジュールは、動作状態検出手段８と素子電流検出手段９を別個に備えて構成した場合の例を示している。この実施の形態の温度検出手段としては、共通の直流定電流源２２と、ダイオード６ａ，６ｂと、抵抗３０ａ，３０ｂとを備えている。ダイオード６ａと抵抗３０ａとの接続点は、差動増幅器２１の反転入力に接続され、ダイオード６ｂと抵抗３０ｂとの接続点は、差動増幅器２１の非反転入力に接続されている。
【００４４】
ＩＧＢＴ２のゲートに接続されている駆動回路１２の出力は、比較器３１の非反転入力に接続され、その反転入力は、基準電圧源３２に接続されている。この比較器３１は、ＩＧＢＴ２がオン状態かオフ状態かを判断するもので、動作状態検出手段８に対応する。駆動回路１２は、ＩＧＢＴ２を駆動しているときは、駆動電圧信号を出力している。このため、比較器３１は、その駆動電圧信号が基準電圧源３２の基準電圧より低いと判断したとき、ＩＧＢＴ２がオフ状態であるとして論理積ゲート回路２９に論理レベルＬの信号を出力する。一方、駆動電圧信号が基準電圧源３２の基準電圧より高いとき、比較器３１は、ＩＧＢＴ２がオン状態であると判断して論理積ゲート回路２９に論理レベルＨの信号を出力する。
【００４５】
以上の構成では、比較器２４が半田層５の劣化を示唆する論理レベルＨの信号を出力していないときには、比較器２７，３１の出力信号の論理状態に関係なく、論理積ゲート回路２９は、寿命信号を出力しない。
【００４６】
比較器２４が半田層５の劣化を示唆する論理レベルＨの信号を出力しているとき、比較器２７がＩＧＢＴ２の大電流動作を現す論理レベルＨの信号を出力し、かつ、比較器３１がＩＧＢＴ２のオン状態を現す論理レベルＨの信号を出力している場合のみ、論理積ゲート回路２９は、論理レベルＨの寿命信号を出力する。
【００４７】
図６は第３の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図、図７は第３の実施の形態に係るパワーモジュールの寿命推定動作を説明するフローチャートである。なお、この図６において、図５に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
この第３の実施の形態に係るパワーモジュールは、素子電流検出手段９を省略し、動作状態検出手段８でＩＧＢＴ２がオン状態かオフ状態かを判断するよう構成した場合の例を示している。この実施の形態では、ＩＧＢＴ２がオン状態であるかオフ状態であるかは、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧を監視することによって判断している。すなわち、動作状態検出手段８としての比較器２７は、その反転入力をＩＧＢＴ２のコレクタに接続し、非反転入力を基準電圧源２８に接続している。
【００４９】
次に、このパワーモジュールの寿命推定動作の流れについて図７を参照しながら説明する。まず、寿命推定動作をするに当たって、動作状態検出手段８の比較器２７は、ＩＧＢＴ２の主回路端子間電圧であるコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅを監視し、温度勾配監視手段７のダイオード６ａは、ＩＧＢＴ２のチップの表面中央部の温度Ｔ１を監視し、ダイオード６ｂは、ＩＧＢＴ２のチップの表面周辺部の温度Ｔ２を監視している。
【００５０】
寿命推定動作は、比較器２７がＩＧＢＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅと基準電圧源２８の基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較し、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下かどうかを判断する。コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１より高ければ（Ｓ１：Ｎｏ）、ＩＧＢＴ２は駆動回路１２によって駆動されていないオフ状態にあって、このＩＧＢＴ２に関する寿命推定は不要であることから、論理積ゲート回路２９は、比較器２４の判断結果を無視する。
【００５１】
コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であれば（Ｓ１：Ｙｅｓ）、ＩＧＢＴ２は、駆動回路１２によって駆動されてオン状態にあると判断される。この場合、差動増幅器２１によりチップの表面中央部の温度Ｔ１が表面周辺部の温度Ｔ２より高い温度勾配を有しているかどうかが判断される。表面中央部の温度Ｔ１が表面周辺部の温度Ｔ２以上となる温度勾配であるなら（Ｓ２：Ｙｅｓ）、ＩＧＢＴ２は、正常動作していると判断される。表面中央部の温度Ｔ１が表面周辺部の温度Ｔ２よりも低い温度勾配を有している場合（Ｓ２：Ｎｏ）は、その温度差（Ｔ２−Ｔ１）に対応する出力電圧Ｖｏｕｔが比較器２４にて基準電圧源２５の基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較される。出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ２以下なら（Ｓ３：Ｎｏ）、正常動作の範囲内と判断される。出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ２より大きくなると（Ｓ３：Ｙｅｓ）、半田層５が劣化したと推定され、論理積ゲート回路２９は、寿命信号を出力する。寿命信号を受けた制御回路は、たとえばこのパワーモジュールを組み込んだ装置を運転停止したり、パワー半導体素子の寿命到来の注意を喚起したりなどして、何らかのアラームを発することになる。
【００５２】
上記の実施の形態では、ダイオードの温度特性を使用してパワー半導体素子の寿命推定を行っているが、他の温度検出手段によっても同様の目的を達成できることは明らかである。たとえば、ダイオードの代わりにサーミスタを使用し、その抵抗値変化を検出することによってもパワーモジュール各部の温度勾配を検出することができる。また、サーミスタの代わりに熱電対を使用して温度を検出してもよい。
【００５３】
また、温度検出手段が接続される温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８、素子電流検出手段９および寿命推定手段１０の機能は、パワーモジュールの内部および外部のいずれに配置してもよい。
【００５４】
さらに、上記の実施の形態では、チップの表面周辺部の温度Ｔ２が表面中央部の温度Ｔ１より高い温度勾配を有し、かつ、その温度差が所定の温度差より大きい場合に半田層５が劣化したと推定しているが、その所定の温度差をゼロにして、チップの表面周辺部の温度Ｔ２が表面中央部の温度Ｔ１に等しくなった時点で半田層５が劣化したと推定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ パワーモジュール
２ ＩＧＢＴ
２ａ 還流ダイオード
３ 金属ベース板
４ 絶縁配線基板
４ａ，４ｂ 回路パターン
５，５ａ 半田層
６ａ，６ｂ ダイオード
７ 温度勾配監視手段
８ 動作状態検出手段
９ 素子電流検出手段
１０ 寿命推定手段
１１ 亀裂
１２ 駆動回路
２１ 差動増幅器
２２，２２ａ，２２ｂ 直流定電流源
２３ 駆動回路電源
２４ 比較器
２５ 基準電圧源
２６ 抵抗
２７ 比較器
２８ 基準電圧源
２９ 論理積ゲート回路
３０ａ，３０ｂ 抵抗
３１ 比較器
３２ 基準電圧源
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーモジュールに関し、特に大電力制御を行うＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワーデバイスおよびその保護用の還流ダイオードからなる複数のパワー半導体素子を備えたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機可変速駆動装置やコンピュータの無停電電源装置などの電力変換装置は、パワー半導体素子をスイッチング動作させることにより電力変換を行っている。このようなパワー半導体素子は、負荷の大きさに応じ複数個組み合わされて１つのパッケージに収容され、パワーモジュールを構成している。
【０００３】
図８は交流電動機を駆動する三相インバータの回路構成の一例を示す図である。
この三相インバータは、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ１０１および還流ダイオード１０２を使用した例を示している。この回路構成によれば、ＩＧＢＴ１０１を２個直列に接続した直列回路が三相分形成され、これらの直列回路の接続点が交流電動機１０３に接続されている。また、これらの直列回路は、直流電源１０４に対して並列に接続されている。さらに、それぞれのＩＧＢＴ１０１には、還流ダイオード１０２がそれぞれ逆並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子には、それぞれ駆動回路１０５が接続され、これら駆動回路１０５は、パルス分配回路１０６を介して制御回路１０７に接続されている。この制御回路１０７は、出力電圧指令１０８および基準三角波１０９を入力とする比較演算部１１０を備えている。ここで、６組のＩＧＢＴ１０１および還流ダイオード１０２が一体になってパワーモジュールを構成したり、さらに、駆動回路１０５、パルス分配回路１０６および制御回路１０７を含めてパワーモジュールを構成したりしている。
【０００４】
三相インバータは、ＩＧＢＴ１０１を駆動回路１０５にて上下アームで交互にスイッチングすることにより、直流電源１０４の直流電力を三相交流電力に変換して負荷である交流電動機１０３に供給する。ここで、ＩＧＢＴ１０１がオフした際には、負荷電流を還流ダイオード１０２側へ還流させてＩＧＢＴ１０１を保護している。なお、このＩＧＢＴ１０１がオフ状態のとき、還流ダイオード１０２は、オン状態となっているため、このときのモジュール内部の温度分布は、ＩＧＢＴ１０１の側が低く、還流ダイオード１０２の側が高くなっている。
【０００５】
ＩＧＢＴ１０１のスイッチング方法としては、制御回路１０７において、出力電圧指令１０８と基準三角波１０９との大小関係を比較演算部１１０により比較してスイッチングパターンを決定するパルス幅変調（ＰＷＭ）が一般的に行われている。制御回路１０７により決定されたスイッチングパターンは、パルス分配回路１０６によりインバータの三相の各アームに分配され、さらに駆動回路１０５を介してＩＧＢＴ１０１の駆動パルスが生成される。この駆動パルスによりＩＧＢＴ１０１をスイッチングさせて直流−交流間の電力変換を行っている。
【０００６】
一般に、パワー半導体素子（半導体チップ）が許容できるジャンクション温度の限界値は、１５０℃程度であり、電力変換装置の最大負荷条件においてもジャンクション温度が１５０℃以下となるようにパワーモジュールの定格の選定や、電力変換装置の負荷運転条件を設計している。
【０００７】
しかし、パワー半導体素子がスイッチングするときに発熱や温度上昇が発生し、これが電力変換装置の運転ごとに繰り返されることにより、パワーモジュール各部の接合、特にＩＧＢＴ１０１や還流ダイオード１０２のパワー半導体素子と絶縁配線基板との間の半田層、および、絶縁配線基板と金属ベース板との間の半田層に応力が発生し、この応力が繰り返して半田層に加わると、これらの半田層に亀裂が生じることがある。
【０００８】
これは、パワーモジュールを構成しているセラミックス・銅・シリコンなどの材料の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、温度が上昇すると熱膨張係数の違いが応力として内部に発生し、これが半田層に加わることに起因している。
【０００９】
半田層に亀裂が生じると、パワー半導体素子において生じる熱の放散を妨げる原因になり、温度上昇を繰り返すごとにさらに亀裂が進展し、当初の素子温度設計値よりも高くなってしまうという現象を招く。
【００１０】
この結果、電力変換装置の運転に伴ってパワー半導体素子の温度が次第に高くなり、ついにはジャンクション温度が１５０℃を超えて素子の破壊に至ってしまう。なお、このような運転の繰り返し回数に応じたパワー半導体素子の劣化（寿命）をパワーサイクル寿命と呼ぶ。
【００１１】
電力変換装置の運転中にパワー半導体素子が破壊してしまうと、電力変換装置が異常停止することになり、停止原因の究明や修理・復旧に時間がかかってしまうことが多い。このため、パワー半導体素子が破壊する前に素子の劣化、特に半田層の劣化を検出できれば、電力変換装置が運転を停止しているときや定期点検時などに、劣化したパワー半導体素子をあらかじめ交換しておくことができる。
【００１２】
このような半田層の劣化状態、ひいてはパワー半導体素子の劣化状態を検出して素子の破壊や装置の故障を未然に防止しようとする技術が提案されている。たとえば、パワー半導体素子の表面中央部および表面周辺部の２箇所の温度を検出し、これらの温度を比較して、表面周辺部の温度が表面中央部の温度よりも高くなった場合に、半田層が劣化したと推定し、パワー半導体素子は寿命であると判断する技術がある（たとえば、特許文献１参照）。
【００１３】
また、パワー半導体素子がオフしたときの温度とオンしたときの温度とを検出し、その温度差を設定値と比較し、温度差が設定値を超えたとき、半田層が熱疲労したと推定することにより、過電流による過熱とは区別して亀裂の発生を診断するようにした技術も知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−１１４５７５号公報
【特許文献２】特開２００７−７１７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のものは、パワー半導体素子の表面周辺部の温度が表面中央部の温度よりも高くなると、半田層が劣化したと推定しているので、表面周辺部が隣接するパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けて表面中央部よりも高温になると誤認識してしまうことがある。また、特許文献２に記載のものについては、隣接するパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けてオフしたときのパワー半導体素子の温度が低下しにくくなり、半田層が熱疲労したと推定する温度差を得ることができない場合がある。いずれにしても、従来のパワー半導体素子の寿命を判断する装置では、隣接するパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けることによって、誤動作する場合があるという問題点があった。
【００１６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、隣接するパワー半導体素子から伝達される熱の影響を受けても寿命であるとの誤認識を防止することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明では上記の課題を解決するために、絶縁配線基板上に複数のパワー半導体素子を実装して構成されるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の表面中央部および表面周辺部の２箇所の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度を基にして温度勾配を監視する温度勾配監視手段と、前記パワー半導体素子の動作状態を検出する動作状態検出手段と、前記表面周辺部の温度が前記表面中央部の温度以上となる温度勾配を前記温度勾配監視手段が検出し、かつ、前記パワー半導体素子が動作していることを前記動作状態検出手段が検出したとき、寿命信号を出力する寿命推定手段と、を備えていることを特徴とするパワーモジュールが提供される。
【００１８】
このようなパワーモジュールによれば、温度勾配監視手段による温度監視結果に基づいて寿命推定手段がパワー半導体素子の寿命を推定するのは、動作状態検出手段がパワー半導体素子の動作状態を検出しているときだけに限定することができる。これにより、他のパワー半導体素子が発生した熱の影響を受けて、温度勾配監視手段が監視対象のパワー半導体素子の寿命時に現れる温度勾配と同じ温度勾配を検出したとしても、寿命推定手段は、誤って寿命信号を出力することはない。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成のパワーモジュールは、パワー半導体素子の動作状態を検出する動作状態検出手段を備えたことにより、監視対象のパワー半導体素子が実際に動作しているときの表面温度に基づいて寿命を推定しているので、動作していないパワー半導体素子が隣接するパワー半導体素子から伝達された熱によって寿命時に現れる温度勾配と同じ温度勾配を呈していたとしても、寿命であると誤認識することを防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用したパワーモジュールの原理的な構成を示す図である。
【図２】半田層正常時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図である。
【図３】半田層劣化時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。
【図５】第２の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。
【図６】第３の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。
【図７】第３の実施の形態に係るパワーモジュールの寿命推定動作を説明するフローチャートである。
【図８】交流電動機を駆動する三相インバータの回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、ＩＧＢＴおよび還流ダイオードの組みがパワー半導体素子として同一の絶縁配線基板上に実装されているパワーモジュールに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明を適用したパワーモジュールの原理的な構成を示す図、図２は半田層正常時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図、図３は半田層劣化時におけるパワー半導体素子の温度分布を示す説明図である。
【００２３】
パワーモジュール１は、ＩＧＢＴ２とこれを保護するための還流ダイオード２ａとを有している。ＩＧＢＴ２は、熱伝導性のよい金属ベース板３に固着されたセラミックス製の絶縁配線基板４の上に半田層５によって接合されている。還流ダイオード２ａも同様にして、絶縁配線基板４に接合されている。
【００２４】
ＩＧＢＴ２の表面中央部および表面周辺部の２箇所には、ダイオード６ａ，６ｂが取り付けられている。これらのダイオード６ａ，６ｂは、一定の電流を流したときの順方向電圧が温度の上昇とともに低下するという温度依存特性を利用し、温度検出手段として使用している。ダイオード６ａ，６ｂの出力は、温度勾配監視手段７に接続され、この温度勾配監視手段７において、ＩＧＢＴ２の表面中央部の温度と表面周辺部の温度との温度勾配（温度差）が監視される。ＩＧＢＴ２は、また、その動作状態、すなわち、オン状態かオフ状態かを検出する動作状態検出手段８が接続され、さらに、ＩＧＢＴ２を流れる電流値を検出する素子電流検出手段９が接続されている。そして、温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の出力は、寿命推定手段１０に接続されている。寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の出力を基に、ＩＧＢＴ２を絶縁配線基板４に接合している半田層５が劣化したかどうかを推定し、その結果を寿命信号として出力する。
【００２５】
ここで、ＩＧＢＴ２を絶縁配線基板４に接合している半田層５の劣化とＩＧＢＴ２の表面温度との関係について説明する。まず、ＩＧＢＴ２が搭載される部分を詳細に見ると、図２に示したように、絶縁配線基板４の両面に回路パターン４ａ，４ｂが形成され、ＩＧＢＴ２は、上面側の回路パターン４ａに半田層５によって接合されている。絶縁配線基板４の下面側の回路パターン４ｂも、同様に、半田層５ａによって金属ベース板３が接合されている。
【００２６】
半田層５の劣化がない正常時には、ＩＧＢＴ２がオン状態で自身が発熱し、その熱は、半田層５、回路パターン４ａ、絶縁配線基板４、回路パターン４ｂおよび半田層５ａを介して金属ベース板３側へ放散されている。このとき、ダイオード６ａ，６ｂの位置に対応する温度分布は、表面中央部の温度Ｔ１が高く、表面周辺部の温度Ｔ２が低くなっている。これは、ＩＧＢＴ２から外気への熱の放散量が表面中央部よりも表面周辺部の方が大きいからである。
【００２７】
半田層５は、このパワーモジュール１を搭載した装置の運転・停止の繰り返しによる温度変化（パワーサイクル）に起因して、図３に示すように、半田層５に亀裂１１が生じるようになる。この亀裂１１がＩＧＢＴ２から絶縁配線基板４の方向に至る熱の放散経路上に発生すると、この放熱経路上の熱抵抗が大きくなって熱の放散が阻害されるようになる。この結果、ＩＧＢＴ２の表面の温度分布は、表面中央部の温度Ｔ１に比べて表面周辺部の温度Ｔ２が高くなるといった逆転現象が生じる。
【００２８】
このような亀裂１１の発生が進行すると、絶縁配線基板４への熱の放散がさらに阻害されるため、ＩＧＢＴ２の表面周辺部の温度Ｔ２だけでなく、表面中央部の温度Ｔ１も次第に上昇していき、遂には過熱によるＩＧＢＴ２の素子破壊に至ってしまう。
【００２９】
そこで、本発明では、半田層５に亀裂１１が生じた場合に生じるＩＧＢＴ２の表面中央部と表面周辺部との温度差の逆転現象に着目し、そのような逆転現象がＩＧＢＴ２の動作中にあった場合に、半田層５が劣化したと推定し、寿命信号を出力するようにしている。すなわち、温度勾配監視手段７がダイオード６ａ，６ｂによって検出されたＩＧＢＴ２の表面中央部の温度と表面周辺部の温度とを監視し、寿命推定手段１０がそれらの温度差の逆転現象があった場合に、寿命信号を出力する。この寿命信号は、たとえばこのパワーモジュール１を搭載した装置の制御回路に送られ、制御回路は、パワーモジュール１の交換を促すなどの保護動作を実行する。
【００３０】
ただし、温度差の逆転現象は、隣接するパワー半導体素子の発熱の影響を受けて生じる場合がある。たとえば、ＩＧＢＴ２が動作していなかったり、動作していても小電流での動作であったりして、発熱量がないまたは非常に少ないはずであるにも拘わらず、ＩＧＢＴ２が隣接するパワー半導体素子の発熱する熱を受けて表面周辺部の温度Ｔ２が表面中央部の温度Ｔ１より高くなることがある。そのような場合においても、寿命推定手段１０は、誤って寿命信号を出力することがないようにする必要がある。本発明では、ＩＧＢＴ２の動作状態を検出する動作状態検出手段８およびＩＧＢＴ２の素子電流を検出する素子電流検出手段９の少なくとも一方を備え、寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の検出結果に基づいて寿命を推定している。
【００３１】
寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７からＩＧＢＴ２の表面における温度勾配の監視結果を受けるとともに、動作状態検出手段８からＩＧＢＴ２がオン状態であるかオフ状態であるかの動作状態を受け、素子電流検出手段９からＩＧＢＴ２を流れる電流値が基準値を超えているかどうかの比較結果を受けて、ＩＧＢＴ２の寿命を推定している。これにより、温度勾配監視手段７の監視結果がＩＧＢＴ２の寿命到達を表していたとしても、動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２のオフ状態を検出していれば、寿命推定手段１０は、寿命信号を出力しない。また、温度勾配監視手段７の監視結果がＩＧＢＴ２の寿命到達を表し、動作状態検出手段８がＩＧＢＴ２のオン状態を検出していたとしても、ＩＧＢＴ２を流れる電流値が基準値を超えていないとの比較結果を素子電流検出手段９が出力していれば、寿命推定手段１０は、寿命信号を出力しない。このように、寿命推定手段１０は、温度勾配監視手段７の監視結果を、動作状態検出手段８または素子電流検出手段９の検出結果に基づいて判断することにより、隣接するパワー半導体素子から伝達される熱の影響を受けたとしても、ＩＧＢＴ２が寿命であるとの誤認識を防止することができる。
【００３２】
なお、図１の原理的なパワーモジュールの構成によれば、動作状態検出手段８および素子電流検出手段９の両方を備えているが、必要に応じて、いずれか一方だけでもよい。特に、素子電流検出手段９については、素子電流が基準値より小さいことを検出することによって実質的にＩＧＢＴ２のオフ状態を検出できるので、動作状態検出手段８の機能を兼用させることができる。また、ＩＧＢＴ２が小電流駆動頻度の少ない負荷用の駆動装置に適用される場合には、素子電流検出手段９を省略して、動作状態検出手段８だけにすることもできる。
【００３３】
図４は第１の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。なお、この図４において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３４】
この第１の実施の形態に係るパワーモジュールは、素子電流検出手段９に動作状態検出手段８の機能を兼用させて構成した場合の例を示している。パワー半導体素子としてのＩＧＢＴ２のコレクタおよびエミッタには、パワー半導体素子としての還流ダイオード２ａのカソードおよびアノードが逆並列に接続され、ゲートには、駆動回路１２が接続されている。この駆動回路１２は、図示しない制御回路に接続されている。
【００３５】
ＩＧＢＴ２のチップ表面には、温度検出手段としてのダイオード６ａ，６ｂが配置されている。ダイオード６ａは、チップの表面中央部に配置され、ダイオード６ｂは、チップの表面周辺部に配置されている。これらのダイオード６ａ，６ｂのアノードは、差動増幅器２１の入力に接続されるとともに、直流定電流源２２ａ，２２ｂを介して駆動回路電源２３に接続され、カソードは、ＩＧＢＴ２のエミッタに接続されている。差動増幅器２１の出力は、比較器２４の非反転入力に接続され、その反転入力には、基準電圧源２５が接続されている。基準電圧源２５は、ダイオード６ａ，６ｂによって検出された温度差が半田層５の劣化と推定すべき温度差に対応する電圧値を出力する。比較器２４は、ダイオード６ａ，６ｂによって検出された所定の温度勾配での温度差が所定の温度差を超えていない場合には、論理レベルＬの信号を出力し、所定の温度勾配での温度差が所定の温度差を超えている場合には、論理レベルＨの信号を出力する。したがって、差動増幅器２１および比較器２４は、ダイオード６ａ，６ｂが検出したＩＧＢＴ２のチップの表面中央部の温度が表面周辺部の温度より低いときの温度差が所定の温度差を超えているかどうかを監視するもので、温度勾配監視手段７に対応する。
【００３６】
ＩＧＢＴ２は、センスエミッタを有し、そのセンスエミッタは、電流検出用の抵抗２６を介してエミッタに接続されている。センスエミッタと抵抗２６との接続点は、比較器２７の非反転入力に接続され、その反転入力は、基準電圧源２８に接続されている。ここで、この基準電圧源２８は、ＩＧＢＴ２の状態検出が、そのオン・オフ状態の検出を主としているのか、小電流動作状態の検出を主としているかによって基準電圧の値が決められている。
【００３７】
ＩＧＢＴ２のオン・オフ状態を主として検出する場合、基準電圧源２８の基準電圧は、ゼロに近い電圧値に設定され、小電流動作状態を主として検出する場合には、発熱量が少ないときの電流に相当する電圧値に設定される。したがって、比較器２７は、ＩＧＢＴ２を流れる電流に相当する抵抗２６の端子電圧と基準電圧源２８の基準電圧とを比較して、電流相当電圧が基準電圧より低い場合、論理レベルＬの信号を出力し、電流相当電圧が基準電圧より高い場合、論理レベルＨの信号を出力する。
【００３８】
比較器２４の出力および比較器２７の出力は、論理積ゲート回路２９の入力に接続されている。この論理積ゲート回路２９は、比較器２４の出力および比較器２７の出力が論理レベルＨの信号の場合のみ、寿命信号を出力し、比較器２４の出力および比較器２７のいずれか一方の出力が論理レベルＬの信号の場合は、寿命信号を出力しない。したがって、論理積ゲート回路２９は、所定の温度勾配での温度差が所定の温度差を超えていると比較器２４が判断しても、ＩＧＢＴ２が実質的にオフ状態または小電流動作状態であると比較器２７が判断すれば、寿命信号を出力しない。つまり、論理積ゲート回路２９は、ＩＧＢＴ２がオン状態または大電流動作状態である場合のみ寿命の推定を行う寿命推定手段１０に対応する。
【００３９】
以上の構成のパワーモジュールによれば、ＩＧＢＴ２と絶縁配線基板４との間の半田層５に劣化のない正常状態で動作中においては、ダイオード６ａによって検出されたチップの表面中央部の温度は、ダイオード６ｂによって検出されたチップの表面周辺部の温度よりも常に高い。このため、ダイオード６ａの順方向電圧は、ダイオード６ｂの順方向電圧よりも低くなるので、差動増幅器２１は、ゼロ以下の電圧を出力する。この電圧は、基準電圧源２５の基準電圧よりも低いので、比較器２４は、論理レベルＬの信号を出力する。論理積ゲート回路２９は、比較器２４から論理レベルＬの信号を受けることで、比較器２７からの信号の論理状態に関係なく、寿命信号を出力しない。
【００４０】
半田層５に亀裂１１が生じた状態でＩＧＢＴ２が動作していると、そのチップの表面中央部よりも表面周辺部の温度が高くなってくる。すると、差動増幅器２１は、その温度差に応じた電圧値を出力する。表面中央部の温度と表面周辺部の温度との温度差が大きくなって差動増幅器２１の出力する電圧値が基準電圧源２５の基準電圧よりも高くなると、比較器２４は、論理レベルＨの信号を出力する。このとき、比較器２７がＩＧＢＴ２を流れる電流を監視していて、ＩＧＢＴ２が実質的にオフ状態または小電流動作状態である場合、比較器２７は、論理レベルＬの信号を出力する。このため、論理積ゲート回路２９は、比較器２４の出力が半田層５の劣化を現した信号を出力していても、寿命信号を出力しない。つまり、ＩＧＢＴ２が実質的に動作していないまたは小電流動作の場合に表面中央部よりも表面周辺部の温度が高くなる状態は、ＩＧＢＴ２自身の発熱によるものではなく、隣接するパワー半導体素子の発熱によるものであると論理積ゲート回路２９が推定し、寿命信号を出力しない。
【００４１】
もし、ＩＧＢＴ２を流れる電流を監視している比較器２７が、ＩＧＢＴ２のオン状態または大電流動作状態を検出している場合、比較器２７は、論理レベルＨの信号を出力する。このとき、比較器２４が半田層５の劣化を示唆する論理レベルＨの信号を出力していれば、論理積ゲート回路２９は、論理レベルＨの信号、すなわち、寿命信号を出力することになる。
【００４２】
図５は第２の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図である。なお、この図５において、図４に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４３】
この第２の実施の形態に係るパワーモジュールは、動作状態検出手段８と素子電流検出手段９を別個に備えて構成した場合の例を示している。この実施の形態の温度検出手段としては、共通の直流定電流源２２と、ダイオード６ａ，６ｂと、抵抗３０ａ，３０ｂとを備えている。ダイオード６ａと抵抗３０ａとの接続点は、差動増幅器２１の反転入力に接続され、ダイオード６ｂと抵抗３０ｂとの接続点は、差動増幅器２１の非反転入力に接続されている。
【００４４】
ＩＧＢＴ２のゲートに接続されている駆動回路１２の出力は、比較器３１の非反転入力に接続され、その反転入力は、基準電圧源３２に接続されている。この比較器３１は、ＩＧＢＴ２がオン状態かオフ状態かを判断するもので、動作状態検出手段８に対応する。駆動回路１２は、ＩＧＢＴ２を駆動しているときは、駆動電圧信号を出力している。このため、比較器３１は、その駆動電圧信号が基準電圧源３２の基準電圧より低いと判断したとき、ＩＧＢＴ２がオフ状態であるとして論理積ゲート回路２９に論理レベルＬの信号を出力する。一方、駆動電圧信号が基準電圧源３２の基準電圧より高いとき、比較器３１は、ＩＧＢＴ２がオン状態であると判断して論理積ゲート回路２９に論理レベルＨの信号を出力する。
【００４５】
以上の構成では、比較器２４が半田層５の劣化を示唆する論理レベルＨの信号を出力していないときには、比較器２７，３１の出力信号の論理状態に関係なく、論理積ゲート回路２９は、寿命信号を出力しない。
【００４６】
比較器２４が半田層５の劣化を示唆する論理レベルＨの信号を出力しているとき、比較器２７がＩＧＢＴ２の大電流動作を現す論理レベルＨの信号を出力し、かつ、比較器３１がＩＧＢＴ２のオン状態を現す論理レベルＨの信号を出力している場合のみ、論理積ゲート回路２９は、論理レベルＨの寿命信号を出力する。
【００４７】
図６は第３の実施の形態に係るパワーモジュールの回路図、図７は第３の実施の形態に係るパワーモジュールの寿命推定動作を説明するフローチャートである。なお、この図６において、図５に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
この第３の実施の形態に係るパワーモジュールは、素子電流検出手段９を省略し、動作状態検出手段８でＩＧＢＴ２がオン状態かオフ状態かを判断するよう構成した場合の例を示している。この実施の形態では、ＩＧＢＴ２がオン状態であるかオフ状態であるかは、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧を監視することによって判断している。すなわち、動作状態検出手段８としての比較器２７は、その反転入力をＩＧＢＴ２のコレクタに接続し、非反転入力を基準電圧源２８に接続している。
【００４９】
次に、このパワーモジュールの寿命推定動作の流れについて図７を参照しながら説明する。まず、寿命推定動作をするに当たって、動作状態検出手段８の比較器２７は、ＩＧＢＴ２の主回路端子間電圧であるコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅを監視し、温度勾配監視手段７のダイオード６ａは、ＩＧＢＴ２のチップの表面中央部の温度Ｔ１を監視し、ダイオード６ｂは、ＩＧＢＴ２のチップの表面周辺部の温度Ｔ２を監視している。
【００５０】
寿命推定動作は、比較器２７がＩＧＢＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅと基準電圧源２８の基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較し、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下かどうかを判断する。コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１より高ければ（Ｓ１：Ｎｏ）、ＩＧＢＴ２は駆動回路１２によって駆動されていないオフ状態にあって、このＩＧＢＴ２に関する寿命推定は不要であることから、論理積ゲート回路２９は、比較器２４の判断結果を無視する。
【００５１】
コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であれば（Ｓ１：Ｙｅｓ）、ＩＧＢＴ２は、駆動回路１２によって駆動されてオン状態にあると判断される。この場合、差動増幅器２１によりチップの表面中央部の温度Ｔ１が表面周辺部の温度Ｔ２より高い温度勾配を有しているかどうかが判断される。表面中央部の温度Ｔ１が表面周辺部の温度Ｔ２以上となる温度勾配であるなら（Ｓ２：Ｙｅｓ）、ＩＧＢＴ２は、正常動作していると判断される。表面中央部の温度Ｔ１が表面周辺部の温度Ｔ２よりも低い温度勾配を有している場合（Ｓ２：Ｎｏ）は、その温度差（Ｔ２−Ｔ１）に対応する出力電圧Ｖｏｕｔが比較器２４にて基準電圧源２５の基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較される。出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ２以下なら（Ｓ３：Ｎｏ）、正常動作の範囲内と判断される。出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ２より大きくなると（Ｓ３：Ｙｅｓ）、半田層５が劣化したと推定され、論理積ゲート回路２９は、寿命信号を出力する。寿命信号を受けた制御回路は、たとえばこのパワーモジュールを組み込んだ装置を運転停止したり、パワー半導体素子の寿命到来の注意を喚起したりなどして、何らかのアラームを発することになる。
【００５２】
上記の実施の形態では、ダイオードの温度特性を使用してパワー半導体素子の寿命推定を行っているが、他の温度検出手段によっても同様の目的を達成できることは明らかである。たとえば、ダイオードの代わりにサーミスタを使用し、その抵抗値変化を検出することによってもパワーモジュール各部の温度勾配を検出することができる。また、サーミスタの代わりに熱電対を使用して温度を検出してもよい。
【００５３】
また、温度検出手段が接続される温度勾配監視手段７、動作状態検出手段８、素子電流検出手段９および寿命推定手段１０の機能は、パワーモジュールの内部および外部のいずれに配置してもよい。
【００５４】
さらに、上記の実施の形態では、チップの表面周辺部の温度Ｔ２が表面中央部の温度Ｔ１より高い温度勾配を有し、かつ、その温度差が所定の温度差より大きい場合に半田層５が劣化したと推定しているが、その所定の温度差をゼロにして、チップの表面周辺部の温度Ｔ２が表面中央部の温度Ｔ１に等しくなった時点で半田層５が劣化したと推定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ パワーモジュール
２ ＩＧＢＴ
２ａ 還流ダイオード
３ 金属ベース板
４ 絶縁配線基板
４ａ，４ｂ 回路パターン
５，５ａ 半田層
６ａ，６ｂ ダイオード
７ 温度勾配監視手段
８ 動作状態検出手段
９ 素子電流検出手段
１０ 寿命推定手段
１１ 亀裂
１２ 駆動回路
２１ 差動増幅器
２２，２２ａ，２２ｂ 直流定電流源
２３ 駆動回路電源
２４ 比較器
２５ 基準電圧源
２６ 抵抗
２７ 比較器
２８ 基準電圧源
２９ 論理積ゲート回路
３０ａ，３０ｂ 抵抗
３１ 比較器
３２ 基準電圧源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁配線基板上に複数のパワー半導体素子を実装して構成されるパワーモジュールにおいて、
前記パワー半導体素子の表面中央部および表面周辺部の２箇所の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度を基にして温度勾配を監視する温度勾配監視手段と、
前記パワー半導体素子の動作状態を検出する動作状態検出手段と、
前記表面周辺部の温度が前記表面中央部の温度以上となる温度勾配を前記温度勾配監視手段が検出し、かつ、前記パワー半導体素子が動作していることを前記動作状態検出手段が検出したとき、寿命信号を出力する寿命推定手段と、
を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記温度勾配監視手段は、前記表面周辺部の温度が前記表面中央部の温度より高いときの温度差を検出する比較器を有し、前記温度差が所定の温度差を超えたときに、劣化を現す信号を前記寿命推定手段に出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記動作状態検出手段は、前記パワー半導体素子を流れる電流を検出する回路を有し、前記パワー半導体素子を流れる電流が所定の電流値を超えたときに、前記パワー半導体素子が動作状態にあることを現す信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記動作状態検出手段は、前記パワー半導体素子の駆動信号を検出する回路を有し、前記駆動信号を検出したときに、前記パワー半導体素子が動作状態にあることを現す信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記動作状態検出手段は、前記パワー半導体素子の主回路端子間電圧を検出する回路を有し、前記主回路端子間電圧が小さいことを検出したときに、前記パワー半導体素子が動作状態にあることを現す信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記パワー半導体素子に流れる電流値を検出する素子電流検出手段を備え、
前記素子電流検出手段が前記パワー半導体素子の小電流動作を現す信号を出力しているとき、前記寿命推定手段の出力を無効にするようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項１】
絶縁配線基板上に複数のパワー半導体素子を実装して構成されるパワーモジュールにおいて、
前記パワー半導体素子の表面中央部および表面周辺部の２箇所の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度を基にして温度勾配を監視する温度勾配監視手段と、
前記パワー半導体素子の動作状態を検出する動作状態検出手段と、
前記表面周辺部の温度が前記表面中央部の温度以上となる温度勾配を前記温度勾配監視手段が検出し、かつ、前記パワー半導体素子が動作していることを前記動作状態検出手段が検出したとき、寿命信号を出力する寿命推定手段と、
を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記温度勾配監視手段は、前記表面周辺部の温度が前記表面中央部の温度より高いときの温度差を検出する比較器を有し、前記温度差が所定の温度差を超えたときに、劣化を現す信号を前記寿命推定手段に出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記動作状態検出手段は、前記パワー半導体素子を流れる電流を検出する回路を有し、前記パワー半導体素子を流れる電流が所定の電流値を超えたときに、前記パワー半導体素子が動作状態にあることを現す信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記動作状態検出手段は、前記パワー半導体素子の駆動信号を検出する回路を有し、前記駆動信号を検出したときに、前記パワー半導体素子が動作状態にあることを現す信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記動作状態検出手段は、前記パワー半導体素子の主回路端子間電圧を検出する回路を有し、前記主回路端子間電圧が小さいことを検出したときに、前記パワー半導体素子が動作状態にあることを現す信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記パワー半導体素子に流れる電流値を検出する素子電流検出手段を備え、
前記素子電流検出手段が前記パワー半導体素子の小電流動作を現す信号を出力しているとき、前記寿命推定手段の出力を無効にするようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３５６９（Ｐ２０１１−２３５６９Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６７６３８（Ｐ２００９−１６７６３８）
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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