CN111537856B - 半导体模块及半导体模块的寿命预测系统 - Google Patents

半导体模块及半导体模块的寿命预测系统 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供能够准确地预测寿命的半导体模块以及该半导体模块的寿命预测系统。本发明涉及的半导体模块具有：IGBT(2a、2b)以及二极管(3a、3b)；测定电路(5a、5b)，它们对IGBT(2a、2b)以及二极管(3a、3b)的特性进行测定；以及存储器(6)，其对IGBT(2a、2b)以及二极管(3a、3b)的预先确定的特性的初始值、测定电路(5a、5b)所测定出的IGBT(2a、2b)以及二极管(3a、3b)的特性的测定值、IGBT(2a、2b)以及二极管(3a、3b)的预先确定的特性劣化的判定值进行存储。

Description

半导体模块及半导体模块的寿命预测系统
技术领域
本发明涉及半导体模块及该半导体模块的寿命预测系统。
背景技术
以往公开了如下技术，即，对电梯的驱动系统所包含的电路元件的寿命进行判定、作出应对，而不需要用于寿命判定的特别的传感器(例如，参照专利文献1)。电路元件包含IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)以及二极管。具体地说，通过对逆变器装置所包含的电路元件的电压的测定值和在电梯控制装置中预先设定的电路元件的电压的初始值进行比较，从而对电路元件的寿命进行判定。并且，在初始值与测定值之差超过了预先设定的判定值时，点亮警告灯，对电路元件的寿命将尽这一情况进行警告。
专利文献1：日本特开2011-200033号公报
在专利文献1中，逆变器装置由于经由测定电路而与电梯控制装置连接，因此有可能受到外部干扰的影响，在这种情况下，存在测定的精度下降这一问题。这样，以往，不能说准确地预测出了半导体模块的寿命。
发明内容
本发明就是为了解决上述这样的问题而提出的，其目的在于提供能够准确地预测寿命的半导体模块以及该半导体模块的寿命预测系统。
为了解决上述的课题，本发明涉及的半导体模块具有：至少1个半导体元件；测定电路，其对半导体元件的特性进行测定；以及存储器，其对半导体元件的预先确定的特性的初始值、测定电路所测定出的半导体元件的特性的测定值和半导体元件的预先确定的特性劣化的判定值进行存储。
发明的效果
根据本发明，半导体模块具有：测定电路，其对半导体元件的特性进行测定；以及存储器，其对半导体元件的预先确定的特性的初始值、测定电路所测定出的半导体元件的特性的测定值和半导体元件的预先确定的特性劣化的判定值进行存储，因此能够对半导体模块的寿命准确地进行预测。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的半导体功率模块的寿命预测系统的结构的一个例子的图。
图2是对本发明的实施方式1涉及的半导体功率模块的寿命预测进行说明的图形。
图3是对本发明的实施方式2涉及的半导体功率模块的寿命预测进行说明的图形。
图4是表示本发明的实施方式3涉及的半导体功率模块的寿命预测系统的结构的一个例子的图。
图5是对本发明的实施方式3涉及的半导体功率模块的寿命预测进行说明的图形。
标号的说明
1半导体功率模块，2a、2b IGBT，3a、3b二极管，4控制电路，5a、5b测定电路，6存储器，7MCU，8输入接口，9a、9b驱动电路，10负载，11a、11b变换器，13半导体功率模块，14存储器。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。
＜实施方式1＞
＜结构＞
图1是表示本实施方式1涉及的半导体功率模块的寿命预测系统的结构的一个例子的图。
如图1所示，本实施方式1涉及的半导体功率模块的寿命预测系统由半导体功率模块1和MCU(Micro Controller Unit；微控制单元)7构成。半导体功率模块1对负载10的动作进行控制。负载10例如是三相交流电动机等。
半导体功率模块1具有控制电路4、存储器6和作为半导体元件的IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b。控制电路4具有测定电路5a、5b、变换器11a、11b、驱动电路9a、9b、输入接口8和输入输出接口12。
测定电路5a、5b对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b的特性进行测定。具体地说，测定电路5a分别与IGBT 2a以及二极管3a连接，对IGBT 2a的集电极电压以及发射极电压进行测定，对二极管3a的阳极电压以及阴极电压进行测定。测定电路5a所测定出的IGBT 2a的集电极电压以及发射极电压通过变换器11a进行模数变换，经由输入输出接口12存储于存储器6。另外，测定电路5a所测定出的二极管3a的阳极电压以及阴极电压通过变换器11a进行模数变换，经由输入输出接口12存储于存储器6。
另一方面，测定电路5b分别与IGBT 2b以及二极管3b连接，对IGBT 2b的集电极电压以及发射极电压进行测定，对二极管3b的阳极电压以及阴极电压进行测定。测定电路5b所测定出的IGBT 2b的集电极电压以及发射极电压通过变换器11b进行模数变换，经由输入输出接口12存储于存储器6。另外，测定电路5b所测定出的二极管3b的阳极电压以及阴极电压通过变换器11b进行模数变换，经由输入输出接口12存储于存储器6。
驱动电路9a按照从MCU 7经由输入接口8输入的控制信号，对IGBT 2a进行驱动。驱动电路9b按照经由输入接口8输入的MCU 7的指示对IGBT 2b进行驱动。
存储器6例如由EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)构成，对由测定电路5a、5b各自所测定出的IGBT 2a、2b的集电极电压以及发射极电压、二极管3a、3b的阳极电压以及阴极电压进行存储。
另外，存储器6存储有对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性劣化进行判定的判定值。该判定值是考虑了半导体功率模块1的工作环境而得出的值，能够由MCU 7将该判定值设定于存储器6。此外，由MCU 7将判定值设定于存储器6的定时(timing)只要是处于MCU 7对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性劣化进行判定之前即可，可以是任意的定时。
并且，存储器6存储有IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性的初始值。该初始值是考虑了半导体功率模块1的工作环境而得出的值，能够由MCU 7将该初始值设定于存储器6。此外，由MCU 7将初始值设定于存储器6的定时只要是处于将IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的测定值存储于存储器6之前即可，可以是任意的定时。
MCU 7经由输入接口8而向驱动电路9a、9b各自输入控制信号。另外，MCU 7能够直接访问存储器6，从存储器6读出信息，或向存储器6写入信息。并且，MCU 7基于在存储器6存储的信息而对半导体功率模块1的寿命进行预测。即，MCU 7具有作为对半导体功率模块1的寿命进行预测的预测部的功能。
＜动作＞
在对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b的特性进行测定时，MCU 7对存储器6输入指令。从MCU 7输入至存储器6的指令经由输入输出接口12而输入至变换器11a、11b，在数模变换后输入至测定电路5a、5b。即，测定电路5a、5b按照来自MCU 7的指令对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b的特性进行测定。
另外，在对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b的特性进行测定时，MCU 7向驱动电路9a、9b各自输入使得电流成为一定条件下的电流这样的控制信号。驱动电路9a按照从MCU 7输入的控制信号对IGBT 2a进行驱动。驱动电路9b按照从MCU 7输入的控制信号对IGBT 2b进行驱动。
测定电路5a对IGBT 2a的集电极电压以及发射极电压进行测定，对二极管3a的阳极电压以及阴极电压进行测定。IGBT 2a的集电极电压以及发射极电压、二极管3a的阳极电压以及阴极电压被作为IGBT 2a以及二极管3a各自的特性的测定值而存储于存储器6。
测定电路5b对IGBT 2b的集电极电压以及发射极电压进行测定，对二极管3b的阳极电压以及阴极电压进行测定。IGBT 2b的集电极电压以及发射极电压、二极管3b的阳极电压以及阴极电压被作为IGBT2b以及二极管3b各自的特性的测定值而存储于存储器6。
由此，在存储器6存储IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性的测定值。这些测定值在每次测定时被存储于存储器6。即，能够在存储器6存储多次量的测定值。
MCU 7将在存储器6存储的IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的测定值、IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性的初始值和判定值读出，对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性劣化进行判定。
具体地说，如图2所示，MCU 7对半导体元件的测定值和预先设定的判定值C进行比较。并且，MCU 7在测定值变为大于或等于判定值C时，判断为半导体元件的特性已经劣化。在这种情况下，MCU 7预测为半导体功率模块1的寿命变短，即半导体功率模块1的寿命将尽。
＜效果＞
如上所述，根据本实施方式1，半导体功率模块1内置有测定电路5a、5b以及存储器6，因此受到外部干扰影响的情况变少，能够准确地预测半导体功率模块1的寿命。
如上所述，存储器6能够对多次量的半导体元件的测定值进行存储。因此，MCU 7能够基于初始值以及多个测定值的推移而对半导体元件的特性劣化进行判定。
在将存储器6设置于半导体功率模块1的外部的情况下，需要在进行了部件更换等时删除在存储器6存储的数据。另一方面，根据本实施方式1，存储器6内置于半导体功率模块1，因此不需要在进行了部件更换等时删除在存储器6存储的数据。因此，能够简化MCU 7的算法。
在对并不限定于引用文献1这样的电梯的驱动系统这一用途的半导体功率模块的寿命进行判定的情况下，需要设定考虑了半导体功率模块的工作环境而得出的初始值以及判定值。根据本实施方式1，MCU7能够直接访问存储器6，在任意的定时将考虑了工作环境而得出的初始值以及判定值写入，因此能够提高半导体功率模块1的寿命的预测精度。
＜实施方式2＞
＜结构＞
本实施方式2涉及的半导体功率模块的寿命预测系统的结构与在实施方式1中说明的图1所示的半导体功率模块的寿命预测系统的结构相同，因此这里省略详细的说明。另外，半导体功率模块1的动作也与实施方式1相同，因此这里省略详细的说明。
＜动作＞
在本实施方式2中，通过MCU 7实施的半导体功率模块1的寿命的预测方法与实施方式1不同。以下，对本实施方式2涉及的半导体功率模块1的寿命的预测进行说明。
MCU 7将在存储器6存储的IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的测定值、IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性的初始值读出，对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性劣化进行判定。
具体地说，如图3所示，MCU 7基于各测定值而对测定值的变化率进行计算。在图3的例子中，测定值的变化率由Δ1～Δ4示出。此外，也可以是MCU 7在任意的定时对测定值的变化率进行计算，还可以将MCU 7所计算出的测定值的变化率存储于存储器6。在这种情况下，MCU 7将IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的测定值、IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性的初始值和过去计算出的IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的测定值的变化率从存储器6读出。
然后，MCU 7对计算出的测定值的变化率和预先设定的判定值D进行比较。此外，判定值D是用于对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性劣化进行判定的值，能够由MCU 7将该判定值D设定于存储器6。此外，由MCU 7将判定值D设定于存储器6的定时只要是处于MCU 7对IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b各自的特性劣化进行判定之前即可，可以是任意的定时。
MCU 7在测定值的变化率变为大于或等于判定值D时，判定为半导体元件的特性已经劣化。在这种情况下，MCU 7预测为半导体功率模块1的寿命变短，即半导体功率模块1的寿命将尽。
＜效果＞
如上所述，根据本实施方式2，与实施方式1同样地，能够准确地预测半导体功率模块1的寿命。
＜实施方式3＞
＜结构＞
图4是表示本实施方式3涉及的半导体功率模块的寿命预测系统的结构的一个例子的图。
如图4所示，本实施方式3涉及的半导体功率模块的寿命预测系统由半导体功率模块13、MCU 15和壳体温度测定电路16构成。半导体功率模块13对负载10的动作进行控制。
半导体功率模块13具有：控制电路4、存储器14和作为半导体元件的IGBT 2a、2b以及二极管3a、3b。控制电路4具有输入接口8以及驱动电路9a、9b。此外，输入接口8以及驱动电路9a、9b与在实施方式1中说明的图1所示的输入接口8以及驱动电路9a、9b相同，因此这里省略说明。
存储器14例如由EPROM构成，存储由壳体温度测定电路16测定出的半导体功率模块13的壳体温度。另外，存储器14存储有对半导体元件的特性劣化进行判定的判定值。该判定值是考虑了半导体功率模块13的工作环境而得出的值，能够由MCU 15将该判定值设定于存储器14。此外，由MCU 15将判定值设定于存储器14的定时只要是处于MCU 15对半导体功率模块13的寿命进行预测之前即可，可以是任意的定时。
壳体温度测定电路16与半导体功率模块13连接，对半导体功率模块13的壳体温度进行测定。
MCU 15经由输入接口8向驱动电路9a、9b各自输入控制信号。另外，MCU 15能够直接访问存储器14，从存储器14读出信息，或向存储器14写入信息。并且，MCU 15基于在存储器14存储的信息而对半导体功率模块13的寿命进行预测。即，MCU 15具有作为对半导体功率模块13的寿命进行预测的预测部的功能。
＜动作＞
首先，壳体温度测定电路16在第1定时，在半导体功率模块13未动作的状态下，对第1壳体温度即壳体温度Tc进行测定。MCU 15将此时壳体温度测定电路16所测定出的壳体温度Tc作为初始值A1而存储于存储器14。
紧接着，MCU 15向驱动电路9a、9b各自输入使得电流成为一定条件下的电流这样的控制信号。驱动电路9a按照从MCU 15输入的控制信号对IGBT 2a进行驱动。驱动电路9b按照从MCU 15输入的控制信号对IGBT 2b进行驱动。壳体温度测定电路16对半导体功率模块13动作时的第2壳体温度即壳体温度Tc进行测定。MCU 15将此时壳体温度测定电路16所测定出的壳体温度Tc作为测定值A2而存储于存储器14。
接下来，在从上述的测定起经过一定期间后的第2定时，壳体温度测定电路16在半导体功率模块13未动作的状态下对第3壳体温度即壳体温度Tc进行测定。MCU 15将此时壳体温度测定电路16所测定出的壳体温度Tc作为初始值B1而存储于存储器14。
紧接着，MCU 15与上述同样地使驱动电路9a、9b进行驱动。壳体温度测定电路16对半导体功率模块13动作时的壳体温度Tc进行测定。MCU 15将此时壳体温度测定电路16所测定出的第4壳体温度即壳体温度Tc作为测定值B2而存储于存储器14。
由此，在存储器14，作为半导体功率模块13的壳体温度而存储初始值A1、测定值A2、初始值B1、以及测定值B2。
MCU 15将在存储器14存储的初始值A1、测定值A2、初始值B1以及测定值B2、判定值读出，对半导体元件的特性劣化进行判定。
具体地说，如图5所示，MCU 15将初始值A1与测定值A2之差设为ΔA，将初始值B1与测定值B2之差设为ΔB。并且，MCU 15在ΔA与ΔB之差变为大于或等于判定值E时，判断为半导体元件的特性已经劣化。在这种情况下，MCU 15预测为半导体功率模块13的寿命变短，即半导体功率模块13的寿命将尽。
此外，也可以是MCU 15在任意的定时对初始值与测定值之差进行计算，还可以将MCU 15所计算出的初始值与测定值之差存储于存储器14。在这种情况下，MCU 15将初始值以及测定值、过去计算出的初始值与测定值之差从存储器14读出。
以上，说明了基于半导体功率模块13的壳体温度差而对半导体功率模块13的寿命进行预测的情况，但也可以基于除了壳体温度以外的特性的差值或者该特性的差值的推移而对半导体功率模块13的寿命进行预测。
＜效果＞
如上所述，根据本实施方式3，与实施方式1同样地，能够准确地预测半导体功率模块1的寿命。
此外，本发明能够在该发明的范围内对各实施方式自由地进行组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims (1)

1.一种半导体模块的寿命预测系统，其特征在于，具有：
半导体模块，其具有至少1个半导体元件以及存储器，该存储器对所述半导体元件动作时以及所述半导体元件未动作时各自的壳体温度、所述半导体元件的预先确定的特性劣化的判定值进行存储；以及
预测部，其对所述半导体模块的寿命进行预测；
所述预测部基于在所述存储器存储的各所述壳体温度以及所述判定值而对所述半导体模块的寿命进行预测，
所述存储器存储在第1定时所述半导体元件未动作时的第1壳体温度、在所述第1定时所述半导体元件动作时的第2壳体温度、在与所述第1定时不同的第2定时所述半导体元件未动作时的第3壳体温度、以及在所述第2定时所述半导体元件动作时的第4壳体温度，
所述预测部在所述第1壳体温度以及所述第2壳体温度之差与所述第3壳体温度以及所述第4壳体温度之差的差值变为大于或等于所述判定值时，判定为所述半导体元件的特性已经劣化，预测为所述半导体模块的寿命将尽，
所述半导体模块和所述预测部是分开设置的。
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