電力変換装置
【課題】小型で、しかも、金属接合部の劣化を精度良く検知できる電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】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。第１端子は、第１金属製ワイヤの一端及び他端の接続部の特性を検出するためにパワー半導体素子２の他方の主面に形成された電極面の電位に係る情報を伝達し、第２端子は、第１金属製ワイヤの一端及び他端の接続部の特性を検出するために金属板の電位に係る情報を伝達する。
【解決手段】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。第１端子は、第１金属製ワイヤの一端及び他端の接続部の特性を検出するためにパワー半導体素子２の他方の主面に形成された電極面の電位に係る情報を伝達し、第２端子は、第１金属製ワイヤの一端及び他端の接続部の特性を検出するために金属板の電位に係る情報を伝達する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１４９４８号公報
【特許文献２】特開平８−２７５５８６号公報
【特許文献３】特開２００２−１０１６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
記目的を達成するために、本発明は、電力変換に用いられるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部と、を備える電力変換装置であって、前記パワー半導体モジュールは、金属製の配線パターンを有する絶縁板と、一方の主面に形成された電極面が前記配線パターンと対向して、かつ当該電極面が当該配線パターンと電気的に接続されるパワー半導体素子と、外部電極と電気的に接続される金属板と、前記パワー半導体素子の他方の主面に形成された電極面の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第１端子と、前記金属板の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第２端子と、一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記金属板と接合され、さらに当該パワー半導体素子の主電流が流れる第１金属製ワイヤと、一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記第１端子と接合される第２金属製ワイヤと、一端が前記金属板と接合され、かつ他端が前記第２端子と電気的に接続される第３金属製ワイヤと、を備え、前記制御部は、前記第１端子からの電位に関する情報及び前記第２端子からの電位に関する情報とに基づいて、前記第１金属製ワイヤと前記パワー半導体素子との接合部の特性、及び前記第１金属製ワイヤと前記金属板との接合部の特性を検出するための接合部特性検出部を有するものである。
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。
【発明の効果】
【００１０】
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電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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】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】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】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】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】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７】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回路図である。
【図８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ＶＯ、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。
【００２６】
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ＶＯ）／（しきい値ＶＬ−初期の金属接合部電圧値ＶＯ）として、寿命（％）を求めることができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、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の出力によって温度補正し、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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の出力によって温度補正し、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、図６および図７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構成及び動作について説明する。
最初に、図６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６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。
【００３８】
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。
【００３９】
次に、図７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７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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に、図８および図９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８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を用いた電力変換装置のシステム構成図である。
【００４５】
図８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。
【００４６】
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。
【００４７】
図９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。
【００４８】
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。
【００４９】
次に、図１０および図１１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１０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８と同一符号は、同一部分を示している。図１１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。
【００５０】
図１０に示すように、本例では、図８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１１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。
【００５１】
次に、図１２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１２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８と同一符号は、同一部分を示している。
【００５２】
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。
【００５３】
次に、図１３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１３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１２と同一符号は、同一部分を示している。
【００５４】
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１２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。
【００５５】
ここで、図１４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１４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１３と同一符号は、同一部分を示している。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１４９４８号公報
【特許文献２】特開平８−２７５５８６号公報
【特許文献３】特開２００２−１０１６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
記目的を達成するために、本発明は、電力変換に用いられるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部と、を備える電力変換装置であって、前記パワー半導体モジュールは、金属製の配線パターンを有する絶縁板と、一方の主面に形成された電極面が前記配線パターンと対向して、かつ当該電極面が当該配線パターンと電気的に接続されるパワー半導体素子と、外部電極と電気的に接続される金属板と、前記パワー半導体素子の他方の主面に形成された電極面の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第１端子と、前記金属板の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第２端子と、一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記金属板と接合され、さらに当該パワー半導体素子の主電流が流れる第１金属製ワイヤと、一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記第１端子と接合される第２金属製ワイヤと、一端が前記金属板と接合され、かつ他端が前記第２端子と電気的に接続される第３金属製ワイヤと、を備え、前記制御部は、前記第１端子からの電位に関する情報及び前記第２端子からの電位に関する情報とに基づいて、前記第１金属製ワイヤと前記パワー半導体素子との接合部の特性、及び前記第１金属製ワイヤと前記金属板との接合部の特性を検出するための接合部特性検出部を有するものである。
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。
【発明の効果】
【００１０】
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電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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】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】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】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】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】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７】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回路図である。
【図８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ＶＯ、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。
【００２６】
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ＶＯ）／（しきい値ＶＬ−初期の金属接合部電圧値ＶＯ）として、寿命（％）を求めることができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、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の出力によって温度補正し、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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の出力によって温度補正し、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、図６および図７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構成及び動作について説明する。
最初に、図６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６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。
【００３８】
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。
【００３９】
次に、図７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７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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に、図８および図９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８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を用いた電力変換装置のシステム構成図である。
【００４５】
図８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。
【００４６】
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。
【００４７】
図９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。
【００４８】
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。
【００４９】
次に、図１０および図１１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１０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８と同一符号は、同一部分を示している。図１１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。
【００５０】
図１０に示すように、本例では、図８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１１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。
【００５１】
次に、図１２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１２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８と同一符号は、同一部分を示している。
【００５２】
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。
【００５３】
次に、図１３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１３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１２と同一符号は、同一部分を示している。
【００５４】
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１２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。
【００５５】
ここで、図１４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１４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１３と同一符号は、同一部分を示している。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換に用いられるパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部と、を備える電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、
金属製の配線パターンを有する絶縁板と、
一方の主面に形成された電極面が前記配線パターンと対向して、かつ当該電極面が当該配線パターンと電気的に接続されるパワー半導体素子と、
外部電極と電気的に接続される金属板と、
前記パワー半導体素子の他方の主面に形成された電極面の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第１端子と、
前記金属板の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第２端子と、
一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記金属板と接合され、さらに当該パワー半導体素子の主電流が流れる第１金属製ワイヤと、
一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記第１端子と接合される第２金属製ワイヤと、
一端が前記金属板と接合され、かつ他端が前記第２端子と電気的に接続される第３金属製ワイヤと、を備え、
前記制御部は、前記第１端子からの電位に関する情報及び前記第２端子からの電位に関する情報とに基づいて、前記第１金属製ワイヤと前記パワー半導体素子との接合部の特性、及び前記第１金属製ワイヤと前記金属板との接合部の特性を検出するための接合部特性検出部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記金属板を固定するための樹脂製構造体と、を備え、
前記第１金属製ワイヤと前記金属板との接合部の高さは、前記パワー半導体素子の他方の前記電極面の高さと異なるように、前記金属板が前記樹脂製構造体に固定されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載された電力変換装置において、
前記パワー半導体素子のスイッチング動作を制御するための電極と電気的に接続された第３端子と、を備え、
前記第１端子と前記第２端子と前記第３端子は、前記樹脂製構造体の側壁に沿って、一列に並べて配置されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と前記第１金属製ワイヤは、超音波によって接合され、
前記金属板と前記第１金属製ワイヤは超音波によって接合されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれかに記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子の一方の主面に形成された前記電極面と前記配線パターンと電気的に接続するための第１はんだ材と、
前記絶縁板を介して、前記パワー半導体素子が配置された側とは反対側に配置され、かつ前記パワー半導体素子の発生熱を放熱するための放熱金属板と、
前記絶縁板と前記放熱金属板を接合するための第２はんだ材と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれかに記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴであり、
前記パワー半導体素子の一方の主面に形成された前記電極面は、コレクタ電極を形成し、
前記パワー半導体素子の他方の主面に形成された前記電極面は、エミッタ電極を形成する電力変換装置。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれかに記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出部は、前記接合部の特性の検出結果に係る情報を、当該接合部の特性の検出結果を表示するための表示器に伝達することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれかに記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出部は、前記接合部の特性の検出結果に係る情報を、当該接合部の特性の検出結果を警報するための警報器に伝達することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれかに記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出部は、前記接合部の特性の検出結果に係る情報を記憶するための記憶部と有し、
前記記憶部に記憶された前記接合部の特性の検出結果に係る情報は、外部端末から指令に応じて当該外部端末に送信されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
電力変換に用いられるパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部と、を備える電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、
金属製の配線パターンを有する絶縁板と、
一方の主面に形成された電極面が前記配線パターンと対向して、かつ当該電極面が当該配線パターンと電気的に接続されるパワー半導体素子と、
外部電極と電気的に接続される金属板と、
前記パワー半導体素子の他方の主面に形成された電極面の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第１端子と、
前記金属板の電位を検出し、かつ前記制御部と電気的に接続される第２端子と、
一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記金属板と接合され、さらに当該パワー半導体素子の主電流が流れる第１金属製ワイヤと、
一端が前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と接合され、かつ他端が前記第１端子と接合される第２金属製ワイヤと、
一端が前記金属板と接合され、かつ他端が前記第２端子と電気的に接続される第３金属製ワイヤと、を備え、
前記制御部は、前記第１端子からの電位に関する情報及び前記第２端子からの電位に関する情報とに基づいて、前記第１金属製ワイヤと前記パワー半導体素子との接合部の特性、及び前記第１金属製ワイヤと前記金属板との接合部の特性を検出するための接合部特性検出部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記金属板を固定するための樹脂製構造体と、を備え、
前記第１金属製ワイヤと前記金属板との接合部の高さは、前記パワー半導体素子の他方の前記電極面の高さと異なるように、前記金属板が前記樹脂製構造体に固定されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載された電力変換装置において、
前記パワー半導体素子のスイッチング動作を制御するための電極と電気的に接続された第３端子と、を備え、
前記第１端子と前記第２端子と前記第３端子は、前記樹脂製構造体の側壁に沿って、一列に並べて配置されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子の他方の前記電極面と前記第１金属製ワイヤは、超音波によって接合され、
前記金属板と前記第１金属製ワイヤは超音波によって接合されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれかに記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子の一方の主面に形成された前記電極面と前記配線パターンと電気的に接続するための第１はんだ材と、
前記絶縁板を介して、前記パワー半導体素子が配置された側とは反対側に配置され、かつ前記パワー半導体素子の発生熱を放熱するための放熱金属板と、
前記絶縁板と前記放熱金属板を接合するための第２はんだ材と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれかに記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴであり、
前記パワー半導体素子の一方の主面に形成された前記電極面は、コレクタ電極を形成し、
前記パワー半導体素子の他方の主面に形成された前記電極面は、エミッタ電極を形成する電力変換装置。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれかに記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出部は、前記接合部の特性の検出結果に係る情報を、当該接合部の特性の検出結果を表示するための表示器に伝達することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれかに記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出部は、前記接合部の特性の検出結果に係る情報を、当該接合部の特性の検出結果を警報するための警報器に伝達することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれかに記載の電力変換装置において、
前記接合部特性検出部は、前記接合部の特性の検出結果に係る情報を記憶するための記憶部と有し、
前記記憶部に記憶された前記接合部の特性の検出結果に係る情報は、外部端末から指令に応じて当該外部端末に送信されることを特徴とする電力変換装置。
【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】
【公開番号】特開２０１０−８１７９６（Ｐ２０１０−８１７９６Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９４０７５（Ｐ２００９−２９４０７５）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【分割の表示】特願２００５−５０９５９７（Ｐ２００５−５０９５９７）の分割
【原出願日】平成１５年１０月１５日（２００３．１０．１５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【分割の表示】特願２００５−５０９５９７（Ｐ２００５−５０９５９７）の分割
【原出願日】平成１５年１０月１５日（２００３．１０．１５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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