パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体
本発明の目的は、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できる半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体を提供することにある。パワー半導体素子（２）の表面電極と電極用の金属板（３）は、金属ワイヤ（８）により金属接合される。接合部特性検出回路（２０）は、金属接合の接合部の特性を検出し、接合部の劣化による抵抗ＲＴ８の上昇と寿命の関係から決定したしきい値ＶＬを用いて、接合部の劣化を予測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体に関する。
【背景技術】
近年、パワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールで構成された電力変換装置は、モータ等の負荷に効率良く電力を供給することができるため、電車，自動車等の移動体のモータ駆動に幅広く利用されている。特に、最近では、自動車用の燃費向上のためのアイドルストップ後の再始動用のモータの駆動に使われつつある。
パワー半導体素子は、電力変換装置の運転によるスイッチング、定常通電により発熱する。このため、異材間の接合部，例えば、単結晶シリコンからなるパワー半導体素子と、アルミからなるボンディングワイヤとの接合部では、線膨張係数の相違により、熱疲労による歪が生じる。そこで、従来は、長寿命化策として、温度上昇の少ない運転制御方法，パワー半導体モジュールを並列接続し電流密度を低減した構成，温度を低減するために冷却能力を拡大する方法，低熱抵抗の材料選定などにより、パワー半導体素子の温度上昇を抑え、温度マージンを大きくとることで、パワーモジュールの長寿命化、高信頼化を図ってきた。
一方では、突然の破壊で装置停止することによる損害を防ぐため、例えば、特開平７−１４９４８号公報に記載されるように、熱電対等の温度センサをパワー半導体モジュールに内蔵し、各接合部劣化による熱抵抗変化を使用中の温度モニターにより把握するものが知られている。また、特開平８−２７５５８６号公報に記載されるように、寿命をスイッチング動作の開始回数で置き換え、動作の開始回数をカウントすることにより寿命を把握する方法も知られている。さらには、特開２００２−１０１６６８号公報に記載されるように、パワー半導体モジュールに温度検出器をとりつけ、毎運転時の温度上昇から累積被害率を計算し、寿命を算出する方法も知られている。
【発明の開示】
しかしながら、従来の温度上昇の少ない運転制御方法等の長寿命化方法では、パワー半導体モジュールや冷却装置が大型化するという問題があった。
また、特開平７−１４９４８号公報等に記載された寿命予測方法では、温度センサの精度や、予測精度をこれまで以上に向上させる必要がある。パワー半導体モジュールは基本的に低い熱抵抗材料で構成されているため、亀裂による金属接合部の熱抵抗増加を、温度検知するためには１℃以下の精度が必要で、冷却能力の変化、環境温度の変化を考慮すると、実現が厳しい。特に、ワイヤボンディング等の金属接合部の劣化は、パワー半導体素子による発熱に対して劣化部の発熱、放熱が少ないため温度検知が非常に厳しいという問題があった。
本発明の目的は、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できる、半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体を提供する。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段は、前記接合部の劣化による抵抗若しくは電圧の上昇と寿命の関係から決定したしきい値を用いて、前記接合部の劣化を予測するようにしたものである。
（３）上記（１）において、好ましくは、前記金属接合は、金属ワイヤにより接合されるものである。
（４）上記（１）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段によって検出された接合部の特性を記憶する記憶手段を備えるようにしたものである。
（５）上記（１）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段によって前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えたものである。
（６）上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置において、前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（８）上記（７）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段は、検出された特性に基づいて予測された寿命に近づくと、定格運転より低い運転制御に切り替えるようにしたものである。
（９）上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置と、この電力変換装置によって直流から交流に変換された電力を用いて駆動するモータとを有する移動体において、前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（１０）上記（９）において、好ましくは、前記移動体は、前記移動体の停車時に動力を停止し、発進時に動力を起動するアイドリングストップの運転モードにより運転されるものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。
図２は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。
図３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールに用いる接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の特性図である。
図４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第２の回路図である。
図５は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第３の回路図である。
図６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路図である。
図７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成を用いて、素子の温度特性を利用しても接合劣化を検出する場合の原理説明の断面構成図である。
図８は、図７の構成における特性図である。
図９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成における接合部特性検出回路２０Ｂの詳細回路図である。
図１０は、本発明の他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。
図１１は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。
図１２は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。
図１３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムのブロック図である。
図１４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すフローチャートである。
図１５Ａ、図１５Ｂは、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すタイムチャートである。
図１６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。
図１７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置のシステム構成図である。
図１８は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第２の回路図である。
図１９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置による寿命予測の原理説明図である。
図２０は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第３の回路図である。
図２１は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。
図２２は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。
パワー半導体素子２は、ここでは、ＩＧＢＴを例にして説明する。パワー半導体素子２は、上面電圧端子１１と、ゲート端子１２と、下面電圧端子１３とを備えている。パワー半導体素子２のエミッタは、図２を用いて後述するように、複数の金属ワイヤ８および金属板３を介して、アースに接続される。また、パワー半導体素子２のコレクタは、ハンダを介して下面電圧端子１３に接続される。ここで、パワー半導体素子２のエミッタと金属ワイヤ８は、超音波接合されるため、複数の第１の接合部が形成され、また、金属ワイヤ８と金属板３も、超音波接合されるため、複数の第２の接合部が形成される。抵抗Ｒｔ８は、これらの第１および第２の接合部の抵抗を示している。また、抵抗Ｒｔ９は、パワー半導体素子２のコレクタと下面電圧端子１３を接合するハンダによる接合部の抵抗を示している。
接合部特性検出回路２０は、上面電圧端子１１と、新たに設けられた電圧端子１０に接続され、抵抗Ｒｔ８の両端電圧を検出する。接合部特性検出回路２０は、検出された電圧値，若しくは電圧値から求められた抵抗値により、接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。寿命の判定方法については、図３を用いて後述する。判定した結果は、表示器３０に表示され、接合部の寿命が短くなると警報器３２により警報し、また、接合部の特性や寿命を記憶部３４に記憶する。記憶部３４に記憶された情報は、携帯端末４０を接続することにより、外部から読み出すことができる。パワー半導体モジュールを電動車両等に用いる場合は、カーディーラや自動車の修理工場が携帯端末４０を有しており、この携帯端末４０を用いて、接合部の寿命に関するデータを読み出すことができる。
次に、図２を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
パワー半導体モジュール１は、表面に電極を持つパワー半導体素子２と、外部電極用の金属板３と、放熱用の金属板４と、両面が金属メッキ６され電極ともなる絶縁板５と、これらを支える絶縁樹脂の構造材７とを備えている。パワー半導体素子２の下面は、スイッチング時や定常通電時の発熱を放熱するため、放熱用の金属板４に、絶縁板５を介して、ハンダ９で金属接合されている。また、パワー半導体素子２の上面と外部電極用の金属板３は、複数の金属ワイヤ８により超音波接合されている。金属板３は、接地される。図１の回路図から理解されるように、パワー半導体素子２の上面電極（エミッタ）からアースに大電流が流れるため、金属ワイヤ８は複数本用いている。各電圧端子として、パワー半導体素子の上面電圧端子１１，ゲート端子１２，下面電圧端子１３が設けられている。上面電圧端子１１は、パワー半導体素子２のエミッタ電極に接続される。ゲート端子１２は、パワー半導体素子２のゲート電極に接続される。下面電圧端子１３は、パワー半導体素子２のコレクタ電極に接続される。
ここで、パワー半導体素子２のエミッタ電極と金属ワイヤ８との間に、複数の第１の接合部が形成され、金属ワイヤ８と金属板３との間に、複数の第２の接合部が形成され、これらの合成抵抗が、図１に示した抵抗Ｒｔ８である。また、パワー半導体素子２のコレクタ電極と下面電圧端子１３を接合するハンダ９による接合部が形成され、この抵抗が、図１に示した抵抗Ｒｔ９である。
さらに、本実施形態では、第１の接合部の劣化の程度を判定するために、外部電極の電圧端子１０を新たに設けている。パワー半導体素子２は、通電により発熱し、温度が上昇・下降を繰り返す。例えば、パワー半導体素子２は、主に単結晶シリコンからなり、線膨張係数は約４．２×１０−６／℃であるのに対して、金属ワイヤ８は、純アルミまたは数ｐｐｍのニッケル含有のアルミからなり、線膨張係数は約２３×１０−６／℃で、約５倍の違いがある。このため、長い間の使用により、線膨張係数の違いによる歪が生じ、パワー半導体素子２の上面で接合された金属ワイヤ８の接合部には亀裂の発生・進展が生じる。この亀裂・進展により、金属ワイヤ８の接合面積は、長い間の使用により、徐々に小さくなり、この部分は電気抵抗が徐々に大きくなる。そして、図１に示したように、電圧端子１０および上面端子１１を用いて、第１の接合部の両端電圧を測定するようにしている。同様にして、下面の接合部であるハンダ９も電気抵抗が徐々に大きくなる。したがって、ハンダ９の接合部の抵抗によっても、接合部の劣化を判定することができる。
なお、以上の説明では、パワー半導体素子２として、ＩＧＢＴを例にしているが、ＭＯＳＦＥＴを用いた場合についても同様である。
次に、図３を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールに用いる接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の特性について説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールに用いる接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の特性図である。
図３において、横軸は、耐久回数，すなわち、パワー半導体素子のスイッチング回数を示している。縦軸は、接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の電圧を示している。なお、接合部を流れる電流を検出することができるので、接合部の抵抗であってもよいものである。
図３に示すように、耐久回数が増加するに従って、接合部の電圧は次第に増加する。パワー半導体素子の長い間の使用により、線膨張係数の違いによる歪が生じ、パワー半導体素子２の上面で接合された金属ワイヤ８の接合部には亀裂の発生・進展が生じる。この亀裂・進展により、金属ワイヤ８の接合面積は、長い間の使用により、徐々に小さくなり、この部分は電気抵抗が徐々に大きくなる。
この中で、点Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３においては、特性を示す曲線が屈曲し、各点において、電圧値が急激に増加している。これは、図２に示したように複数本ある金属ワイヤ８の複数の接合部の内の、１カ所ないし数カ所が切断され、パワー半導体素子２のエミッタ電極と金属板３とを接続する金属ワイヤ８の本数が減少して、金属ワイヤ８の合成抵抗値が急激に増加したことを示している。
点Ｄ４では、全ての金属ワイヤ８の接合部が切断され、電圧値は無限大に上昇することを示している。したがって、点Ｄ１におけるように、接合部の最初の破壊を検出することにより、半導体パワーモジュールの寿命を知ることができる。点Ｄ１におけるしきい値ＶＬを求めるには、予め、寿命時の金属接合部の抵抗を試験、または、面積計算によりもとめ、設計マージンをとった寿命時の金属接合部の抵抗、または電圧のしきい値を決定する。
図１に示した回路構成では、初期状態においては、金属ワイヤ８と金属板３の抵抗は小さく、初期電圧Ｖ０は、殆ど０Ｖである。一方、しきい値ＶＬは、例えば、１００ｍＶ程度となる。もちろん、このしきい値の値は、回路構成によって異なるものである。
さらに、上述の考え方から、現在の寿命を次のようにして求めることができる。すなわち、現在の寿命＝（現在の金属接合部の電圧Ｖ−初期の金属接合部電圧Ｖ０）／（しきい値ＶＬ−初期の金属接合部電圧値Ｖ０）として、寿命（％）を求めることができる。
接合部特性検出回路２０は、求められた寿命を表示器３０に表示する。また、接合部特性検出回路２０は、検出された接合部の電圧がしきい値ＶＬとなるか、しきい値ＶＬに近接した場合に、警報器３２から警報を出力する。さらに、接合部特性検出回路２０は、検出された接合部の電圧値若しくは求められた接合部の寿命を記憶部３４に記憶する。記憶された内容は、外部端末４０を用いることにより、記憶部３４から読み出すことができる。
次に、図４を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの第２の回路構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第２の回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
接合部特性検出回路２０Ａは、下面電圧端子１３と、新たに設けられた電圧端子１０に接続され、抵抗Ｒｔ８および抵抗Ｒｔ９の両端電圧を検出する。すなわち、接合部特性検出回路２０Ａは、金属ワイヤ８の接合部の抵抗Ｒｔ８とハンダ９の接合部の抵抗Ｒｔ９をモニターする。
ただし、この場合、パワー半導体素子２の電圧も含むことになる。そして、パワー半導体素子２は、温度により電圧が変化する。そこで、パワー半導体素子２の温度を検出する温度センサ５２と、温度センサ５２によって検出されたパワー半導体素子２の温度に基づいて、パワー半導体素子２の温度特性を補正する温度補正回路５０を備える。接合部特性検出回路２０Ａは、温度補正回路５０の出力によって接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、図１に示したように、表示器３０，警報器３２，記憶部３４に出力する。
なお、パワー半導体素子モジュールの使用開始直後のように、通電による発熱がまだ殆どなく、外気温と同じ状態であれば、毎回ほぼ同じ温度の状態で測定することができるので、金属接合部の抵抗による電圧の測定が可能となる。したがって、通電直後のようなほぼ同じ温度の状態で測定すれば、温度センサ５２や、温度補正回路５０は不要となる。
次に、図５を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの第３の回路構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第３の回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
接合部特性検出回路２０Ａは、下面電圧端子１３と、上面電圧端子１１に接続され、抵抗Ｒｔ９の両端電圧を検出する。すなわち、接合部特性検出回路２０Ａは、ハンダ９の接合部の抵抗Ｒｔ９をモニターする。
ただし、この場合、パワー半導体素子２の電圧も含むことになるので、温度センサ５２と温度補正回路５０とにより温度補正する。接合部特性検出回路２０Ａは、温度補正回路５０の出力によって接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、図１に示したように、表示器３０，警報器３２，記憶部３４に出力する。
次に、図６〜図９を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成を用いて、素子の温度特性を利用しても接合劣化を検出する方法について説明する。
図６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路図である。図７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成を用いて、素子の温度特性を利用しても接合劣化を検出する場合の原理説明の断面構成図である。図８は、図７の構成における特性図である。図９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成における接合部特性検出回路２０Ｂの詳細回路図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
図６に示すパワー半導体素子２Ａとしては、パワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いている。パワーＭＯＳ−ＦＥＴは、図８を用いて図示するように、温度上昇すると電気抵抗（若しくは通電電圧）が増加する特性を有している。図６の回路構成は、基本的には、図５に示したものと同様である。なお、接合部特性検出回路２０Ｂの構成については、図９を用いて後述する。
パワーＭＯＳＦＥＴの温度特性は、温度上昇すると電気抵抗が増加する特性を有しているため、ハンダ接合部の劣化時のハンダ９の電気抵抗Ｒｔ９が、パワーＭＯＳＦＥＴの電気抵抗Ｒｔ２に比べて極めて小さくても、電圧の変化が生じ、ハンダ劣化が検出可能になる。接合部特性検出回路２０Ｂによって検出される検出電圧は、ハンダ９の接合部の抵抗Ｒｔ９とパワー半導体素子２の抵抗Ｒｔ２で発生する電圧の和となるが、Ｒｔ９＜＜ Ｒｔ２ではほぼパワー半導体素子の抵抗Ｒｔ２で発生する電圧となる。
ここで、図７を用いて、ハンダ９の劣化について説明する。図７（Ａ）は劣化前の状態を示し、図７（Ｂ）は劣化後の状態を示している。図７（Ｂ）に示すように、ハンダ９（９Ａ，９Ｂ）の劣化ＤＴＲは、パワー半導体素子２の下面側のハンダ９Ｂの端部から進むため、端部で熱抵抗が大きくなる。パワー半導体素子２の下面側には、冷却手段である放熱用金属板４が配置されており、パワー半導体素子２の発熱は放熱用金属板４から放熱されるため、パワー半導体素子２の面内で端部と中央部で放熱の差が生じる。従って、パワー半導体素子が温度上昇すると抵抗が増加する特性を有するときは、温度が高い端部で抵抗が大きく電流が少なくなる。つまり、素子面内で温度差が無くなる方向に、温度が均一化する方向に電流分担が生じる。すなわち、図７（Ａ）に示すハンダ劣化前の電流ベクトルＩＶの分布に対して、図７（Ｂ）に示すように、劣化後の電流ベクトルＩＶの分布は偏った分布に変化する。
ここで、抵抗Ｒｔ２は、素子面積Ｓに対してＲｔ２∝１／Ｓの逆比例関係にあり、面積Ｓが小さくなると抵抗Ｒｔ２が大きくなる。このようにパワー半導体素子２を電流が偏って流れる場合、パワー半導体素子２の通電面積が減少した形になり、パワー半導体素子２の特性劣化がなくても、パワー半導体素子２の抵抗Ｒｔ２が増大する。つまり、本実施形態の電圧検出では、ハンダの電気抵抗の増加ではなく、熱抵抗の増加を抵抗Ｒｔ２の増加により検出し、ハンダ接合劣化が検出可能となる。
ここで、図８を用いて、ハンダ劣化試験時のハンダ劣化検出結果を示す。図８において、横軸はパワー半導体素子の温度を示し、縦軸は検出された抵抗値を示している。実線Ａは、劣化前のパワー半導体素子の抵抗特性を示している。実線Ｂは、６個の試験数について、劣化状態のパワー半導体素子の抵抗特性を示している。実線Ｂは、実線Ａに比べ、抵抗値が上昇していることがわかる。
以上のようにして、パワー半導体素子に温度特性（温度上昇すると電気抵抗が増加する特性）があり、かつ、パワー半導体素子の発熱を冷却手段により放熱する構成であれば、接合部で発生する電圧を検出できるように電圧端子を配置しなくても、パワー半導体素子の両端電圧を検出することにより、接合部の劣化を検出することができる。
次に、図９を用いて、接合部特性検出回路２０Ｂ及び温度補正回路５０の構成について説明する。接合部特性検出回路２０Ｂは、電圧検出回路２２と、抵抗計算回路２４と、劣化計算回路２６と、温度特性リセット回路２８とを備えている。
電圧検出回路２２は、保護ダイオードＤ１と、Ａ／ＤコンバータＡＤ１とを備えている。保護ダイオードＤ１は、過電圧から検出装置を保護するために備えられている。検出すべき電圧Ｖ１，Ｖ２（接合部９とパワー半導体素子Ａとで発生する電圧）は、Ａ／ＤコンバータＡＤ１によってディジタル信号に変換される。
抵抗計算回路２４は、端子Ｖ１，Ｖ２間の電圧Ｖ３と、外部から入力された電流値Ｉから、現在の抵抗Ｒｎを算出する。電流値Ｉは、モータ制御回路に用いている電流信号を流用してもよいし、新たに電流センサを取り付けて計測した電流値を用いてもよいものである。
温度補正回路５０は、抵抗計算回路２４によって算出された抵抗値Ｒｎに対して、温度センサ５２によって検出された素子温度Ｔｊに基づいて、パワー半導体素子が温度Ｔｊの時の初期抵抗Ｒ０，予測寿命抵抗ＲＬを出力する。ＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体素子は、初期Ｒ０特性ＣＲ０に示すように、温度上昇すると電気抵抗が増加する特性を有している。
また、接合部の劣化が進むと、図８に示すように、初期特性に対して、全体として抵抗値が増加する。例えば、図７（Ｂ）に示した構成において、劣化ＤＴＲがハンダ９による接続面積の５０％になったときが劣化の限界（寿命）とすると、このとき、寿命時の抵抗値ＲＬは、初期値Ｒ０の２倍となる。また、例えば、劣化ＤＴＲがハンダ９による接続面積の３３％になったときが劣化の限界（寿命）とすると、このとき、寿命時の抵抗値ＲＬは、初期値Ｒ０の１．５倍となる。このようにして、予め、どの程度の劣化が進んだ時を寿命とするかによって、予測寿命ＲＬ特性ＣＲＬを予め求めることができる。そこで、温度補正回路５０は、初期Ｒ０特性ＣＲ０とともに、予測寿命ＲＬ特性ＣＲＬを有している。
そして、温度補正回路５０は、抵抗計算回路２４によって算出された抵抗値Ｒｎに対して、初期Ｒ０特性ＣＲ０と、温度センサ５２によって検出された素子温度Ｔｊから、パワー半導体素子が温度Ｔｊの時の初期抵抗Ｒ０を求め、また、抵抗計算回路２４によって算出された抵抗値Ｒｎに対して、予測寿命ＲＬ特性ＣＲＬと、温度センサ５２によって検出された素子温度Ｔｊから、パワー半導体素子が温度Ｔｊの時の予測寿命抵抗ＲＬを出力する。
劣化計算回路２６は、抵抗計算回路２４が算出した現在の端子間抵抗Ｒｎと、温度補正回路５０が出力する初期抵抗Ｒ０と、予測寿命抵抗ＲＬとを用い、接続劣化割合Ｃｒ＝（Ｒｎ−Ｒ０）／（ＲＬ−Ｒ０）を計算し、出力する。接続劣化割合Ｃｒは、寿命に対する現在の劣化の程度を示している。
なお、温度特性リセット回路２８は、次のような場合に用いられる。すなわち、温度補正回路５０に記憶されている初期抵抗Ｒ０，予測寿命抵抗ＲＬの温度特性は、パワー半導体素子２のバラツキ，モジュール組み立て時のハンダ９の接合バラツキを考慮し、パワー半導体モジュールの出荷前に初期値を補正することが好ましいものである。そこで、出荷前に、温度特性リセット回路２９に対してリセット信号Ｒｅｓｔを入力することで、温度特性を補正することができる。
ここで、図１０を用いて、本発明の他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成について説明する。
図１０は、本発明の他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
図２に示した構成では、パワー半導体素子２の上面と外部電極用の金属板３は、複数の金属ワイヤ８により超音波接合されている。それに対して、本例では、パワー半導体素子２の上面と外部電極用の金属薄板３は、銅等の電気伝導性の良い板状のリード導体８Ａにより、接続されている。パワー半導体素子２の上面と板状のリード導体８Ａとの間、及び外部電極用の金属板３と板状のリード導体８Ａとの間は、それぞれ、ハンダ９により接続されている。
この場合、上面電圧端子１１，下面電圧端子１３は、金属薄板８Ａとパワー半導体素子２の接続部で発生する電圧を検出することはできないものである。しかし、図６〜図９を用いて上述のように、電気抵抗ではなく、パワー半導体から冷却部までのトータル熱抵抗の増加として検出できるため、パワー半導体素子の上面ハンダ，下面ハンダのトータルの劣化が検出できる。もちろん、金属薄板８Ａとパワー半導体素子２の接続部を含むように電圧端子を配置を配置してもよいものである。
なお、パワー半導体素子モジュールの使用開始直後（例えば、電動車両やハイブリット車両用インバータとしてパワー半導体素子モジュールを場合であって、走行後の再始動時ではなく、最初の始動時）のように、通電による発熱がまだ殆どなく、外気温と同じ状態であれば、毎回ほぼ同じ温度の状態で測定することができるので、金属接合部の抵抗による電圧の測定が可能となる。したがって、通電直後のようなほぼ同じ温度の状態で測定すれば、温度センサ５２や、温度補正回路５０は不要となる。
また、接合部劣化検出回路２０Ａでは、劣化計算回路２６を用いて接合劣化割合の結果を出力したが、予めしきい値となる抵抗値と比較してエラー信号を出力する比較回路に置き換えてもよいものである。
さらに、予め電流値が定まるタイミング、もしくは、定電流機構を搭載し、常に同じ電流値で接合部電圧を取り込めるようにすると、電流値は必要なく、電圧値のまま処理することもできる。
また、予めパワー半導体素子の温度が定まるタイミングにより、常に同じ温度で取りこむことにより、温度補正回路５０を無くすことも可能である。この場合、定めたパワー半導体素子の初期抵抗Ｒ０、予測寿命抵抗ＲＬの２値を記憶する回路のみとなる。
さらに、インバータ始動直後、もしくは停止直前に検出し、接合劣化検出を実施することにより、突然の破壊による損失を防ぎ、高信頼パワー半導体モジュールシステムを構築することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、外部端子を設けて、接合部の電圧を測定するだけでよいため、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
次に、図１１および図１２を用いて、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの構成及び動作について説明する。
最初に、図１１を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成について説明する。
図１１は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図２に示した実施形態と異なる点は、外部電極側の電圧端子１０Ａをパワー半導体素子の電極１１，１２，１３と同様の形状で設けたところである。電圧端子１０Ａは、金属ワイヤ８Ｂによって外部電極３と接続されている。
次に、図１２を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路構成について説明する。
図１２は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図１に示した実施形態と異なる点は、接合部特性検出回路２０は、上面電圧端子１１と、電圧端子１０Ａに接続され、抵抗Ｒｔ８の両端電圧を検出することである。接合部特性検出回路２０は、検出された電圧値，若しくは電圧値から求められた抵抗値により、接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、図１と同様に、表示器３０，警報器３２，記憶部３４に出力される。
本実施形態では、図２に示した例に対して、図２の外部電極３が発生する電圧の影響、図２の電圧端子１０の接触抵抗による影響が除外され、ワイヤ接合部の抵抗による電圧を精度良く測定可能となる。
アイドルストップ等の極短時間に大電流を通電する運転モードで、放熱用の金属板４があまり温度上昇せず、ハンダ９の接合部よりも金属ワイヤ８の接合部の劣化進行が早い場合は、本例が有効である。
以上説明したように、本実施形態によれば、外部端子を設けて、接合部の電圧を測定するだけでよいため、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
次に、図１３〜図１５を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの構成及び動作について説明する。
図１３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムのブロック図である。図１４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すフローチャートである。図１５は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すタイムチャートである。なお、図６，図９と同一符号は、同一部分を示している。
図１３において、コントロールユニット（ＣＵ）６０は、パワー半導体素子２Ａのゲート端子に、オンオフの制御信号Ｖ１２を出力する。この制御信号Ｖ１２によって、パワー半導体素子２Ａは、オンオフのスイッチング動作を行う。接合部特性検出回路２０Ｃは、パワー半導体素子２Ａがオンしているタイミングでないと接合部の特性を検出できないため、電圧検出回路２２Ａのスイッチ回路ＳＷ１は、ＣＵ６０からの制御信号ＶＳＷＧによってオンとなり、パワー半導体素子２Ａがオンしているタイミングで、電圧Ｖ１，Ｖ２を検出し、Ａ／ＤコンバータＡ１によりディジタルの差電圧Ｖ３を出力する。
次に、図１４及び図１５を用いて、ＣＵ６０の動作について説明する。
ステップｓ１０において、ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを判定する。ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａに対してオンオフするための制御信号Ｖ１２を出力しているので、この制御信号Ｖ１２の状態からパワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを判定することができる。
パワー半導体素子２Ａがオン状態と判定されると、ＣＵ６０は、所定時間ｔｄ１の遅れ時間を設定し、この遅れ時間ｔｄ１が経過すると、ステップｓ３０に進む。
そして、ステップｓ３０において、ＣＵ６０は、電圧Ｖ１，Ｖ２を取り込むべく、制御信号ＶＳＷＧをオンにして、スイッチ回路ＳＷ１を閉じる。これによって、電圧信号の取り込みを開始できる。
図１５において、図１５（Ａ）は制御信号Ｖ１２のオン・オフ状態を示し、図１５（Ｂ）は制御信号ＶＳＷＧのオン・オフ状態を示している。制御信号Ｖ１２がオンになった直後は高周波の振動電圧が生じるため、制御信号Ｖ１２がオンになった直後に電圧信号を検出すると、誤差が生じることになる。そこで、制御信号Ｖ１２のオンに対して、制御信号ＶＳＷＧのオンタイミングに、時間遅れｔｄ１を持たせている。時間遅れｔｄ１は、例えば、１〜２μｓ程度である。
次に、図１４のステップ４０において、ステップｓ３０の電圧取り込みが終了した時点で、ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを再度判定する。すなわち、図１５（Ｂ）に示す例で、時刻ｔ３にステップｓ３０の電圧取り込みが終了したとすると、このタイミングで、もし、制御信号Ｖ１２がオフになっていると誤差が生じる恐れがある。そこで、ステップ４０において、ステップｓ３０の電圧取り込みが終了した時点で、ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを再度判定し、その時点でパワー半導体素子２Ａがオン状態であれば正常な取り込みができたものとして処理を終了するが、パワー半導体素子２Ａがオフ状態の場合には、ステップｓ１０に戻り、再度の取り込みを行うようにしている。取り込みに要する時間（時刻ｔ２〜ｔ３）は、例えば、１０〜２０μｓ程度である。
なお、予め電流値が定まるタイミング、もしくは、定電流機構を搭載し、常に同じ電流値で接合部電圧を取り込めるようにすると、電流値は必要なく、電圧値のまま処理することもできる。
また、予めパワー半導体素子の温度が定まるタイミングにより、常に同じ温度で取りこむことにより、温度補正回路５０を無くすことも可能である。この場合、定めたパワー半導体素子の初期抵抗Ｒ０、予測寿命抵抗ＲＬの２値を記憶する回路のみとなる。
さらに、インバータ始動直後、もしくは停止直前に検出し、接合劣化検出を実施することにより、突然の破壊による損失を防ぎ、高信頼パワー半導体モジュールシステムを構築することができる。
次に、図１６および図１７を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の構成及び動作について説明する。
図１６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。図１７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置のシステム構成図である。
図１６に示すように、電力変換装置１６は、３相交流モータ１７を制御する場合、６個のパワー半導体素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを備えており、バッテリ１９の直流電流を３相交流電流に変換して、モータ１７に供給する。例えば、パワー半導体素子２ａ，２ｂは、Ｕ相交流電流を生成し、パワー半導体素子２ｃ，２ｄは、Ｖ相交流電流を生成し、パワー半導体素子２ｅ，２ｆは、Ｗ相交流電流を生成する。パワー半導体素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆは、モータコントロールユニット（ＭＣＵ）６０によりゲート電圧を制御され、スイッチング動作する。なお、コンデンサ１８は、フィルタコンデンサとして用いられている。
上側パワー半導体素子２ａ，２ｃ，２ｅは高電圧に接続され、下側パワー半導体素子２ｂ，２ｄ，２ｆはグランドに接続されている。この場合、電圧測定しやすい、グランド側に接続されているパワー半導体モジュール２ｂ，２ｄ，２ｆのうち、さらにモジュール内で最も温度が高くなるパワー半導体素子の金属接合部の電圧を取り出すことにより、高電圧を考慮しなくても簡単に電圧を取り出すことができる。具体的には、下側パワー半導体素子２ｂ，２ｆは両端部に配置されるために比較的放熱状態がよいの対して、中央の下側パワー半導体素子２ｄは放熱状態が悪く、高温になりやすい。そこで、接合部特性検出回路２０は、中央の下側パワー半導体素子２ｄの金属ワイヤ接合部の両端電圧を、図１に示した構成により、検出する。
図１７に示すように、モータコントロールユニット６０は、運転者の加速の程度のような意図を検出するセンサ６２の出力に応じて、電力変換装置１６を構成するパワー半導体素子をスイッチング駆動する。これによって、バッテリ１９からモータ１７に供給されるモータ駆動電流が制御される。ここで、センサ６２としては、例えば、アクセル開度センサが用いられる。
接合部特性検出回路２０は、図１に示したようにして、接合部電圧Ｖとして、金属ワイヤの接合部の抵抗Ｒｔ８の両端電圧を検出する。なお、モータ駆動電流Ｉをモニタすることにより、接合部特性検出回路２０は、接合部の抵抗値により劣化の具合を判定するようにすることもできる。接合部特性検出回路２０は、検出された電圧値，若しくは電圧値から求められた抵抗値により、接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、表示器３０に表示され、接合部の寿命が短くなると警報器３２により警報し、また、接合部の特性や寿命を記憶部３４に記憶する。記憶部３４に記憶された情報は、携帯端末を接続することにより、外部から読み出すことができる。
次に、図１８および図１９を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第２の構成及び動作について説明する。
図１８は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第２の回路図である。なお、図１６と同一符号は、同一部分を示している。図１９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置による寿命予測の原理説明図である。
図１８に示すように、本例では、図１６に示した構成に加えて、寿命予測回路２２を備えている。寿命予測回路２２は、図１９に示すように、これまでの寿命推移から、直線近似で将来の寿命を予測する。この予測結果を表示器３０に表示する。表示内容は、例えば、「本装置の寿命は、ｘ年ｙ月ｚ日です」というようにする。これにより、使用者は、時間で寿命を把握することが出来る。
次に、図２０を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第３の構成及び動作について説明する。
図２０は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第３の回路図である。なお、図１６と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態では、接合部特性検出回路２０Ｂは、判定された半導体パワーモジュールの寿命が所定に寿命になると、モータコントロールユニット６０に対して、パワーセーブ信号ＰＳを出力する。モータコントロールユニット６０は、パワーセーブ信号が入力すると、モータ１７に供給する電流を減少させ、モータの出力トルクを小さくして、パワーセーブ運転とする。モータ電流が小さくなることにより、接合部に流れる電流も小さくなるため、接合部の寿命を長くすることができる。パワーセーブ信号を出力するときの寿命は、例えば、９５％とする。また、パワーセーブ信号を出力したときは、表示器３０に、「現在寿命ｘｘ％。パワーセーブ運転中」というような表示をする。これにより寿命に近づくと、運転が制限され、モータの停止による損害を防ぐことができる。
次に、図２１を用いて、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体の構成について説明する。
図２１は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。なお、図２０と同一符号は、同一部分を示している。
移動体７０は、モータ１７のみによって駆動される電気自動車や、モータとエンジンによって駆動されるハイブリット自動車等の電動車両である。モータ１７は、図２０に示した電力変換システムによって駆動される。接合部特性検出回路２０Ｂがパワーセーブ信号を出力したときは、表示器３０に、「現在寿命ｘｘ％。パワーセーブ運転中。点検してください」というような表示をする。これにより、電力変換装置の交換時期の把握ができるため、コストを低減が可能で、移動体に搭載することができる。特に、自動車用の燃費向上のためのアイドルストップ用のモータ駆動のような、通電モードの電力変換装置として有効である。
ここで、図２２を用いて、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体の構成について説明する。
図２２は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。なお、図２１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態は、モータ１７に加えて、エンジン８０を備えているハイブリット自動車に適用した場合を示している。例えば、モータ１７によって前輪を駆動し、エンジン８０によって後輪を駆動する。なお、モータ１７によって後輪を駆動し、エンジン８０によって前輪を駆動するものでもよく、モータ１７及びエンジン８０によって前輪若しくは後輪を駆動するものであってもよいものである。
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７０は、クランク角センサ９２によって検出されたエンジン回転数や、空気流量センサ９３によって検出された吸入空気量等に応じて、エンジン８０に対する燃料噴射量や点火時期を制御する。ＥＣＵ７０は、例えば、ブレーキペダルセンサ９４によってブレーキが踏まれていることを検出し、しかも、車速センサ９５によって車速が０ｋｍ／ｈであり停止状態にあることを検出するなどの所定の条件を満たされると、エンジン８０を停止して、アイドルストップする。その後、ブレーキペダルセンサ９４によってブレーキの踏込みが中止され、アクセルペダルセンサ９６によってアクセルペダルが踏み込まれたことを検出するなどの所定の条件を満たされると、ＭＣＵ６０にモータ駆動の指令を送る。ＭＣＵ６０によってモータ１７が駆動されると、移動体が移動を始める。ＥＣＵ７０は、車速センサ９５によって検出される車速が０ｋｍ／ｈより早くなり、移動体が移動し始めたことを検出すると、燃料噴射制御や点火時期制御を開始して、エンジン８０を再始動する。以上のようにして、アイドルストップ時には、モータ１７により移動体を移動開始するとともに、その後はエンジン７０を再始動する。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、金属接合部の劣化を、その抵抗上昇や電圧上昇により検知することで、パワー半導体モジュール，それを用いた電力変換装置，電気自動車等の移動体において、保守費用のコストダウンや、小型化，軽量化による燃費等のユーザメリットの拡大、予期せぬ破壊による損害の低減を実現できる。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できる半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体を得ることができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【技術分野】
本発明は、半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体に関する。
【背景技術】
近年、パワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールで構成された電力変換装置は、モータ等の負荷に効率良く電力を供給することができるため、電車，自動車等の移動体のモータ駆動に幅広く利用されている。特に、最近では、自動車用の燃費向上のためのアイドルストップ後の再始動用のモータの駆動に使われつつある。
パワー半導体素子は、電力変換装置の運転によるスイッチング、定常通電により発熱する。このため、異材間の接合部，例えば、単結晶シリコンからなるパワー半導体素子と、アルミからなるボンディングワイヤとの接合部では、線膨張係数の相違により、熱疲労による歪が生じる。そこで、従来は、長寿命化策として、温度上昇の少ない運転制御方法，パワー半導体モジュールを並列接続し電流密度を低減した構成，温度を低減するために冷却能力を拡大する方法，低熱抵抗の材料選定などにより、パワー半導体素子の温度上昇を抑え、温度マージンを大きくとることで、パワーモジュールの長寿命化、高信頼化を図ってきた。
一方では、突然の破壊で装置停止することによる損害を防ぐため、例えば、特開平７−１４９４８号公報に記載されるように、熱電対等の温度センサをパワー半導体モジュールに内蔵し、各接合部劣化による熱抵抗変化を使用中の温度モニターにより把握するものが知られている。また、特開平８−２７５５８６号公報に記載されるように、寿命をスイッチング動作の開始回数で置き換え、動作の開始回数をカウントすることにより寿命を把握する方法も知られている。さらには、特開２００２−１０１６６８号公報に記載されるように、パワー半導体モジュールに温度検出器をとりつけ、毎運転時の温度上昇から累積被害率を計算し、寿命を算出する方法も知られている。
【発明の開示】
しかしながら、従来の温度上昇の少ない運転制御方法等の長寿命化方法では、パワー半導体モジュールや冷却装置が大型化するという問題があった。
また、特開平７−１４９４８号公報等に記載された寿命予測方法では、温度センサの精度や、予測精度をこれまで以上に向上させる必要がある。パワー半導体モジュールは基本的に低い熱抵抗材料で構成されているため、亀裂による金属接合部の熱抵抗増加を、温度検知するためには１℃以下の精度が必要で、冷却能力の変化、環境温度の変化を考慮すると、実現が厳しい。特に、ワイヤボンディング等の金属接合部の劣化は、パワー半導体素子による発熱に対して劣化部の発熱、放熱が少ないため温度検知が非常に厳しいという問題があった。
本発明の目的は、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できる、半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体を提供する。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段は、前記接合部の劣化による抵抗若しくは電圧の上昇と寿命の関係から決定したしきい値を用いて、前記接合部の劣化を予測するようにしたものである。
（３）上記（１）において、好ましくは、前記金属接合は、金属ワイヤにより接合されるものである。
（４）上記（１）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段によって検出された接合部の特性を記憶する記憶手段を備えるようにしたものである。
（５）上記（１）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段によって前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えたものである。
（６）上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置において、前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（８）上記（７）において、好ましくは、前記接合部特性検出手段は、検出された特性に基づいて予測された寿命に近づくと、定格運転より低い運転制御に切り替えるようにしたものである。
（９）上記目的を達成するために、本発明は、表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置と、この電力変換装置によって直流から交流に変換された電力を用いて駆動するモータとを有する移動体において、前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
（１０）上記（９）において、好ましくは、前記移動体は、前記移動体の停車時に動力を停止し、発進時に動力を起動するアイドリングストップの運転モードにより運転されるものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。
図２は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。
図３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールに用いる接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の特性図である。
図４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第２の回路図である。
図５は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第３の回路図である。
図６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路図である。
図７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成を用いて、素子の温度特性を利用しても接合劣化を検出する場合の原理説明の断面構成図である。
図８は、図７の構成における特性図である。
図９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成における接合部特性検出回路２０Ｂの詳細回路図である。
図１０は、本発明の他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。
図１１は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。
図１２は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。
図１３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムのブロック図である。
図１４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すフローチャートである。
図１５Ａ、図１５Ｂは、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すタイムチャートである。
図１６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。
図１７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置のシステム構成図である。
図１８は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第２の回路図である。
図１９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置による寿命予測の原理説明図である。
図２０は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第３の回路図である。
図２１は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。
図２２は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。
パワー半導体素子２は、ここでは、ＩＧＢＴを例にして説明する。パワー半導体素子２は、上面電圧端子１１と、ゲート端子１２と、下面電圧端子１３とを備えている。パワー半導体素子２のエミッタは、図２を用いて後述するように、複数の金属ワイヤ８および金属板３を介して、アースに接続される。また、パワー半導体素子２のコレクタは、ハンダを介して下面電圧端子１３に接続される。ここで、パワー半導体素子２のエミッタと金属ワイヤ８は、超音波接合されるため、複数の第１の接合部が形成され、また、金属ワイヤ８と金属板３も、超音波接合されるため、複数の第２の接合部が形成される。抵抗Ｒｔ８は、これらの第１および第２の接合部の抵抗を示している。また、抵抗Ｒｔ９は、パワー半導体素子２のコレクタと下面電圧端子１３を接合するハンダによる接合部の抵抗を示している。
接合部特性検出回路２０は、上面電圧端子１１と、新たに設けられた電圧端子１０に接続され、抵抗Ｒｔ８の両端電圧を検出する。接合部特性検出回路２０は、検出された電圧値，若しくは電圧値から求められた抵抗値により、接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。寿命の判定方法については、図３を用いて後述する。判定した結果は、表示器３０に表示され、接合部の寿命が短くなると警報器３２により警報し、また、接合部の特性や寿命を記憶部３４に記憶する。記憶部３４に記憶された情報は、携帯端末４０を接続することにより、外部から読み出すことができる。パワー半導体モジュールを電動車両等に用いる場合は、カーディーラや自動車の修理工場が携帯端末４０を有しており、この携帯端末４０を用いて、接合部の寿命に関するデータを読み出すことができる。
次に、図２を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
パワー半導体モジュール１は、表面に電極を持つパワー半導体素子２と、外部電極用の金属板３と、放熱用の金属板４と、両面が金属メッキ６され電極ともなる絶縁板５と、これらを支える絶縁樹脂の構造材７とを備えている。パワー半導体素子２の下面は、スイッチング時や定常通電時の発熱を放熱するため、放熱用の金属板４に、絶縁板５を介して、ハンダ９で金属接合されている。また、パワー半導体素子２の上面と外部電極用の金属板３は、複数の金属ワイヤ８により超音波接合されている。金属板３は、接地される。図１の回路図から理解されるように、パワー半導体素子２の上面電極（エミッタ）からアースに大電流が流れるため、金属ワイヤ８は複数本用いている。各電圧端子として、パワー半導体素子の上面電圧端子１１，ゲート端子１２，下面電圧端子１３が設けられている。上面電圧端子１１は、パワー半導体素子２のエミッタ電極に接続される。ゲート端子１２は、パワー半導体素子２のゲート電極に接続される。下面電圧端子１３は、パワー半導体素子２のコレクタ電極に接続される。
ここで、パワー半導体素子２のエミッタ電極と金属ワイヤ８との間に、複数の第１の接合部が形成され、金属ワイヤ８と金属板３との間に、複数の第２の接合部が形成され、これらの合成抵抗が、図１に示した抵抗Ｒｔ８である。また、パワー半導体素子２のコレクタ電極と下面電圧端子１３を接合するハンダ９による接合部が形成され、この抵抗が、図１に示した抵抗Ｒｔ９である。
さらに、本実施形態では、第１の接合部の劣化の程度を判定するために、外部電極の電圧端子１０を新たに設けている。パワー半導体素子２は、通電により発熱し、温度が上昇・下降を繰り返す。例えば、パワー半導体素子２は、主に単結晶シリコンからなり、線膨張係数は約４．２×１０−６／℃であるのに対して、金属ワイヤ８は、純アルミまたは数ｐｐｍのニッケル含有のアルミからなり、線膨張係数は約２３×１０−６／℃で、約５倍の違いがある。このため、長い間の使用により、線膨張係数の違いによる歪が生じ、パワー半導体素子２の上面で接合された金属ワイヤ８の接合部には亀裂の発生・進展が生じる。この亀裂・進展により、金属ワイヤ８の接合面積は、長い間の使用により、徐々に小さくなり、この部分は電気抵抗が徐々に大きくなる。そして、図１に示したように、電圧端子１０および上面端子１１を用いて、第１の接合部の両端電圧を測定するようにしている。同様にして、下面の接合部であるハンダ９も電気抵抗が徐々に大きくなる。したがって、ハンダ９の接合部の抵抗によっても、接合部の劣化を判定することができる。
なお、以上の説明では、パワー半導体素子２として、ＩＧＢＴを例にしているが、ＭＯＳＦＥＴを用いた場合についても同様である。
次に、図３を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールに用いる接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の特性について説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールに用いる接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の特性図である。
図３において、横軸は、耐久回数，すなわち、パワー半導体素子のスイッチング回数を示している。縦軸は、接合部特性検出回路２０によって検出される接合部の電圧を示している。なお、接合部を流れる電流を検出することができるので、接合部の抵抗であってもよいものである。
図３に示すように、耐久回数が増加するに従って、接合部の電圧は次第に増加する。パワー半導体素子の長い間の使用により、線膨張係数の違いによる歪が生じ、パワー半導体素子２の上面で接合された金属ワイヤ８の接合部には亀裂の発生・進展が生じる。この亀裂・進展により、金属ワイヤ８の接合面積は、長い間の使用により、徐々に小さくなり、この部分は電気抵抗が徐々に大きくなる。
この中で、点Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３においては、特性を示す曲線が屈曲し、各点において、電圧値が急激に増加している。これは、図２に示したように複数本ある金属ワイヤ８の複数の接合部の内の、１カ所ないし数カ所が切断され、パワー半導体素子２のエミッタ電極と金属板３とを接続する金属ワイヤ８の本数が減少して、金属ワイヤ８の合成抵抗値が急激に増加したことを示している。
点Ｄ４では、全ての金属ワイヤ８の接合部が切断され、電圧値は無限大に上昇することを示している。したがって、点Ｄ１におけるように、接合部の最初の破壊を検出することにより、半導体パワーモジュールの寿命を知ることができる。点Ｄ１におけるしきい値ＶＬを求めるには、予め、寿命時の金属接合部の抵抗を試験、または、面積計算によりもとめ、設計マージンをとった寿命時の金属接合部の抵抗、または電圧のしきい値を決定する。
図１に示した回路構成では、初期状態においては、金属ワイヤ８と金属板３の抵抗は小さく、初期電圧Ｖ０は、殆ど０Ｖである。一方、しきい値ＶＬは、例えば、１００ｍＶ程度となる。もちろん、このしきい値の値は、回路構成によって異なるものである。
さらに、上述の考え方から、現在の寿命を次のようにして求めることができる。すなわち、現在の寿命＝（現在の金属接合部の電圧Ｖ−初期の金属接合部電圧Ｖ０）／（しきい値ＶＬ−初期の金属接合部電圧値Ｖ０）として、寿命（％）を求めることができる。
接合部特性検出回路２０は、求められた寿命を表示器３０に表示する。また、接合部特性検出回路２０は、検出された接合部の電圧がしきい値ＶＬとなるか、しきい値ＶＬに近接した場合に、警報器３２から警報を出力する。さらに、接合部特性検出回路２０は、検出された接合部の電圧値若しくは求められた接合部の寿命を記憶部３４に記憶する。記憶された内容は、外部端末４０を用いることにより、記憶部３４から読み出すことができる。
次に、図４を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの第２の回路構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第２の回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
接合部特性検出回路２０Ａは、下面電圧端子１３と、新たに設けられた電圧端子１０に接続され、抵抗Ｒｔ８および抵抗Ｒｔ９の両端電圧を検出する。すなわち、接合部特性検出回路２０Ａは、金属ワイヤ８の接合部の抵抗Ｒｔ８とハンダ９の接合部の抵抗Ｒｔ９をモニターする。
ただし、この場合、パワー半導体素子２の電圧も含むことになる。そして、パワー半導体素子２は、温度により電圧が変化する。そこで、パワー半導体素子２の温度を検出する温度センサ５２と、温度センサ５２によって検出されたパワー半導体素子２の温度に基づいて、パワー半導体素子２の温度特性を補正する温度補正回路５０を備える。接合部特性検出回路２０Ａは、温度補正回路５０の出力によって接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、図１に示したように、表示器３０，警報器３２，記憶部３４に出力する。
なお、パワー半導体素子モジュールの使用開始直後のように、通電による発熱がまだ殆どなく、外気温と同じ状態であれば、毎回ほぼ同じ温度の状態で測定することができるので、金属接合部の抵抗による電圧の測定が可能となる。したがって、通電直後のようなほぼ同じ温度の状態で測定すれば、温度センサ５２や、温度補正回路５０は不要となる。
次に、図５を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの第３の回路構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第３の回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
接合部特性検出回路２０Ａは、下面電圧端子１３と、上面電圧端子１１に接続され、抵抗Ｒｔ９の両端電圧を検出する。すなわち、接合部特性検出回路２０Ａは、ハンダ９の接合部の抵抗Ｒｔ９をモニターする。
ただし、この場合、パワー半導体素子２の電圧も含むことになるので、温度センサ５２と温度補正回路５０とにより温度補正する。接合部特性検出回路２０Ａは、温度補正回路５０の出力によって接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、図１に示したように、表示器３０，警報器３２，記憶部３４に出力する。
次に、図６〜図９を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成を用いて、素子の温度特性を利用しても接合劣化を検出する方法について説明する。
図６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路図である。図７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成を用いて、素子の温度特性を利用しても接合劣化を検出する場合の原理説明の断面構成図である。図８は、図７の構成における特性図である。図９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの第４の回路構成における接合部特性検出回路２０Ｂの詳細回路図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
図６に示すパワー半導体素子２Ａとしては、パワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いている。パワーＭＯＳ−ＦＥＴは、図８を用いて図示するように、温度上昇すると電気抵抗（若しくは通電電圧）が増加する特性を有している。図６の回路構成は、基本的には、図５に示したものと同様である。なお、接合部特性検出回路２０Ｂの構成については、図９を用いて後述する。
パワーＭＯＳＦＥＴの温度特性は、温度上昇すると電気抵抗が増加する特性を有しているため、ハンダ接合部の劣化時のハンダ９の電気抵抗Ｒｔ９が、パワーＭＯＳＦＥＴの電気抵抗Ｒｔ２に比べて極めて小さくても、電圧の変化が生じ、ハンダ劣化が検出可能になる。接合部特性検出回路２０Ｂによって検出される検出電圧は、ハンダ９の接合部の抵抗Ｒｔ９とパワー半導体素子２の抵抗Ｒｔ２で発生する電圧の和となるが、Ｒｔ９＜＜ Ｒｔ２ではほぼパワー半導体素子の抵抗Ｒｔ２で発生する電圧となる。
ここで、図７を用いて、ハンダ９の劣化について説明する。図７（Ａ）は劣化前の状態を示し、図７（Ｂ）は劣化後の状態を示している。図７（Ｂ）に示すように、ハンダ９（９Ａ，９Ｂ）の劣化ＤＴＲは、パワー半導体素子２の下面側のハンダ９Ｂの端部から進むため、端部で熱抵抗が大きくなる。パワー半導体素子２の下面側には、冷却手段である放熱用金属板４が配置されており、パワー半導体素子２の発熱は放熱用金属板４から放熱されるため、パワー半導体素子２の面内で端部と中央部で放熱の差が生じる。従って、パワー半導体素子が温度上昇すると抵抗が増加する特性を有するときは、温度が高い端部で抵抗が大きく電流が少なくなる。つまり、素子面内で温度差が無くなる方向に、温度が均一化する方向に電流分担が生じる。すなわち、図７（Ａ）に示すハンダ劣化前の電流ベクトルＩＶの分布に対して、図７（Ｂ）に示すように、劣化後の電流ベクトルＩＶの分布は偏った分布に変化する。
ここで、抵抗Ｒｔ２は、素子面積Ｓに対してＲｔ２∝１／Ｓの逆比例関係にあり、面積Ｓが小さくなると抵抗Ｒｔ２が大きくなる。このようにパワー半導体素子２を電流が偏って流れる場合、パワー半導体素子２の通電面積が減少した形になり、パワー半導体素子２の特性劣化がなくても、パワー半導体素子２の抵抗Ｒｔ２が増大する。つまり、本実施形態の電圧検出では、ハンダの電気抵抗の増加ではなく、熱抵抗の増加を抵抗Ｒｔ２の増加により検出し、ハンダ接合劣化が検出可能となる。
ここで、図８を用いて、ハンダ劣化試験時のハンダ劣化検出結果を示す。図８において、横軸はパワー半導体素子の温度を示し、縦軸は検出された抵抗値を示している。実線Ａは、劣化前のパワー半導体素子の抵抗特性を示している。実線Ｂは、６個の試験数について、劣化状態のパワー半導体素子の抵抗特性を示している。実線Ｂは、実線Ａに比べ、抵抗値が上昇していることがわかる。
以上のようにして、パワー半導体素子に温度特性（温度上昇すると電気抵抗が増加する特性）があり、かつ、パワー半導体素子の発熱を冷却手段により放熱する構成であれば、接合部で発生する電圧を検出できるように電圧端子を配置しなくても、パワー半導体素子の両端電圧を検出することにより、接合部の劣化を検出することができる。
次に、図９を用いて、接合部特性検出回路２０Ｂ及び温度補正回路５０の構成について説明する。接合部特性検出回路２０Ｂは、電圧検出回路２２と、抵抗計算回路２４と、劣化計算回路２６と、温度特性リセット回路２８とを備えている。
電圧検出回路２２は、保護ダイオードＤ１と、Ａ／ＤコンバータＡＤ１とを備えている。保護ダイオードＤ１は、過電圧から検出装置を保護するために備えられている。検出すべき電圧Ｖ１，Ｖ２（接合部９とパワー半導体素子Ａとで発生する電圧）は、Ａ／ＤコンバータＡＤ１によってディジタル信号に変換される。
抵抗計算回路２４は、端子Ｖ１，Ｖ２間の電圧Ｖ３と、外部から入力された電流値Ｉから、現在の抵抗Ｒｎを算出する。電流値Ｉは、モータ制御回路に用いている電流信号を流用してもよいし、新たに電流センサを取り付けて計測した電流値を用いてもよいものである。
温度補正回路５０は、抵抗計算回路２４によって算出された抵抗値Ｒｎに対して、温度センサ５２によって検出された素子温度Ｔｊに基づいて、パワー半導体素子が温度Ｔｊの時の初期抵抗Ｒ０，予測寿命抵抗ＲＬを出力する。ＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体素子は、初期Ｒ０特性ＣＲ０に示すように、温度上昇すると電気抵抗が増加する特性を有している。
また、接合部の劣化が進むと、図８に示すように、初期特性に対して、全体として抵抗値が増加する。例えば、図７（Ｂ）に示した構成において、劣化ＤＴＲがハンダ９による接続面積の５０％になったときが劣化の限界（寿命）とすると、このとき、寿命時の抵抗値ＲＬは、初期値Ｒ０の２倍となる。また、例えば、劣化ＤＴＲがハンダ９による接続面積の３３％になったときが劣化の限界（寿命）とすると、このとき、寿命時の抵抗値ＲＬは、初期値Ｒ０の１．５倍となる。このようにして、予め、どの程度の劣化が進んだ時を寿命とするかによって、予測寿命ＲＬ特性ＣＲＬを予め求めることができる。そこで、温度補正回路５０は、初期Ｒ０特性ＣＲ０とともに、予測寿命ＲＬ特性ＣＲＬを有している。
そして、温度補正回路５０は、抵抗計算回路２４によって算出された抵抗値Ｒｎに対して、初期Ｒ０特性ＣＲ０と、温度センサ５２によって検出された素子温度Ｔｊから、パワー半導体素子が温度Ｔｊの時の初期抵抗Ｒ０を求め、また、抵抗計算回路２４によって算出された抵抗値Ｒｎに対して、予測寿命ＲＬ特性ＣＲＬと、温度センサ５２によって検出された素子温度Ｔｊから、パワー半導体素子が温度Ｔｊの時の予測寿命抵抗ＲＬを出力する。
劣化計算回路２６は、抵抗計算回路２４が算出した現在の端子間抵抗Ｒｎと、温度補正回路５０が出力する初期抵抗Ｒ０と、予測寿命抵抗ＲＬとを用い、接続劣化割合Ｃｒ＝（Ｒｎ−Ｒ０）／（ＲＬ−Ｒ０）を計算し、出力する。接続劣化割合Ｃｒは、寿命に対する現在の劣化の程度を示している。
なお、温度特性リセット回路２８は、次のような場合に用いられる。すなわち、温度補正回路５０に記憶されている初期抵抗Ｒ０，予測寿命抵抗ＲＬの温度特性は、パワー半導体素子２のバラツキ，モジュール組み立て時のハンダ９の接合バラツキを考慮し、パワー半導体モジュールの出荷前に初期値を補正することが好ましいものである。そこで、出荷前に、温度特性リセット回路２９に対してリセット信号Ｒｅｓｔを入力することで、温度特性を補正することができる。
ここで、図１０を用いて、本発明の他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成について説明する。
図１０は、本発明の他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
図２に示した構成では、パワー半導体素子２の上面と外部電極用の金属板３は、複数の金属ワイヤ８により超音波接合されている。それに対して、本例では、パワー半導体素子２の上面と外部電極用の金属薄板３は、銅等の電気伝導性の良い板状のリード導体８Ａにより、接続されている。パワー半導体素子２の上面と板状のリード導体８Ａとの間、及び外部電極用の金属板３と板状のリード導体８Ａとの間は、それぞれ、ハンダ９により接続されている。
この場合、上面電圧端子１１，下面電圧端子１３は、金属薄板８Ａとパワー半導体素子２の接続部で発生する電圧を検出することはできないものである。しかし、図６〜図９を用いて上述のように、電気抵抗ではなく、パワー半導体から冷却部までのトータル熱抵抗の増加として検出できるため、パワー半導体素子の上面ハンダ，下面ハンダのトータルの劣化が検出できる。もちろん、金属薄板８Ａとパワー半導体素子２の接続部を含むように電圧端子を配置を配置してもよいものである。
なお、パワー半導体素子モジュールの使用開始直後（例えば、電動車両やハイブリット車両用インバータとしてパワー半導体素子モジュールを場合であって、走行後の再始動時ではなく、最初の始動時）のように、通電による発熱がまだ殆どなく、外気温と同じ状態であれば、毎回ほぼ同じ温度の状態で測定することができるので、金属接合部の抵抗による電圧の測定が可能となる。したがって、通電直後のようなほぼ同じ温度の状態で測定すれば、温度センサ５２や、温度補正回路５０は不要となる。
また、接合部劣化検出回路２０Ａでは、劣化計算回路２６を用いて接合劣化割合の結果を出力したが、予めしきい値となる抵抗値と比較してエラー信号を出力する比較回路に置き換えてもよいものである。
さらに、予め電流値が定まるタイミング、もしくは、定電流機構を搭載し、常に同じ電流値で接合部電圧を取り込めるようにすると、電流値は必要なく、電圧値のまま処理することもできる。
また、予めパワー半導体素子の温度が定まるタイミングにより、常に同じ温度で取りこむことにより、温度補正回路５０を無くすことも可能である。この場合、定めたパワー半導体素子の初期抵抗Ｒ０、予測寿命抵抗ＲＬの２値を記憶する回路のみとなる。
さらに、インバータ始動直後、もしくは停止直前に検出し、接合劣化検出を実施することにより、突然の破壊による損失を防ぎ、高信頼パワー半導体モジュールシステムを構築することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、外部端子を設けて、接合部の電圧を測定するだけでよいため、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
次に、図１１および図１２を用いて、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの構成及び動作について説明する。
最初に、図１１を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成について説明する。
図１１は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの外観構成を示す断面斜視図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図２に示した実施形態と異なる点は、外部電極側の電圧端子１０Ａをパワー半導体素子の電極１１，１２，１３と同様の形状で設けたところである。電圧端子１０Ａは、金属ワイヤ８Ｂによって外部電極３と接続されている。
次に、図１２を用いて、本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路構成について説明する。
図１２は、本発明のその他の実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図１に示した実施形態と異なる点は、接合部特性検出回路２０は、上面電圧端子１１と、電圧端子１０Ａに接続され、抵抗Ｒｔ８の両端電圧を検出することである。接合部特性検出回路２０は、検出された電圧値，若しくは電圧値から求められた抵抗値により、接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、図１と同様に、表示器３０，警報器３２，記憶部３４に出力される。
本実施形態では、図２に示した例に対して、図２の外部電極３が発生する電圧の影響、図２の電圧端子１０の接触抵抗による影響が除外され、ワイヤ接合部の抵抗による電圧を精度良く測定可能となる。
アイドルストップ等の極短時間に大電流を通電する運転モードで、放熱用の金属板４があまり温度上昇せず、ハンダ９の接合部よりも金属ワイヤ８の接合部の劣化進行が早い場合は、本例が有効である。
以上説明したように、本実施形態によれば、外部端子を設けて、接合部の電圧を測定するだけでよいため、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できるものとなる。
次に、図１３〜図１５を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの構成及び動作について説明する。
図１３は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムのブロック図である。図１４は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すフローチャートである。図１５は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールの制御システムの動作を示すタイムチャートである。なお、図６，図９と同一符号は、同一部分を示している。
図１３において、コントロールユニット（ＣＵ）６０は、パワー半導体素子２Ａのゲート端子に、オンオフの制御信号Ｖ１２を出力する。この制御信号Ｖ１２によって、パワー半導体素子２Ａは、オンオフのスイッチング動作を行う。接合部特性検出回路２０Ｃは、パワー半導体素子２Ａがオンしているタイミングでないと接合部の特性を検出できないため、電圧検出回路２２Ａのスイッチ回路ＳＷ１は、ＣＵ６０からの制御信号ＶＳＷＧによってオンとなり、パワー半導体素子２Ａがオンしているタイミングで、電圧Ｖ１，Ｖ２を検出し、Ａ／ＤコンバータＡ１によりディジタルの差電圧Ｖ３を出力する。
次に、図１４及び図１５を用いて、ＣＵ６０の動作について説明する。
ステップｓ１０において、ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを判定する。ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａに対してオンオフするための制御信号Ｖ１２を出力しているので、この制御信号Ｖ１２の状態からパワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを判定することができる。
パワー半導体素子２Ａがオン状態と判定されると、ＣＵ６０は、所定時間ｔｄ１の遅れ時間を設定し、この遅れ時間ｔｄ１が経過すると、ステップｓ３０に進む。
そして、ステップｓ３０において、ＣＵ６０は、電圧Ｖ１，Ｖ２を取り込むべく、制御信号ＶＳＷＧをオンにして、スイッチ回路ＳＷ１を閉じる。これによって、電圧信号の取り込みを開始できる。
図１５において、図１５（Ａ）は制御信号Ｖ１２のオン・オフ状態を示し、図１５（Ｂ）は制御信号ＶＳＷＧのオン・オフ状態を示している。制御信号Ｖ１２がオンになった直後は高周波の振動電圧が生じるため、制御信号Ｖ１２がオンになった直後に電圧信号を検出すると、誤差が生じることになる。そこで、制御信号Ｖ１２のオンに対して、制御信号ＶＳＷＧのオンタイミングに、時間遅れｔｄ１を持たせている。時間遅れｔｄ１は、例えば、１〜２μｓ程度である。
次に、図１４のステップ４０において、ステップｓ３０の電圧取り込みが終了した時点で、ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを再度判定する。すなわち、図１５（Ｂ）に示す例で、時刻ｔ３にステップｓ３０の電圧取り込みが終了したとすると、このタイミングで、もし、制御信号Ｖ１２がオフになっていると誤差が生じる恐れがある。そこで、ステップ４０において、ステップｓ３０の電圧取り込みが終了した時点で、ＣＵ６０は、パワー半導体素子２Ａがオン状態かオフ状態かを再度判定し、その時点でパワー半導体素子２Ａがオン状態であれば正常な取り込みができたものとして処理を終了するが、パワー半導体素子２Ａがオフ状態の場合には、ステップｓ１０に戻り、再度の取り込みを行うようにしている。取り込みに要する時間（時刻ｔ２〜ｔ３）は、例えば、１０〜２０μｓ程度である。
なお、予め電流値が定まるタイミング、もしくは、定電流機構を搭載し、常に同じ電流値で接合部電圧を取り込めるようにすると、電流値は必要なく、電圧値のまま処理することもできる。
また、予めパワー半導体素子の温度が定まるタイミングにより、常に同じ温度で取りこむことにより、温度補正回路５０を無くすことも可能である。この場合、定めたパワー半導体素子の初期抵抗Ｒ０、予測寿命抵抗ＲＬの２値を記憶する回路のみとなる。
さらに、インバータ始動直後、もしくは停止直前に検出し、接合劣化検出を実施することにより、突然の破壊による損失を防ぎ、高信頼パワー半導体モジュールシステムを構築することができる。
次に、図１６および図１７を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の構成及び動作について説明する。
図１６は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。図１７は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置のシステム構成図である。
図１６に示すように、電力変換装置１６は、３相交流モータ１７を制御する場合、６個のパワー半導体素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを備えており、バッテリ１９の直流電流を３相交流電流に変換して、モータ１７に供給する。例えば、パワー半導体素子２ａ，２ｂは、Ｕ相交流電流を生成し、パワー半導体素子２ｃ，２ｄは、Ｖ相交流電流を生成し、パワー半導体素子２ｅ，２ｆは、Ｗ相交流電流を生成する。パワー半導体素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆは、モータコントロールユニット（ＭＣＵ）６０によりゲート電圧を制御され、スイッチング動作する。なお、コンデンサ１８は、フィルタコンデンサとして用いられている。
上側パワー半導体素子２ａ，２ｃ，２ｅは高電圧に接続され、下側パワー半導体素子２ｂ，２ｄ，２ｆはグランドに接続されている。この場合、電圧測定しやすい、グランド側に接続されているパワー半導体モジュール２ｂ，２ｄ，２ｆのうち、さらにモジュール内で最も温度が高くなるパワー半導体素子の金属接合部の電圧を取り出すことにより、高電圧を考慮しなくても簡単に電圧を取り出すことができる。具体的には、下側パワー半導体素子２ｂ，２ｆは両端部に配置されるために比較的放熱状態がよいの対して、中央の下側パワー半導体素子２ｄは放熱状態が悪く、高温になりやすい。そこで、接合部特性検出回路２０は、中央の下側パワー半導体素子２ｄの金属ワイヤ接合部の両端電圧を、図１に示した構成により、検出する。
図１７に示すように、モータコントロールユニット６０は、運転者の加速の程度のような意図を検出するセンサ６２の出力に応じて、電力変換装置１６を構成するパワー半導体素子をスイッチング駆動する。これによって、バッテリ１９からモータ１７に供給されるモータ駆動電流が制御される。ここで、センサ６２としては、例えば、アクセル開度センサが用いられる。
接合部特性検出回路２０は、図１に示したようにして、接合部電圧Ｖとして、金属ワイヤの接合部の抵抗Ｒｔ８の両端電圧を検出する。なお、モータ駆動電流Ｉをモニタすることにより、接合部特性検出回路２０は、接合部の抵抗値により劣化の具合を判定するようにすることもできる。接合部特性検出回路２０は、検出された電圧値，若しくは電圧値から求められた抵抗値により、接合部の特性を検出し、接合部の寿命等を判定する。判定した結果は、表示器３０に表示され、接合部の寿命が短くなると警報器３２により警報し、また、接合部の特性や寿命を記憶部３４に記憶する。記憶部３４に記憶された情報は、携帯端末を接続することにより、外部から読み出すことができる。
次に、図１８および図１９を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第２の構成及び動作について説明する。
図１８は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第２の回路図である。なお、図１６と同一符号は、同一部分を示している。図１９は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置による寿命予測の原理説明図である。
図１８に示すように、本例では、図１６に示した構成に加えて、寿命予測回路２２を備えている。寿命予測回路２２は、図１９に示すように、これまでの寿命推移から、直線近似で将来の寿命を予測する。この予測結果を表示器３０に表示する。表示内容は、例えば、「本装置の寿命は、ｘ年ｙ月ｚ日です」というようにする。これにより、使用者は、時間で寿命を把握することが出来る。
次に、図２０を用いて、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第３の構成及び動作について説明する。
図２０は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の第３の回路図である。なお、図１６と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態では、接合部特性検出回路２０Ｂは、判定された半導体パワーモジュールの寿命が所定に寿命になると、モータコントロールユニット６０に対して、パワーセーブ信号ＰＳを出力する。モータコントロールユニット６０は、パワーセーブ信号が入力すると、モータ１７に供給する電流を減少させ、モータの出力トルクを小さくして、パワーセーブ運転とする。モータ電流が小さくなることにより、接合部に流れる電流も小さくなるため、接合部の寿命を長くすることができる。パワーセーブ信号を出力するときの寿命は、例えば、９５％とする。また、パワーセーブ信号を出力したときは、表示器３０に、「現在寿命ｘｘ％。パワーセーブ運転中」というような表示をする。これにより寿命に近づくと、運転が制限され、モータの停止による損害を防ぐことができる。
次に、図２１を用いて、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体の構成について説明する。
図２１は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。なお、図２０と同一符号は、同一部分を示している。
移動体７０は、モータ１７のみによって駆動される電気自動車や、モータとエンジンによって駆動されるハイブリット自動車等の電動車両である。モータ１７は、図２０に示した電力変換システムによって駆動される。接合部特性検出回路２０Ｂがパワーセーブ信号を出力したときは、表示器３０に、「現在寿命ｘｘ％。パワーセーブ運転中。点検してください」というような表示をする。これにより、電力変換装置の交換時期の把握ができるため、コストを低減が可能で、移動体に搭載することができる。特に、自動車用の燃費向上のためのアイドルストップ用のモータ駆動のような、通電モードの電力変換装置として有効である。
ここで、図２２を用いて、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体の構成について説明する。
図２２は、本発明の一実施形態による電力変換装置を用いた移動体のブロック図である。なお、図２１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態は、モータ１７に加えて、エンジン８０を備えているハイブリット自動車に適用した場合を示している。例えば、モータ１７によって前輪を駆動し、エンジン８０によって後輪を駆動する。なお、モータ１７によって後輪を駆動し、エンジン８０によって前輪を駆動するものでもよく、モータ１７及びエンジン８０によって前輪若しくは後輪を駆動するものであってもよいものである。
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７０は、クランク角センサ９２によって検出されたエンジン回転数や、空気流量センサ９３によって検出された吸入空気量等に応じて、エンジン８０に対する燃料噴射量や点火時期を制御する。ＥＣＵ７０は、例えば、ブレーキペダルセンサ９４によってブレーキが踏まれていることを検出し、しかも、車速センサ９５によって車速が０ｋｍ／ｈであり停止状態にあることを検出するなどの所定の条件を満たされると、エンジン８０を停止して、アイドルストップする。その後、ブレーキペダルセンサ９４によってブレーキの踏込みが中止され、アクセルペダルセンサ９６によってアクセルペダルが踏み込まれたことを検出するなどの所定の条件を満たされると、ＭＣＵ６０にモータ駆動の指令を送る。ＭＣＵ６０によってモータ１７が駆動されると、移動体が移動を始める。ＥＣＵ７０は、車速センサ９５によって検出される車速が０ｋｍ／ｈより早くなり、移動体が移動し始めたことを検出すると、燃料噴射制御や点火時期制御を開始して、エンジン８０を再始動する。以上のようにして、アイドルストップ時には、モータ１７により移動体を移動開始するとともに、その後はエンジン７０を再始動する。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、金属接合部の劣化を、その抵抗上昇や電圧上昇により検知することで、パワー半導体モジュール，それを用いた電力変換装置，電気自動車等の移動体において、保守費用のコストダウンや、小型化，軽量化による燃費等のユーザメリットの拡大、予期せぬ破壊による損害の低減を実現できる。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できる半導体素子を用いたパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置並びに移動体を得ることができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記接合部特性検出手段は、前記接合部の劣化による抵抗若しくは電圧の上昇と寿命の関係から決定したしきい値を用いて、前記接合部の劣化を予測することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属接合は、金属ワイヤにより接合されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記接合部特性検出手段によって検出された接合部の特性を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記接合部特性検出手段によって前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項６記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、温度が上昇すると、電気抵抗若しくは通電電圧が増加する特性を有する素子であり、
前記電極用金属板は、前記パワー半導体素子からの発熱を放熱する冷却却手段としての機能を有することを特徴とする高信頼パワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７記載のパワー半導体モジュールにおいて、さらに、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備え、
この接合部特性検出手段は、前記パワー半導体素子の電圧端子間の電気抵抗もしくは電圧を、温度補正した接合劣化前の初期電気抵抗もしくは初期電圧と、予め決定した接合部寿命時の電気抵抗もしくは電圧とを比較し、接合劣化割合を算出することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置において、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出手段は、検出された特性に基づいて予測された寿命に近づくと、定格運転より低い運転制御に切り替えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置と、この電力変換装置によって直流から交流に変換された電力を用いて駆動するモータとを有する移動体において、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えたことを特徴とする移動体。
【請求項１２】
請求項１１記載の移動体において、
前記移動体は、前記移動体の停車時に動力を停止し、発進時に動力を起動するアイドリングストップの運転モードにより運転されることを特徴とする移動体。
【請求項１】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記接合部特性検出手段は、前記接合部の劣化による抵抗若しくは電圧の上昇と寿命の関係から決定したしきい値を用いて、前記接合部の劣化を予測することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属接合は、金属ワイヤにより接合されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記接合部特性検出手段によって検出された接合部の特性を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記接合部特性検出手段によって前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールにおいて、
前記金属接合の接合部の特性を検出する電圧端子を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項６記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、温度が上昇すると、電気抵抗若しくは通電電圧が増加する特性を有する素子であり、
前記電極用金属板は、前記パワー半導体素子からの発熱を放熱する冷却却手段としての機能を有することを特徴とする高信頼パワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７記載のパワー半導体モジュールにおいて、さらに、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備え、
この接合部特性検出手段は、前記パワー半導体素子の電圧端子間の電気抵抗もしくは電圧を、温度補正した接合劣化前の初期電気抵抗もしくは初期電圧と、予め決定した接合部寿命時の電気抵抗もしくは電圧とを比較し、接合劣化割合を算出することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置において、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出手段は、検出された特性に基づいて予測された寿命に近づくと、定格運転より低い運転制御に切り替えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
表面に電極をもつパワー半導体素子の表面と電極用の金属板を金属接合した構造を有するパワー半導体モジュールを複数個有し、直流ー交流変換をする電力変換装置と、この電力変換装置によって直流から交流に変換された電力を用いて駆動するモータとを有する移動体において、
前記金属接合の接合部の特性を検出する接合部特性検出手段を備えたことを特徴とする移動体。
【請求項１２】
請求項１１記載の移動体において、
前記移動体は、前記移動体の停車時に動力を停止し、発進時に動力を起動するアイドリングストップの運転モードにより運転されることを特徴とする移動体。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３８９１９
【国際公開日】平成１７年４月２８日（２００５．４．２８）
【発行日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１４７１５（Ｐ２００５−５１４７１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１２７０２
【国際出願日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年４月２８日（２００５．４．２８）
【発行日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１２７０２
【国際出願日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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