電力用半導体モジュール
【課題】 電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた残り寿命信号を生成することによって、ユーザにその交換時期を予告するようにした電力用半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 ワイヤ電圧検出値は、フィルタ回路２２からスイッチ回路３２を介してピーク保持回路３３に入力される。ピーク保持回路３３は、オフセットゲイン調整回路３４を介してアラーム信号出力端子１９ｃと接続され、第４のコンパレータ３５の非反転入力端子と接続される。第４のコンパレータ３５の反転入力端子に所定周期の三角波信号を生成する三角波信号発生回路３６が接続され、オフセットゲイン調整回路３４の出力信号を、ワイヤ電圧検出値に応じてオンデューティが変化する矩形パルス信号に変換している。アンドゲート３８では、それぞれ第４のコンパレータ３５の出力信号とラッチ回路３１の出力信号からアラーム信号を生成してアラーム信号出力端子１９ｄに出力する。
【解決手段】 ワイヤ電圧検出値は、フィルタ回路２２からスイッチ回路３２を介してピーク保持回路３３に入力される。ピーク保持回路３３は、オフセットゲイン調整回路３４を介してアラーム信号出力端子１９ｃと接続され、第４のコンパレータ３５の非反転入力端子と接続される。第４のコンパレータ３５の反転入力端子に所定周期の三角波信号を生成する三角波信号発生回路３６が接続され、オフセットゲイン調整回路３４の出力信号を、ワイヤ電圧検出値に応じてオンデューティが変化する矩形パルス信号に変換している。アンドゲート３８では、それぞれ第４のコンパレータ３５の出力信号とラッチ回路３１の出力信号からアラーム信号を生成してアラーム信号出力端子１９ｄに出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置などに用いられる電力用半導体モジュールに関し、とくに電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて当該モジュールの寿命を予告する寿命予告装置を備えた電力用半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体モジュールの一例として、たとえばモータ可変速制御用インバータ装置などの電力変換装置に組込まれたインテリジェント・パワー・モジュール（以下では、単にＩＰＭともいう。）と呼ばれるものがある。インテリジェント・パワー・モジュールは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチング素子とその駆動回路、各種の保護回路、制御回路などと同一のパッケージに内蔵して構成される。ここで、ＩＰＭの具体的な例としてインバータ装置について説明する。
【０００３】
図４は、インテリジェント・パワー・モジュールを用いたインバータ装置の概要を示す回路図である。
直流電源回路１とモータなどの負荷２との間に半導体スイッチング素子からなるインバータ部３が構成されており、負荷２に対して可変電圧、可変周波数で電力供給が可能である。ただし、このようなＩＰＭの直流電源回路１としては、交流電源からダイオード整流器と大容量の直流平滑用電解コンデンサを介して直流電源を出力するように構成するのが一般的である。
【０００４】
インバータ部３は、６つのＩＧＢＴ４と、それらに逆並列に接続されている転流ダイオード（ＦＷＤ）５から構成されている。６つのＩＧＢＴ４にそれぞれ対応して設けられた駆動回路６は、各ＩＧＢＴ４のゲート電極に対する駆動信号を出力するとともに、各ＩＧＢＴ４を保護するための故障信号Ｓｂを生成する。制御回路７とインバータ部３とから構成されたインバータ装置８では、インバータ部３における電力変換を行うために、制御回路７からのオンオフ指令信号が各アームの駆動回路６に出力されるとともに、制御回路７では駆動回路６からの故障信号Ｓｂなどを受けて、インバータ部３の保護動作を実施する。すなわち、このような駆動回路６にはＩＧＢＴ４の駆動信号を生成するだけでなく、ＩＧＢＴ４の過電流からの保護機能やチップ自体を過熱現象から保護する機能、および以下に説明するＩＰＭの経年劣化を原因とする寿命予告判断機能などが備えられている。
【０００５】
このインバータ装置８のインバータ部３のように、ＩＧＢＴ４とその駆動回路６を同一のパッケージに収容した構成をインテリジェント・パワー・モジュールという。
図５は、ＩＰＭに内蔵されたＩＧＢＴチップの構造を示す側断面図である。ＩＧＢＴ４を構成する半導体チップ（図５では、ＩＧＢＴチップ４という。）は、ＩＰＭの放熱用銅ベースとなる金属ベース板１１の上に、絶縁用のセラミック基板１２を介してマウントされており、ＩＧＢＴチップ４の表面に形成されたエミッタ電極（図示せず）の上面に配線用のワイヤ１４が超音波接合されている。なお、ＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２との間は半田層１３によって接合され、同様に金属ベース板１１とセラミック基板１２の間も、図示しない半田層によって接合されている。
【０００６】
このようなＩＰＭは、ＩＧＢＴチップ４にオン電流が流れるときに発熱するため、この発熱量を金属ベース板１１に当接されたヒートシンクを介して放熱することによって、熱破壊されないように設計されている。しかし、このようなＩＧＢＴチップ４では、ワイヤ１４に加わる熱応力によってエミッタ電極との超音波接合面にクラック１０が入った状態となる。そして、熱応力の印加が繰り返されることでクラック１０が過熱によって時間とともに大きくなり、最終的には熱疲労によってワイヤ１４がエミッタ電極の上面から剥がれてしまうなど、ＩＧＢＴチップ４が破壊することになる。
【０００７】
また、ＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２との間の半田層１３にも同様に、熱応力の印加によりクラック１０が入ることがある。ＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２（さらに詳しくは、セラミック基板１２に形成された回路パターン層）との間の半田層１３でも、そこにクラック１０が生じると熱抵抗が大きくなってＩＧＢＴチップ４の破壊にまで至る。
【０００８】
そこで、ＩＰＭの経年劣化に対処するために、熱抵抗値の変化からそこで使用されている半田劣化や、回路インピーダンスの変化からワイヤの熱疲労劣化などを知ることによって、それらの値が設定値以上となったかどうかによって寿命を判断する手法が採用されている。
【０００９】
図６は、従来の駆動回路の概略構成を示すブロック図である。駆動回路６には、制御回路７からのオンオフ指令信号が入力される入力端子１５、ＩＧＢＴ４のゲート電極への駆動信号を出力する出力端子１６、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極に接合されたワイヤ１４の抵抗値を検出するための電圧端子１７、ＩＧＢＴ４のセンス電極を流れる電流値を検出するための電流端子１８、ＩＧＢＴ４に過電流が流れたことを示すアラーム信号出力端子１９ａ、ワイヤが劣化しつつあることを示すワーニング信号出力端子１９ｂ、および接地端子２０が設けられている。
【００１０】
駆動回路６の内部では、ゲートドライバユニット２１が入力端子１５と接続されるとともに出力端子１６を介して駆動信号をＩＧＢＴ４のゲート電極に供給している。
フィルタ回路２２は、ワイヤ１４の抵抗値を検出する電圧端子１７から入力される電圧信号について、ＩＧＢＴ４でのスイッチング時などに過渡的に発生する高電圧を除去するものである。第１のコンパレータ２３は、その非反転入力端子に基準電源２４が接続され、反転入力端子にフィルタ回路２２の出力が供給されている。
【００１１】
抵抗２５は、一端が電流端子１８と接続されるとともに、他端が接地されている。この抵抗２５によって検出される電圧は、第２のコンパレータ２６の反転入力端子、および第３のコンパレータ２７の非反転入力端子に供給されている。また、これら第２、第３のコンパレータ２６，２７には、それぞれの他方の端子に基準電源２８と基準電源２９が接続されている。基準電源２８は寿命判定時におけるＩＧＢＴ４のコレクタ電流の上限を定めるものであり、後述するようにコレクタ電流が基準電源２８で定められた所定値より大きいときには寿命判定を行わないことで、寿命判定における誤検出が防止される。また、基準電源２９は、ＩＧＢＴ４のコレクタ電流の上限値を定めるものであり、後述するコレクタ電流の過電流を判定する際に、この上限値を上回った場合には過電流であると判断される。
【００１２】
アンドゲート３０には、第１、第２のコンパレータ２３，２６の出力信号が供給されている。このアンドゲート３０の出力信号は、ワイヤ劣化のアラーム信号としてラッチ回路３１を介してワーニング信号出力端子１９ｂから出力される。また、第３のコンパレータ２７の出力信号は、過電流時のアラーム信号としてアラーム信号出力端子１９ａから制御回路７に出力されるとともに、ゲートドライバユニット２１への制御信号となっている。
【００１３】
このように構成された駆動回路６は、ゲートドライバユニット２１が電力変換装置側の制御回路７からのオンオフ指令信号を受けて、ＩＧＢＴ４のオン、オフ制御を行う。また、ＩＧＢＴ４のセンス電極から抵抗２５にセンス電流を流して、ＩＧＢＴ４に流れる電流を検出し、第３のコンパレータ２７によってセンス電流の検出値に相当する抵抗２５の両端電圧を、基準電源２９で設定された電流の上限値と比較している。そして、設定値以上であった場合には、過電流としてアラーム信号出力端子１９ａからアラーム信号を出力するとともに、ゲートドライバユニット２１からＩＧＢＴ４の強制遮断が実施される。
【００１４】
第１のコンパレータ２３の非反転入力端子には、ワイヤ１４とＩＧＢＴ４のエミッタ電極との接合部の状態のワーニングレベルに相当する電圧が基準電源２４として入力されている。ワイヤ１４が劣化すると、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極との接合部での接触抵抗値が増加する。ワイヤ１４の抵抗値はフィルタ回路２２を介して基準電源２４の設定値と比較され、ワイヤ１４の劣化が進展して接合部の抵抗値がその寿命に相当する大きさを超えた場合にＨレベル信号として出力される。なお、ＩＧＢＴ４ではそのエミッタ電極が接地端子２０と接続されて、接地電位が基準となっているため、第１のコンパレータ２３には電圧端子１７からフィルタ回路２２を介して負電圧信号が入力される。
【００１５】
ただし、ＩＧＢＴ４を流れている電流が大きいと、接合部の抵抗値（検出値）が大きくなって寿命の判断が正確でなくなるため、寿命の判断はＩＧＢＴ４に流れる電流が所定値より小さい場合に行うのがよい。そのため、第２のコンパレータ２６には、寿命判定の誤検出を防止するために、寿命判定を行いうるＩＧＢＴ４の電流の最大値を基準電源２８として設定し、ＩＧＢＴ４を流れている電流が設定値以下であるときのみ、Ｈレベル信号を出力する。したがって、アンドゲート３０の出力信号は、２つの入力信号がともにＨレベルとなった場合、すなわちＩＧＢＴ４に流れている電流が設定値以下の条件で、ワイヤ１４に発生している電圧がある設定値以上になって、アンドゲート３０とラッチ回路３１によってワイヤが劣化しつつあることを知らせるワーニング信号が、ワーニング信号出力端子１９ｂから出力される。
【００１６】
図６には、ワイヤ１４の劣化を抵抗値によって判断する駆動回路６の構成を示しているが、第１のコンパレータ２３への入力信号として電力用半導体モジュールの熱抵抗検出信号を供給して、その熱抵抗値の増加によって寿命を判断することもできる（後述する図３参照）。その場合、熱抵抗値を検出するための駆動回路６では、過電流についての情報を考慮しないでアラーム信号を出力できるため、第２のコンパレータ２６とアンドゲート３０は不要になる。
【００１７】
特許文献１には、空気調和装置のインバータ駆動用のインテリジェント・パワー・モジュールを構成するパワートランジスタの故障状態を警報するための警報回路の発明が記載されている。この特許文献１の警報回路では、インテリジェント・パワー・モジュールを構成するパワートランジスタの故障状態に応じて、パルス幅、パルス数、電圧レベルなどの警報信号形態を異ならせた警報信号を出力する警報出力手段を備えているため、コントローラによって警報原因を特定することが容易にできるという利点がある。また、特許文献２には、インバータ装置の過電流異常、制御電源電圧低下異常、過熱異常の３つの異常状態を検出して、それぞれ異常の内容別に異常信号を出力するようにしたインテリジェント・パワー・モジュールの異常検出方法の発明が記載されている。
【００１８】
これらの特許文献記載の発明によれば、ＩＰＭに内蔵された保護機能が働いてＩＰＭ内の半導体素子を異常状態から保護し、その破壊を回避することができる利点がある。しかし、異常を検出すると即座にＩＧＢＴが遮断されて、製造ラインなどに使用されているインバータ装置が停止するようでは、替わりの装置を用意しておかない限り、工場システム全体の操業効率が低下する。
【００１９】
そこで、特許文献３に記載された発明では、ＩＰＭ側の異常発生の兆しを検出して、インバータ装置を停止せずに予告警報を出力するようにして、予めインバータ装置の異常停止を招く要因の排除を促すことによって、工場システムの突然の操業低下を防ぐようにしている。
【００２０】
一般に、工場のラインの駆動システムなどに適用されている電力変換装置などでは、ＩＰＭの寿命予告信号が出力されても、即座に工場のラインを停止させて、ＩＰＭを交換することは、工場の稼動状況から必ずしもできるとは限らない。工場の稼動状況を考慮すると、通常では警報を受けた後もある時間は運転を継続し、その後に保守点検日などのタイミングを見計らってモジュール交換を実施することが好ましい。
【特許文献１】特開平０８−７０５８０号公報（段落番号［００３２］〜［００５３］、および図１〜図５）
【特許文献２】特開平０８−９８５０５号公報（段落番号［００１７］〜［００２４］、および図１〜図３）
【特許文献３】特開２０００−３４１９６０号公報（段落番号［００３８］〜［００５８］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
このような工場のライン運転などを想定した場合、従来のインテリジェント・パワー・モジュールの寿命判断手法におけるアルゴリズムでは、アラーム信号が実際に出力された後、どの程度の時間で実際にＩＰＭが破壊し、動作が停止するに至るのかを知ることが必要になるが、こうした時間は電力変換装置の運転状況で決まり、各電力変換装置でばらばらであると考えられる。たとえば、ＩＧＢＴチップの温度変化（ΔＴｊ）が大きい装置であれば、その期間は短くなるから、異常信号であれアラーム信号であれ、それが出力されただけでは、最終的な破壊（故障）時期の予測ができず、今後の運転続行可能な期間の算定や、インテリジェント・パワー・モジュールの理想的な交換時期を決定することも難しいという問題があった。
【００２２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた残り寿命信号を生成することによって、ユーザにその交換時期を予告するようにした電力用半導体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】
【００２３】
本発明では、上記問題を解決するために、電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて変動する物理量を検出する検出回路と、前記検出回路の検出値に応じて前記電力用半導体モジュールの寿命を決定する寿命決定回路と、前記検出回路の検出値と前記寿命決定回路で決定された前記電力用半導体モジュールの寿命とから、該電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた信号を出力する残り寿命信号出力回路と、を備え、前記残り寿命信号出力回路の信号に基づいて、前記電力用半導体モジュールの破壊に至る時刻を予告するようにしたことを特徴とする電力用半導体モジュールが提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、残り寿命信号を出力することで、電力変換装置などに用いられる電力用半導体モジュールを効率良く交換できる。したがって、電力用半導体モジュールから出力された寿命予告信号によって、電力用半導体モジュールが適用された電力変換装置などのエンドユーザはその交換時期を的確に把握することが可能となるため、電力変換装置のコストダウン、こうした電力変換装置によって構築されている工場ラインなどの製造システムを円滑に運用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の電力用半導体モジュールに係る実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【００２６】
図１に示す駆動回路６１は、図６に示したものと同様に、制御回路７からのオンオフ指令信号が入力する入力端子１５、ＩＧＢＴ４のゲート電極への駆動信号を出力する出力端子１６、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極に接合されたワイヤ抵抗値を検出するための電圧端子１７、ＩＧＢＴ４のセンス電極を流れる電流値を検出するための電流端子１８、過電流時のアラーム信号を出力するアラーム信号出力端子１９ａ、および接地端子２０が設けられている。また、図６におけるワーニング信号出力端子１９ｂに代えて、ワイヤ１４の劣化によるワイヤ配線部での回路インピーダンスの変動に応じたアナログ信号を出力するアラーム信号出力端子１９ｃと、予め定めた寿命に対する残り寿命に応じた信号を出力するアラーム信号出力端子１９ｄとを備えている。
【００２７】
この駆動回路６１の特徴は、インテリジェント・パワー・モジュールに予め設定した寿命に対する残り寿命を検出して予告するために、ＩＰＭを構成するＩＧＢＴ４のワイヤ劣化によるワイヤ配線部での電気的特性の変動を、回路インピーダンスの変動として検出するようにしたことである。なお、図１に示す駆動回路６１の各構成要素には、従来の駆動回路６（図６）と対応する部分に同一の符号を付け、それらの詳細な説明は省略する。
【００２８】
図１におけるフィルタ回路２２は、図６に示したものと同様、ＩＧＢＴ４でのスイッチング時などに過渡的に発生する高電圧を除去し、そこからワイヤ電圧検出値がスイッチ回路３２を介してピーク保持回路３３に入力されている。ピーク保持回路３３は、オフセットとゲインを調整するオフセットゲイン調整回路３４を介してアラーム信号出力端子１９ｃと接続されるとともに、第４のコンパレータ３５の非反転入力端子と接続されている。
【００２９】
第４のコンパレータ３５は、その反転入力端子に所定周期の三角波信号を生成する三角波信号発生回路３６が接続されていて、ここでオフセットゲイン調整回路３４の出力信号を、ワイヤ電圧検出値に比例してオンデューティが変化する矩形パルス信号に変換している。なお、ピーク保持回路３３の入力側は抵抗３７を介して接地されている。また、アンドゲート３８は、それぞれ第４のコンパレータ３５の出力信号とラッチ回路３１の出力信号が入力され、その出力端子はアラーム信号出力端子１９ｄに接続されている。
【００３０】
つぎに、駆動回路６１における寿命予告動作について説明する。
スイッチ回路３２は、アンドゲート３０の出力信号がＨレベルのときにオンし、Ｌレベルのときにはオフとなる。また、ＩＧＢＴ４のコレクタ電流として基準電源２８による設定値以上の電流が流れた場合、第２のコンパレータ２６の出力がＬレベルとなり、アンドゲート３０の出力がＬレベルになってスイッチ回路３２をオフするため、ピーク保持回路３３ではピークホールドされない。抵抗３７はそのためのプルダウン抵抗である。したがって、このスイッチ回路３２をオンオフすることによって、寿命判定時にＩＧＢＴ４のコレクタ電流がその上限を定める第２のコンパレータ２６に設定された値（基準電源２８）を下回って流れているときだけ、ピーク保持回路３３によってワイヤ１４に発生したピーク電圧値が保持されるとともに、オフセットゲイン調整回路３４でオフセットとゲインを調整して、アラーム信号出力端子１９ｃからワイヤ配線部における回路インピーダンスの変動に応じたアナログ信号を出力でき、寿命判定における誤検出を防止することが可能になる。
【００３１】
このように、ワイヤ１４の電圧検出値をアラーム信号出力端子１９ｃからそのままアナログ信号として出力する場合には、オフセットゲイン調整回路３４への入力信号、すなわちピーク保持回路３３の出力信号を使用することもできる。図１には、その場合の配線を点線によって示している。
【００３２】
ピーク保持回路３３の出力信号は、オフセットゲイン調整回路３４によってオフセットおよびゲイン調整が行われてから、第４のコンパレータ３５の非反転入力端子に入力される。この第４のコンパレータ３５の反転入力端子には、所定の周期を有する三角波信号が供給されている。したがって、第４のコンパレータ３５で両方の信号レベルの比較を行い、ワイヤ１４での電圧検出値に応じて、所定の周期内で変化するオンデューティを有する信号がアンドゲート３８に出力される。
【００３３】
アンドゲート３８には第４のコンパレータ３５の出力とともに、ラッチ回路３１の出力信号が入力されている。ラッチ回路３１の出力信号は、図６のワーニング信号出力端子１９ｂから出力されるワーニング信号に相当する信号である。そのため、このワーニング信号が出力されるタイミングで、ワイヤ１４での電圧検出値に応じて、所定の周期内で変化するオンデューティを有する残り寿命信号が、アンドゲート３８からアラーム信号出力端子１９ｄを介して出力することができる。
【００３４】
図２（ａ），（ｂ）は、アラーム信号出力端子から出力される残り寿命信号を示す波形図である。電力用半導体モジュールのユーザは、この信号波形に基づいて当該モジュールの残り寿命を判別できる。
【００３５】
すなわち、図２（ａ）に示すように、Ｈレベルの期間が短い矩形波として出力されたアラーム信号は、ワイヤ電圧検出値が比較的低いことを意味する。上述のとおり、アラーム信号出力端子１９ｄから残り寿命信号が出力されるということは、アンドゲート３８からワーニング信号が出力されているタイミングであって、電力用半導体モジュールの寿命の到来が近づいていることを示すと同時に、それでもまだ、ＩＰＭの破壊までに時間的な余裕があることを示している。これに対して、同図（ｂ）のように、Ｈレベルの期間が長くなるときには、ワイヤ電圧検出値が高く、ＩＰＭの破壊までに時間的な余裕がないことを示している。このように、アラーム信号出力端子１９ｄから出力される残り寿命信号に応じて、ユーザは電力用半導体モジュールの交換などの保守準備を予め行うことができる。
【００３６】
ここで、オフセットゲイン調整回路３４の調整機能について説明する。オフセットゲイン調整回路３４では、フィルタ２２の出力をもとにしてＩＰＭの使用開始時（初期値）のときにアラーム信号のオンデューティがほぼ０％になるように調整し、フィルタ２２の出力が基準電圧２４（上記のワーニング信号が出力されるレベル）より大きく、ＩＰＭの破壊が予想されるワイヤ１４の電圧値が検出されたときには、アラーム信号のオンデューティが１００％になるように、ラッチ回路３１の出力信号のオフセットならびにゲインを調整する。また、ＩＰＭの破壊が予想されるワイヤ１４の電圧値は、実験的に求めることにより予め知ることができるので、この値に基づいて第４のコンパレータ３５に入力される信号のオフセットならびにゲインを調整すればよい。
【００３７】
以上のように、実施の形態１に係る電力用半導体モジュールにおける駆動回路６１では、各ＩＧＢＴ４のワイヤ配線部における回路インピーダンスの変動を検出することによって、その破壊が予想されるまでの寿命に応じ、所定の周期内で変化するオンデューティを有するアラーム信号を寿命信号としてアラーム信号出力端子１９ｄから出力するようにしている。したがって、ＩＰＭの最終的な破壊（故障）時期を容易に予測でき、このアラーム信号を観測するだけで運転続行可能な期間の算定や、電力用半導体モジュールの理想的な交換時期を決定できる。
【００３８】
なお、電力用半導体モジュールにＩＧＢＴの寿命検知素子を設けて、その電気的特性の変動を検出することによって、スイッチング素子のワイヤ配線部以外から検出された物理量に応じたアラーム信号を出力できる。
【００３９】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２の寿命予告装置に係る電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【００４０】
駆動回路６２は、ＩＧＢＴ４の半田劣化による熱抵抗値の増加を検出するためのアラーム信号出力端子３９ａ，３９ｂを備えている。また、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極に接合され、ＩＧＢＴ４のワイヤ抵抗値を検出するための電圧端子１７、およびフィルタ回路２２に代えて、ＩＧＢＴ４の熱抵抗値を検出するための演算回路４０を備えている。第５のコンパレータ４１は、その反転入力端子に基準電源４２が接続され、非反転入力端子に演算回路４０の出力が供給されている。
【００４１】
演算回路４０では、図５に示すような構造のＩＧＢＴチップ４における、所定の２点間での熱抵抗値Ｒが演算される。この熱抵抗値Ｒを演算する演算式は、
Ｒ＝ΔＴ／Ｗ
として、演算回路４０に設定されている。ここで、ΔＴは２点間での温度差、Ｗは発生熱量である。
【００４２】
したがって、たとえばＩＧＢＴチップ４からＩＰＭの金属ベース板１１までの熱抵抗値Ｒを求める場合、それぞれの箇所からの温度検出値、およびＩＧＢＴチップ４が発生している熱量Ｗが入力される必要がある。発生熱量Ｗについては、ＩＧＢＴチップ４での電流×電圧値から計算することができる。演算回路４０に入力される４つの信号は、こうした４つの検出値である。
【００４３】
また、演算回路４０からの熱抵抗値Ｒに相当する出力信号は、第５のコンパレータ４１に入力され、予告すべき寿命の設定値に相当する基準電源４２の電圧値と比較される。なお、駆動回路６２の各構成要素には、実施の形態１の駆動回路６１と対応する部分に同一の符号を付けてあって、それらが図１と同様のアルゴリズムを実現するように動作することはいうまでもない。
【００４４】
このように熱抵抗値Ｒに基づいて寿命を判定することにより、図５に示したようなＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２との間の半田層１３の劣化についても、その寿命予告が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施の形態１の電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【図２】（ａ），（ｂ）はアラーム信号出力端子から出力される残り寿命信号を示す波形図である。
【図３】実施の形態２の電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【図４】インテリジェント・パワー・モジュールを用いたインバータ装置の概要を示す回路図である。
【図５】ＩＰＭに内蔵されたＩＧＢＴチップの構造を示す側断面図である。
【図６】従来の駆動回路の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 直流電源回路
２ 負荷
３ インバータ部
４ ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴチップ）
５ 転流ダイオード
６，６１，６２ 駆動回路
７ 制御回路
１０ クラック
１１ 金属ベース板
１２ セラミック基板
１３ 半田層
１４ ワイヤ
１９ａ，１９ｃ，１９ｄ，３９ａ，３９ｂ アラーム信号出力端子
１９ｂ ワーニング信号出力端子
２１ ゲートドライバユニット
２３ 第１のコンパレータ
２４，２８，２９，４２ 基準電源
２５，３７ 抵抗
２６ 第２のコンパレータ
２７ 第３のコンパレータ
３０，３８ アンドゲート
３１ ラッチ回路
３２ スイッチ回路
３３ ピーク保持回路
３４ オフセットゲイン調整回路
３５ 第４のコンパレータ
３６ 三角波信号発生回路
４０ 演算回路
４１ 第５のコンパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置などに用いられる電力用半導体モジュールに関し、とくに電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて当該モジュールの寿命を予告する寿命予告装置を備えた電力用半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体モジュールの一例として、たとえばモータ可変速制御用インバータ装置などの電力変換装置に組込まれたインテリジェント・パワー・モジュール（以下では、単にＩＰＭともいう。）と呼ばれるものがある。インテリジェント・パワー・モジュールは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチング素子とその駆動回路、各種の保護回路、制御回路などと同一のパッケージに内蔵して構成される。ここで、ＩＰＭの具体的な例としてインバータ装置について説明する。
【０００３】
図４は、インテリジェント・パワー・モジュールを用いたインバータ装置の概要を示す回路図である。
直流電源回路１とモータなどの負荷２との間に半導体スイッチング素子からなるインバータ部３が構成されており、負荷２に対して可変電圧、可変周波数で電力供給が可能である。ただし、このようなＩＰＭの直流電源回路１としては、交流電源からダイオード整流器と大容量の直流平滑用電解コンデンサを介して直流電源を出力するように構成するのが一般的である。
【０００４】
インバータ部３は、６つのＩＧＢＴ４と、それらに逆並列に接続されている転流ダイオード（ＦＷＤ）５から構成されている。６つのＩＧＢＴ４にそれぞれ対応して設けられた駆動回路６は、各ＩＧＢＴ４のゲート電極に対する駆動信号を出力するとともに、各ＩＧＢＴ４を保護するための故障信号Ｓｂを生成する。制御回路７とインバータ部３とから構成されたインバータ装置８では、インバータ部３における電力変換を行うために、制御回路７からのオンオフ指令信号が各アームの駆動回路６に出力されるとともに、制御回路７では駆動回路６からの故障信号Ｓｂなどを受けて、インバータ部３の保護動作を実施する。すなわち、このような駆動回路６にはＩＧＢＴ４の駆動信号を生成するだけでなく、ＩＧＢＴ４の過電流からの保護機能やチップ自体を過熱現象から保護する機能、および以下に説明するＩＰＭの経年劣化を原因とする寿命予告判断機能などが備えられている。
【０００５】
このインバータ装置８のインバータ部３のように、ＩＧＢＴ４とその駆動回路６を同一のパッケージに収容した構成をインテリジェント・パワー・モジュールという。
図５は、ＩＰＭに内蔵されたＩＧＢＴチップの構造を示す側断面図である。ＩＧＢＴ４を構成する半導体チップ（図５では、ＩＧＢＴチップ４という。）は、ＩＰＭの放熱用銅ベースとなる金属ベース板１１の上に、絶縁用のセラミック基板１２を介してマウントされており、ＩＧＢＴチップ４の表面に形成されたエミッタ電極（図示せず）の上面に配線用のワイヤ１４が超音波接合されている。なお、ＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２との間は半田層１３によって接合され、同様に金属ベース板１１とセラミック基板１２の間も、図示しない半田層によって接合されている。
【０００６】
このようなＩＰＭは、ＩＧＢＴチップ４にオン電流が流れるときに発熱するため、この発熱量を金属ベース板１１に当接されたヒートシンクを介して放熱することによって、熱破壊されないように設計されている。しかし、このようなＩＧＢＴチップ４では、ワイヤ１４に加わる熱応力によってエミッタ電極との超音波接合面にクラック１０が入った状態となる。そして、熱応力の印加が繰り返されることでクラック１０が過熱によって時間とともに大きくなり、最終的には熱疲労によってワイヤ１４がエミッタ電極の上面から剥がれてしまうなど、ＩＧＢＴチップ４が破壊することになる。
【０００７】
また、ＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２との間の半田層１３にも同様に、熱応力の印加によりクラック１０が入ることがある。ＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２（さらに詳しくは、セラミック基板１２に形成された回路パターン層）との間の半田層１３でも、そこにクラック１０が生じると熱抵抗が大きくなってＩＧＢＴチップ４の破壊にまで至る。
【０００８】
そこで、ＩＰＭの経年劣化に対処するために、熱抵抗値の変化からそこで使用されている半田劣化や、回路インピーダンスの変化からワイヤの熱疲労劣化などを知ることによって、それらの値が設定値以上となったかどうかによって寿命を判断する手法が採用されている。
【０００９】
図６は、従来の駆動回路の概略構成を示すブロック図である。駆動回路６には、制御回路７からのオンオフ指令信号が入力される入力端子１５、ＩＧＢＴ４のゲート電極への駆動信号を出力する出力端子１６、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極に接合されたワイヤ１４の抵抗値を検出するための電圧端子１７、ＩＧＢＴ４のセンス電極を流れる電流値を検出するための電流端子１８、ＩＧＢＴ４に過電流が流れたことを示すアラーム信号出力端子１９ａ、ワイヤが劣化しつつあることを示すワーニング信号出力端子１９ｂ、および接地端子２０が設けられている。
【００１０】
駆動回路６の内部では、ゲートドライバユニット２１が入力端子１５と接続されるとともに出力端子１６を介して駆動信号をＩＧＢＴ４のゲート電極に供給している。
フィルタ回路２２は、ワイヤ１４の抵抗値を検出する電圧端子１７から入力される電圧信号について、ＩＧＢＴ４でのスイッチング時などに過渡的に発生する高電圧を除去するものである。第１のコンパレータ２３は、その非反転入力端子に基準電源２４が接続され、反転入力端子にフィルタ回路２２の出力が供給されている。
【００１１】
抵抗２５は、一端が電流端子１８と接続されるとともに、他端が接地されている。この抵抗２５によって検出される電圧は、第２のコンパレータ２６の反転入力端子、および第３のコンパレータ２７の非反転入力端子に供給されている。また、これら第２、第３のコンパレータ２６，２７には、それぞれの他方の端子に基準電源２８と基準電源２９が接続されている。基準電源２８は寿命判定時におけるＩＧＢＴ４のコレクタ電流の上限を定めるものであり、後述するようにコレクタ電流が基準電源２８で定められた所定値より大きいときには寿命判定を行わないことで、寿命判定における誤検出が防止される。また、基準電源２９は、ＩＧＢＴ４のコレクタ電流の上限値を定めるものであり、後述するコレクタ電流の過電流を判定する際に、この上限値を上回った場合には過電流であると判断される。
【００１２】
アンドゲート３０には、第１、第２のコンパレータ２３，２６の出力信号が供給されている。このアンドゲート３０の出力信号は、ワイヤ劣化のアラーム信号としてラッチ回路３１を介してワーニング信号出力端子１９ｂから出力される。また、第３のコンパレータ２７の出力信号は、過電流時のアラーム信号としてアラーム信号出力端子１９ａから制御回路７に出力されるとともに、ゲートドライバユニット２１への制御信号となっている。
【００１３】
このように構成された駆動回路６は、ゲートドライバユニット２１が電力変換装置側の制御回路７からのオンオフ指令信号を受けて、ＩＧＢＴ４のオン、オフ制御を行う。また、ＩＧＢＴ４のセンス電極から抵抗２５にセンス電流を流して、ＩＧＢＴ４に流れる電流を検出し、第３のコンパレータ２７によってセンス電流の検出値に相当する抵抗２５の両端電圧を、基準電源２９で設定された電流の上限値と比較している。そして、設定値以上であった場合には、過電流としてアラーム信号出力端子１９ａからアラーム信号を出力するとともに、ゲートドライバユニット２１からＩＧＢＴ４の強制遮断が実施される。
【００１４】
第１のコンパレータ２３の非反転入力端子には、ワイヤ１４とＩＧＢＴ４のエミッタ電極との接合部の状態のワーニングレベルに相当する電圧が基準電源２４として入力されている。ワイヤ１４が劣化すると、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極との接合部での接触抵抗値が増加する。ワイヤ１４の抵抗値はフィルタ回路２２を介して基準電源２４の設定値と比較され、ワイヤ１４の劣化が進展して接合部の抵抗値がその寿命に相当する大きさを超えた場合にＨレベル信号として出力される。なお、ＩＧＢＴ４ではそのエミッタ電極が接地端子２０と接続されて、接地電位が基準となっているため、第１のコンパレータ２３には電圧端子１７からフィルタ回路２２を介して負電圧信号が入力される。
【００１５】
ただし、ＩＧＢＴ４を流れている電流が大きいと、接合部の抵抗値（検出値）が大きくなって寿命の判断が正確でなくなるため、寿命の判断はＩＧＢＴ４に流れる電流が所定値より小さい場合に行うのがよい。そのため、第２のコンパレータ２６には、寿命判定の誤検出を防止するために、寿命判定を行いうるＩＧＢＴ４の電流の最大値を基準電源２８として設定し、ＩＧＢＴ４を流れている電流が設定値以下であるときのみ、Ｈレベル信号を出力する。したがって、アンドゲート３０の出力信号は、２つの入力信号がともにＨレベルとなった場合、すなわちＩＧＢＴ４に流れている電流が設定値以下の条件で、ワイヤ１４に発生している電圧がある設定値以上になって、アンドゲート３０とラッチ回路３１によってワイヤが劣化しつつあることを知らせるワーニング信号が、ワーニング信号出力端子１９ｂから出力される。
【００１６】
図６には、ワイヤ１４の劣化を抵抗値によって判断する駆動回路６の構成を示しているが、第１のコンパレータ２３への入力信号として電力用半導体モジュールの熱抵抗検出信号を供給して、その熱抵抗値の増加によって寿命を判断することもできる（後述する図３参照）。その場合、熱抵抗値を検出するための駆動回路６では、過電流についての情報を考慮しないでアラーム信号を出力できるため、第２のコンパレータ２６とアンドゲート３０は不要になる。
【００１７】
特許文献１には、空気調和装置のインバータ駆動用のインテリジェント・パワー・モジュールを構成するパワートランジスタの故障状態を警報するための警報回路の発明が記載されている。この特許文献１の警報回路では、インテリジェント・パワー・モジュールを構成するパワートランジスタの故障状態に応じて、パルス幅、パルス数、電圧レベルなどの警報信号形態を異ならせた警報信号を出力する警報出力手段を備えているため、コントローラによって警報原因を特定することが容易にできるという利点がある。また、特許文献２には、インバータ装置の過電流異常、制御電源電圧低下異常、過熱異常の３つの異常状態を検出して、それぞれ異常の内容別に異常信号を出力するようにしたインテリジェント・パワー・モジュールの異常検出方法の発明が記載されている。
【００１８】
これらの特許文献記載の発明によれば、ＩＰＭに内蔵された保護機能が働いてＩＰＭ内の半導体素子を異常状態から保護し、その破壊を回避することができる利点がある。しかし、異常を検出すると即座にＩＧＢＴが遮断されて、製造ラインなどに使用されているインバータ装置が停止するようでは、替わりの装置を用意しておかない限り、工場システム全体の操業効率が低下する。
【００１９】
そこで、特許文献３に記載された発明では、ＩＰＭ側の異常発生の兆しを検出して、インバータ装置を停止せずに予告警報を出力するようにして、予めインバータ装置の異常停止を招く要因の排除を促すことによって、工場システムの突然の操業低下を防ぐようにしている。
【００２０】
一般に、工場のラインの駆動システムなどに適用されている電力変換装置などでは、ＩＰＭの寿命予告信号が出力されても、即座に工場のラインを停止させて、ＩＰＭを交換することは、工場の稼動状況から必ずしもできるとは限らない。工場の稼動状況を考慮すると、通常では警報を受けた後もある時間は運転を継続し、その後に保守点検日などのタイミングを見計らってモジュール交換を実施することが好ましい。
【特許文献１】特開平０８−７０５８０号公報（段落番号［００３２］〜［００５３］、および図１〜図５）
【特許文献２】特開平０８−９８５０５号公報（段落番号［００１７］〜［００２４］、および図１〜図３）
【特許文献３】特開２０００−３４１９６０号公報（段落番号［００３８］〜［００５８］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
このような工場のライン運転などを想定した場合、従来のインテリジェント・パワー・モジュールの寿命判断手法におけるアルゴリズムでは、アラーム信号が実際に出力された後、どの程度の時間で実際にＩＰＭが破壊し、動作が停止するに至るのかを知ることが必要になるが、こうした時間は電力変換装置の運転状況で決まり、各電力変換装置でばらばらであると考えられる。たとえば、ＩＧＢＴチップの温度変化（ΔＴｊ）が大きい装置であれば、その期間は短くなるから、異常信号であれアラーム信号であれ、それが出力されただけでは、最終的な破壊（故障）時期の予測ができず、今後の運転続行可能な期間の算定や、インテリジェント・パワー・モジュールの理想的な交換時期を決定することも難しいという問題があった。
【００２２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた残り寿命信号を生成することによって、ユーザにその交換時期を予告するようにした電力用半導体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】
【００２３】
本発明では、上記問題を解決するために、電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて変動する物理量を検出する検出回路と、前記検出回路の検出値に応じて前記電力用半導体モジュールの寿命を決定する寿命決定回路と、前記検出回路の検出値と前記寿命決定回路で決定された前記電力用半導体モジュールの寿命とから、該電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた信号を出力する残り寿命信号出力回路と、を備え、前記残り寿命信号出力回路の信号に基づいて、前記電力用半導体モジュールの破壊に至る時刻を予告するようにしたことを特徴とする電力用半導体モジュールが提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、残り寿命信号を出力することで、電力変換装置などに用いられる電力用半導体モジュールを効率良く交換できる。したがって、電力用半導体モジュールから出力された寿命予告信号によって、電力用半導体モジュールが適用された電力変換装置などのエンドユーザはその交換時期を的確に把握することが可能となるため、電力変換装置のコストダウン、こうした電力変換装置によって構築されている工場ラインなどの製造システムを円滑に運用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の電力用半導体モジュールに係る実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【００２６】
図１に示す駆動回路６１は、図６に示したものと同様に、制御回路７からのオンオフ指令信号が入力する入力端子１５、ＩＧＢＴ４のゲート電極への駆動信号を出力する出力端子１６、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極に接合されたワイヤ抵抗値を検出するための電圧端子１７、ＩＧＢＴ４のセンス電極を流れる電流値を検出するための電流端子１８、過電流時のアラーム信号を出力するアラーム信号出力端子１９ａ、および接地端子２０が設けられている。また、図６におけるワーニング信号出力端子１９ｂに代えて、ワイヤ１４の劣化によるワイヤ配線部での回路インピーダンスの変動に応じたアナログ信号を出力するアラーム信号出力端子１９ｃと、予め定めた寿命に対する残り寿命に応じた信号を出力するアラーム信号出力端子１９ｄとを備えている。
【００２７】
この駆動回路６１の特徴は、インテリジェント・パワー・モジュールに予め設定した寿命に対する残り寿命を検出して予告するために、ＩＰＭを構成するＩＧＢＴ４のワイヤ劣化によるワイヤ配線部での電気的特性の変動を、回路インピーダンスの変動として検出するようにしたことである。なお、図１に示す駆動回路６１の各構成要素には、従来の駆動回路６（図６）と対応する部分に同一の符号を付け、それらの詳細な説明は省略する。
【００２８】
図１におけるフィルタ回路２２は、図６に示したものと同様、ＩＧＢＴ４でのスイッチング時などに過渡的に発生する高電圧を除去し、そこからワイヤ電圧検出値がスイッチ回路３２を介してピーク保持回路３３に入力されている。ピーク保持回路３３は、オフセットとゲインを調整するオフセットゲイン調整回路３４を介してアラーム信号出力端子１９ｃと接続されるとともに、第４のコンパレータ３５の非反転入力端子と接続されている。
【００２９】
第４のコンパレータ３５は、その反転入力端子に所定周期の三角波信号を生成する三角波信号発生回路３６が接続されていて、ここでオフセットゲイン調整回路３４の出力信号を、ワイヤ電圧検出値に比例してオンデューティが変化する矩形パルス信号に変換している。なお、ピーク保持回路３３の入力側は抵抗３７を介して接地されている。また、アンドゲート３８は、それぞれ第４のコンパレータ３５の出力信号とラッチ回路３１の出力信号が入力され、その出力端子はアラーム信号出力端子１９ｄに接続されている。
【００３０】
つぎに、駆動回路６１における寿命予告動作について説明する。
スイッチ回路３２は、アンドゲート３０の出力信号がＨレベルのときにオンし、Ｌレベルのときにはオフとなる。また、ＩＧＢＴ４のコレクタ電流として基準電源２８による設定値以上の電流が流れた場合、第２のコンパレータ２６の出力がＬレベルとなり、アンドゲート３０の出力がＬレベルになってスイッチ回路３２をオフするため、ピーク保持回路３３ではピークホールドされない。抵抗３７はそのためのプルダウン抵抗である。したがって、このスイッチ回路３２をオンオフすることによって、寿命判定時にＩＧＢＴ４のコレクタ電流がその上限を定める第２のコンパレータ２６に設定された値（基準電源２８）を下回って流れているときだけ、ピーク保持回路３３によってワイヤ１４に発生したピーク電圧値が保持されるとともに、オフセットゲイン調整回路３４でオフセットとゲインを調整して、アラーム信号出力端子１９ｃからワイヤ配線部における回路インピーダンスの変動に応じたアナログ信号を出力でき、寿命判定における誤検出を防止することが可能になる。
【００３１】
このように、ワイヤ１４の電圧検出値をアラーム信号出力端子１９ｃからそのままアナログ信号として出力する場合には、オフセットゲイン調整回路３４への入力信号、すなわちピーク保持回路３３の出力信号を使用することもできる。図１には、その場合の配線を点線によって示している。
【００３２】
ピーク保持回路３３の出力信号は、オフセットゲイン調整回路３４によってオフセットおよびゲイン調整が行われてから、第４のコンパレータ３５の非反転入力端子に入力される。この第４のコンパレータ３５の反転入力端子には、所定の周期を有する三角波信号が供給されている。したがって、第４のコンパレータ３５で両方の信号レベルの比較を行い、ワイヤ１４での電圧検出値に応じて、所定の周期内で変化するオンデューティを有する信号がアンドゲート３８に出力される。
【００３３】
アンドゲート３８には第４のコンパレータ３５の出力とともに、ラッチ回路３１の出力信号が入力されている。ラッチ回路３１の出力信号は、図６のワーニング信号出力端子１９ｂから出力されるワーニング信号に相当する信号である。そのため、このワーニング信号が出力されるタイミングで、ワイヤ１４での電圧検出値に応じて、所定の周期内で変化するオンデューティを有する残り寿命信号が、アンドゲート３８からアラーム信号出力端子１９ｄを介して出力することができる。
【００３４】
図２（ａ），（ｂ）は、アラーム信号出力端子から出力される残り寿命信号を示す波形図である。電力用半導体モジュールのユーザは、この信号波形に基づいて当該モジュールの残り寿命を判別できる。
【００３５】
すなわち、図２（ａ）に示すように、Ｈレベルの期間が短い矩形波として出力されたアラーム信号は、ワイヤ電圧検出値が比較的低いことを意味する。上述のとおり、アラーム信号出力端子１９ｄから残り寿命信号が出力されるということは、アンドゲート３８からワーニング信号が出力されているタイミングであって、電力用半導体モジュールの寿命の到来が近づいていることを示すと同時に、それでもまだ、ＩＰＭの破壊までに時間的な余裕があることを示している。これに対して、同図（ｂ）のように、Ｈレベルの期間が長くなるときには、ワイヤ電圧検出値が高く、ＩＰＭの破壊までに時間的な余裕がないことを示している。このように、アラーム信号出力端子１９ｄから出力される残り寿命信号に応じて、ユーザは電力用半導体モジュールの交換などの保守準備を予め行うことができる。
【００３６】
ここで、オフセットゲイン調整回路３４の調整機能について説明する。オフセットゲイン調整回路３４では、フィルタ２２の出力をもとにしてＩＰＭの使用開始時（初期値）のときにアラーム信号のオンデューティがほぼ０％になるように調整し、フィルタ２２の出力が基準電圧２４（上記のワーニング信号が出力されるレベル）より大きく、ＩＰＭの破壊が予想されるワイヤ１４の電圧値が検出されたときには、アラーム信号のオンデューティが１００％になるように、ラッチ回路３１の出力信号のオフセットならびにゲインを調整する。また、ＩＰＭの破壊が予想されるワイヤ１４の電圧値は、実験的に求めることにより予め知ることができるので、この値に基づいて第４のコンパレータ３５に入力される信号のオフセットならびにゲインを調整すればよい。
【００３７】
以上のように、実施の形態１に係る電力用半導体モジュールにおける駆動回路６１では、各ＩＧＢＴ４のワイヤ配線部における回路インピーダンスの変動を検出することによって、その破壊が予想されるまでの寿命に応じ、所定の周期内で変化するオンデューティを有するアラーム信号を寿命信号としてアラーム信号出力端子１９ｄから出力するようにしている。したがって、ＩＰＭの最終的な破壊（故障）時期を容易に予測でき、このアラーム信号を観測するだけで運転続行可能な期間の算定や、電力用半導体モジュールの理想的な交換時期を決定できる。
【００３８】
なお、電力用半導体モジュールにＩＧＢＴの寿命検知素子を設けて、その電気的特性の変動を検出することによって、スイッチング素子のワイヤ配線部以外から検出された物理量に応じたアラーム信号を出力できる。
【００３９】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２の寿命予告装置に係る電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【００４０】
駆動回路６２は、ＩＧＢＴ４の半田劣化による熱抵抗値の増加を検出するためのアラーム信号出力端子３９ａ，３９ｂを備えている。また、ＩＧＢＴ４のエミッタ電極に接合され、ＩＧＢＴ４のワイヤ抵抗値を検出するための電圧端子１７、およびフィルタ回路２２に代えて、ＩＧＢＴ４の熱抵抗値を検出するための演算回路４０を備えている。第５のコンパレータ４１は、その反転入力端子に基準電源４２が接続され、非反転入力端子に演算回路４０の出力が供給されている。
【００４１】
演算回路４０では、図５に示すような構造のＩＧＢＴチップ４における、所定の２点間での熱抵抗値Ｒが演算される。この熱抵抗値Ｒを演算する演算式は、
Ｒ＝ΔＴ／Ｗ
として、演算回路４０に設定されている。ここで、ΔＴは２点間での温度差、Ｗは発生熱量である。
【００４２】
したがって、たとえばＩＧＢＴチップ４からＩＰＭの金属ベース板１１までの熱抵抗値Ｒを求める場合、それぞれの箇所からの温度検出値、およびＩＧＢＴチップ４が発生している熱量Ｗが入力される必要がある。発生熱量Ｗについては、ＩＧＢＴチップ４での電流×電圧値から計算することができる。演算回路４０に入力される４つの信号は、こうした４つの検出値である。
【００４３】
また、演算回路４０からの熱抵抗値Ｒに相当する出力信号は、第５のコンパレータ４１に入力され、予告すべき寿命の設定値に相当する基準電源４２の電圧値と比較される。なお、駆動回路６２の各構成要素には、実施の形態１の駆動回路６１と対応する部分に同一の符号を付けてあって、それらが図１と同様のアルゴリズムを実現するように動作することはいうまでもない。
【００４４】
このように熱抵抗値Ｒに基づいて寿命を判定することにより、図５に示したようなＩＧＢＴチップ４とセラミック基板１２との間の半田層１３の劣化についても、その寿命予告が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施の形態１の電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【図２】（ａ），（ｂ）はアラーム信号出力端子から出力される残り寿命信号を示す波形図である。
【図３】実施の形態２の電力用半導体モジュールを示す回路図である。
【図４】インテリジェント・パワー・モジュールを用いたインバータ装置の概要を示す回路図である。
【図５】ＩＰＭに内蔵されたＩＧＢＴチップの構造を示す側断面図である。
【図６】従来の駆動回路の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 直流電源回路
２ 負荷
３ インバータ部
４ ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴチップ）
５ 転流ダイオード
６，６１，６２ 駆動回路
７ 制御回路
１０ クラック
１１ 金属ベース板
１２ セラミック基板
１３ 半田層
１４ ワイヤ
１９ａ，１９ｃ，１９ｄ，３９ａ，３９ｂ アラーム信号出力端子
１９ｂ ワーニング信号出力端子
２１ ゲートドライバユニット
２３ 第１のコンパレータ
２４，２８，２９，４２ 基準電源
２５，３７ 抵抗
２６ 第２のコンパレータ
２７ 第３のコンパレータ
３０，３８ アンドゲート
３１ ラッチ回路
３２ スイッチ回路
３３ ピーク保持回路
３４ オフセットゲイン調整回路
３５ 第４のコンパレータ
３６ 三角波信号発生回路
４０ 演算回路
４１ 第５のコンパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて変動する物理量を検出する検出回路と、
前記検出回路の検出値に応じて前記電力用半導体モジュールの寿命を決定する寿命決定回路と、
前記検出回路の検出値と前記寿命決定回路で決定された前記電力用半導体モジュールの寿命とから、該電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた信号を出力する残り寿命信号出力回路と、
を備え、前記残り寿命信号出力回路の信号に基づいて、前記電力用半導体モジュールの破壊に至る時刻を予告するようにしたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項２】
前記検出回路は、前記電力用半導体モジュールを構成するスイッチング素子の電気的特性の変動を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体モジュール。
【請求項３】
前記検出回路は、前記スイッチング素子のワイヤ配線部における回路インピーダンスの変動を検出するものであることを特徴とする請求項２記載の電力用半導体モジュール。
【請求項４】
前記検出回路は、前記電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて変動する熱抵抗値を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体モジュール。
【請求項５】
前記残り寿命信号出力回路は、前記寿命決定回路で決定された前記電力用半導体モジュールの寿命相当値と前記物理量の検出値とを比較して、前記電力用半導体モジュールの残り寿命に応じたオンデューティを有する残り寿命信号を出力することを特徴とする請求項１記載の電力用半導体モジュール。
【請求項１】
電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて変動する物理量を検出する検出回路と、
前記検出回路の検出値に応じて前記電力用半導体モジュールの寿命を決定する寿命決定回路と、
前記検出回路の検出値と前記寿命決定回路で決定された前記電力用半導体モジュールの寿命とから、該電力用半導体モジュールの残り寿命に応じた信号を出力する残り寿命信号出力回路と、
を備え、前記残り寿命信号出力回路の信号に基づいて、前記電力用半導体モジュールの破壊に至る時刻を予告するようにしたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項２】
前記検出回路は、前記電力用半導体モジュールを構成するスイッチング素子の電気的特性の変動を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体モジュール。
【請求項３】
前記検出回路は、前記スイッチング素子のワイヤ配線部における回路インピーダンスの変動を検出するものであることを特徴とする請求項２記載の電力用半導体モジュール。
【請求項４】
前記検出回路は、前記電力用半導体モジュールの経年劣化に応じて変動する熱抵抗値を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体モジュール。
【請求項５】
前記残り寿命信号出力回路は、前記寿命決定回路で決定された前記電力用半導体モジュールの寿命相当値と前記物理量の検出値とを比較して、前記電力用半導体モジュールの残り寿命に応じたオンデューティを有する残り寿命信号を出力することを特徴とする請求項１記載の電力用半導体モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−４９８７０（Ｐ２００７−４９８７０Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３４５５６（Ｐ２００５−２３４５５６）
【出願日】平成１７年８月１２日（２００５．８．１２）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１２日（２００５．８．１２）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
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