CN113939989B - 电力转换装置、半导体芯片的寿命诊断装置及半导体芯片的寿命诊断方法 - Google Patents

Abstract

电力转换装置(1)具有多个通过焊接而安装于结构部件的半导体芯片，电力转换装置(1)对包含至少1个由多个半导体芯片中的第1半导体芯片(IGBT(P))和第2半导体芯片(IGBT(P))彼此串联地电连接而构成的串联电路部的电桥电路的动作进行控制。电力转换装置(1)在实际搭载有第1以及第2半导体芯片(IGBT(P)、IGBT(N))的状态下对第1以及第2半导体芯片(IGBT(P)、IGBT(N))的电气特性进行测定，基于测定出的电气特性而对包含结构部件的散热构造的热阻进行计算。电力转换装置(1)通过将计算出的热阻与初始值进行比较，从而对第1以及第2半导体芯片(IGBT(P)、IGBT(N))的由劣化造成的异常或者寿命进行诊断。

Description

电力转换装置、半导体芯片的寿命诊断装置及半导体芯片的 寿命诊断方法

技术领域

本发明涉及进行搭载有电力转换用的半导体开关元件(以下，简称为“半导体元件”)的半导体芯片的寿命诊断的电力转换装置、半导体芯片的寿命诊断装置及半导体芯片的寿命诊断方法。

背景技术

在下述专利文献1中公开了如下技术，即，就安装有多个半导体芯片的电力转换装置而言，为了对诸如半导体芯片的热循环寿命以及功率循环寿命这样的寿命进行诊断，对电力转换装置的输出电流最大值的反复出现次数进行测量，将该测量值与预先确定的基准值进行比较。

专利文献1：日本特开2008-206217号公报

发明内容

但是，半导体芯片的寿命并非仅由电力转换装置的输出电流最大值的反复出现次数决定，也受到安装于电力转换装置的多个半导体芯片各自的温度变化程度等的影响。因此，在现有技术中，存在无法实现高精度的寿命诊断的问题。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到能够更高精度地进行半导体芯片的寿命诊断的电力转换装置。

为了解决上述课题，达成目的，本发明涉及的电力转换装置具有：安装部，其具有通过接合材料而安装于散热部件的第1半导体芯片和第2半导体芯片；以及控制部，其对包含由第1半导体芯片和第2半导体芯片彼此串联地电连接而构成的串联电路部的电桥电路的动作进行控制。控制部根据基于第1半导体芯片的电气特性而计算出的热阻，对第1半导体芯片的寿命进行诊断。

发明的效果

根据本发明涉及的电力转换装置，取得能够更准确地进行半导体芯片的寿命诊断的效果。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的电力转换装置的结构的框图。

图2是表示图1所示的逆变器电路的详细结构的电路图。

图3是示意性地示出通常的半导体芯片的散热构造的图。

图4是表示在图3所示的散热构造部的焊料层产生的龟裂的例子的图。

图5是表示用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的绝缘栅型双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT)的输出特性的例子的图。

图6是表示用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的IGBT 的温度特性的例子的图。

图7是用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的主要部分的电路图。

图8是用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的时序图。

图9是作为实施方式1中的寿命诊断方法的应用对象而示出的3 电平逆变器的1相的电路图。

图10是表示实施方式1涉及的寿命诊断方法的处理流程的流程图。

图11是用于对实施方式2中的寿命诊断方法进行说明的时序图。

图12是表示实施方式2涉及的寿命诊断方法的处理流程的流程图。

图13是表示用于对实施方式3中的寿命诊断方法进行说明的热阻的特性的例子的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式涉及的电力转换装置、半导体芯片的寿命诊断装置及半导体芯片的寿命诊断方法详细进行说明。此外，本发明不限定于以下的实施方式。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的电力转换装置1的结构的框图。电力转换装置1如图1所示具有整流电路10、逆变器电路11、平滑电容器13、控制部14和栅极驱动电路15。电力转换装置1是向负载即电动机3供给驱动电力即交流电力18的装置。

整流电路10对从交流电源2施加的交流电压进行整流而转换为直流电压。整流电路10的一个例子是具有全桥连接的6个二极管的全波整流电路。在整流电路10的输出端连接具有多个半导体芯片12的逆变器电路11。整流电路10与逆变器电路11通过高电位侧的直流母线 16和低电位侧的直流母线17而连接。在直流母线16与直流母线17之间配置平滑电容器13。直流母线16与直流母线17之间的电压被称为“母线电压”。平滑电容器13担负使母线电压平滑而使母线电压稳定化的任务。

逆变器电路11将由平滑电容器13平滑后的直流电压转换为交流电压而施加给电动机3。电动机3由从逆变器电路11供给的交流电力 18驱动。

控制部14具有处理器14a和存储器14b。处理器14a生成用于对逆变器电路11的半导体芯片12进行控制的驱动信号19。驱动信号19 的例子是脉宽调制(Pulse WidthModulation：PWM)信号。详情会在后面叙述，但由控制部14进行半导体芯片12的寿命诊断。在半导体芯片12的内部安装有半导体元件。半导体元件的一个例子是图示的 IGBT。半导体元件也可以具有反向并联连接的二极管。

栅极驱动电路15基于驱动信号19而产生驱动电压20。驱动电压 20是用于对逆变器电路11的半导体芯片12进行驱动的栅极驱动电压。

处理器14a也可以被称为微处理器、微机、微型计算机、CPU (Central ProcessingUnit)或者DSP(Digital Signal Processor)。

在存储器14b保存由处理器14a读取的程序、由处理器14a参照的参数、通过处理器14a的处理而得到的数据等。存储器14b也被用作由处理器14a进行运算处理时的作业区域。存储器14b通常是诸如 RAM(Random Access Memory)、闪存、EPROM(ErasableProgrammable ROM)、EEPROM(注册商标)(Electrically EPROM)这样的非易失性或者易失性的半导体存储器。

此外，在图1中将交流电源2设为三相电源，但不限定于此。交流电源2也可以是单相电源。在交流电源2是单相电源的情况下，整流电路10被设为与单相电源相匹配的结构。电动机3的一个例子是三相电动机。在电动机3是三相电动机的情况下，逆变器电路11也成为三相的电路结构。

图2是表示图1所示的逆变器电路11的详细结构的电路图。逆变器电路11如图2所示具有支路(leg)12A、支路12B以及支路12C。支路12A、支路12B以及支路12C在直流母线16与直流母线17之间彼此并联连接。支路12A是U相的上桥臂的半导体芯片12UP与下桥臂的半导体芯片12UN彼此串联地电连接的串联电路部。支路12B是 V相的上桥臂的半导体芯片12VP与下桥臂的半导体芯片12VN彼此串联地电连接的串联电路部。支路12C是W相的上桥臂的半导体芯片 12WP与下桥臂的半导体芯片12WN彼此串联地电连接的串联电路部。即，逆变器电路11是包含3个串联电路部即支路的电桥电路。

半导体芯片12UP具有栅极端子12a、第1端子12b以及第2端子 12c。栅极端子12a是与IGBT的栅极电极电连接的端子，是被施加用于对IGBT的导通进行控制的栅极电压的端子。第1端子12b是与IGBT 的源极电极电连接的端子，是在IGBT流过的电流流出侧的端子。第2 端子12c是与IGBT的漏极电极电连接的端子，是在IGBT流过的电流流入侧的端子。此外，在图2中，虽然省略了图示，但当然，其它半导体芯片12UN、12VP、12VN、12WP、12WN各自也具有栅极端子 12a、第1端子12b以及第2端子12c。

另外，在图1及图2中，将负载即电动机3设为三相电动机，但不限定于此。电动机3也可以是单相电动机。在电动机3是单相电动机的情况下，使用单相逆变器电路。单相逆变器电路是包含2个串联电路部即支路的电桥电路。

另外，在图1及图2中，将负载设为电动机，但不限定于此。负载也可以是可充电的蓄电池。在负载是蓄电池的情况下，取代逆变器电路11而使用DCDC(Direct Current toDirect Current)转换器。DCDC 转换器的最小结构是具有1个支路的半桥电路。

接下来，参照图3及图4，对进行寿命诊断的必要性进行说明。图3是示意性地示出通常的半导体芯片的散热构造的图。图4是表示在图3所示的散热构造部的焊料层产生的龟裂的例子的图。此外，在图4中，省略了在图3中由标号22示出的部位的图示。

在半导体芯片12是发热量大的电力用的半导体部件的情况下，半导体芯片12通常如图3所示是搭载于金属基座之上的构造。在图3所示的例子中，半导体芯片12搭载于绝缘基板21，通过焊接而固定至位于绝缘基板21表面的配线图案22。从半导体芯片12引出金属的导线 23，与绝缘基板21之上的其它配线图案24连接。搭载有半导体芯片 12的绝缘基板21搭载于金属基座25，通过焊接而固定至位于绝缘基板21背面的配线图案26。由此，半导体芯片12的散热构造成为经由位于绝缘基板21表面的焊料层27和位于绝缘基板21背面的焊料层28 而与金属基座25电连接的构造。在实施方式1中，绝缘基板21以及金属基座25是用于安装半导体芯片12的结构部件，也是用于对半导体芯片12的温度进行冷却的散热部件。此外，将半导体芯片12通过焊料层27而与散热部件接合的构造称为安装部。

如前所述，半导体芯片12通过焊接而被安装于诸如半导体芯片 12以及绝缘基板21这样的结构部件。因此，如果反复进行向半导体芯片12的通电，则由于在结构部件之间产生的热应力，可能在焊料层27 产生图4所示的龟裂29。如果产生龟裂29，则导热率下降，散热性能劣化。如果在散热性能发生了劣化的状态下持续使用半导体芯片12，则半导体芯片12的温度上升率变高，可能导致突发性的破损。为了防止半导体芯片12的突发性的破损，希望准确地进行半导体芯片12的寿命诊断。

此外，本实施方式中的半导体芯片的寿命诊断如上述这样，是指由于焊料等接合部的劣化而受到影响的半导体芯片的寿命诊断。

接下来，参照图5至图8的附图，对实施方式1中的寿命诊断的要点及其方法(以下，简称为“寿命诊断方法”)进行说明。图5是表示用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的IGBT的输出特性的例子的图。图6是表示用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的IGBT的温度特性的例子的图。图7是用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的主要部分的电路图。图8是用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的时序图。

首先，对前提条件进行说明。图5示出IGBT单体的输出特性。横轴是集电极-发射极间电压，纵轴将集电极电流由额定电流的％值示出。以下，将集电极-发射极间电压记作“VCE”，将集电极电流记作“IC”。如图示的这样，IGBT中的IC的大小根据施加于IGBT的发射极与栅极之间的栅极电压即VGE而发生变化。根据图5的特性可知， IC的大小能够通过VGE进行控制。另外，IC的上限值能够通过VGE 进行控制。

另外，就图5的输出特性而言，IC随着VCE的增加而增加的区域被称为“饱和区域”。与此相对，即使VCE增加，IC也饱和而基本上不增加的区域被称为“有源区域”。简言之，相对于VCE的变化而 IC没有饱和的区域是“饱和区域”，相对于VCE的变化而IC饱和的区域是“有源区域”。此外，详情会在后面叙述，但在实施方式1中，使用饱和区域和有源区域这两者进行寿命诊断。

另外，IGBT具有图6所示的温度特性。横轴是半导体芯片的温度。纵轴示出集电极-发射极间饱和电压以及栅极-发射极间阈值电压。以下，将半导体芯片的温度称为“芯片温度”。另外，将集电极-发射极间的饱和电压记作“VCE(sat)”，将栅极-发射极间的阈值电压记作“VGE (th)”。

在图6中，由实线表示的直线表示VCE(sat)，点划线的直线表示VGE(th)。如图示这样，VCE(sat)以及VGE(th)都是随着芯片温度的增加而减小的特性。如果将VCE(sat)的斜率由“m1”表示，将VGE(th)的斜率由“m2”表示，则通常的特性为m1的绝对值比 m2的绝对值小。虽然也根据IGBT的种类而不同，也存在由个体差异导致的波动，但如果示出一个例子，则为m1＝-2mV/℃、m2＝-8mV/℃的程度。

在图7中，作为用于对实施方式1中的寿命诊断方法进行说明的主要部分的结构而示出了逆变器电路11的1相的支路。在图7中，将上桥臂的IGBT记作“IGBT(P)”，将下桥臂的IGBT记作“IGBT (N)”。栅极驱动电路15具有驱动电路15b和可变电压的驱动电路电源15a。针对1个IGBT而设置一组驱动电路电源15a以及驱动电路 15b。驱动电路15b对IGBT施加栅极电压。栅极电压的大小能够通过驱动电路电源15a进行变更。此外，在图7中，将各个IGBT的物理量由字母进行标记，但各个标记的含义如下所述。

VGE(P)：施加于IGBT(P)的栅极电压

VGE(N)：施加于IGBT(N)的栅极电压

VCE(P)：在IGBT(P)的发射极与集电极之间产生的电压

VCE(N)：在IGBT(N)的发射极与集电极之间产生的电压

IC(P)：流过IGBT(P)的电流(集电极电流)

IC(N)：流过IGBT(N)的电流(集电极电流)

VPN：施加于IGBT(P)和IGBT(N)的串联电路部的直流电压

此外，在以下的说明中，设为VPN是对有效值220V的交流电压进行整流而得到的311V。

接下来，使用图8的时序图对具体的动作以及控制的流程进行说明。在图8中示出了对IGBT(P)的热阻进行计算的处理的流程。图8 所示的各处理是在实际搭载的状态下进行的。

(i)VCE(sat)1的测定

通过VGE(P1)使IGBT(P)接通，通过VGE(N1)使IGBT (N)接通。这里，在VGE(P1)与VGE(N1)之间存在VGE(P1) ＞VGE(N1)的关系。另外，VGE(P1)设为在VPN的电压下IC(P) 没有饱和的图5的饱和区域中能够使用的电压。如图5所示，IC能够由VGE进行控制。此外，通常，VGE(P1)为15V左右。另外，VGE (N1)设为可得到所期望的IC(N1)＝IC(P1)的电压。VGE(N1) 的一个例子是10V。另外，IC(N1)(＝IC(P1))的一个例子是额定电流的40％的值。控制部14对在IGBT(P)中流过IC(P1)时的IGBT (P)中的VCE(P)进行测定，将测定出的值设为VCE(sat)1。VCE (P)的测定是使用省略了图示的电压检测器而进行的。此外，通常，也可以使用在逆变器电路11中已经设置的电压检测器。在之后的说明中也同样如此。

测定出的VCE(sat)1的值被存储于控制部14的存储器14b。作为VCE(sat)1，设想的是2V左右，但不限定于此。此外，在VCE (sat)1为2V时，VCE(N1)即IGBT(N)的集电极-发射极间电压为309V。

(ii)功率施加

接下来，通过VGE(P2)使IGBT(P)接通，通过VGE(N2) 使IGBT(N)接通。此时，VGE(P2)与VGE(N2)之间存在VGE (P2)＜VGE(N2)的关系。另外，VGE(N2)设为在VPN的电压下IC没有饱和的图5的饱和区域中能够使用的电压。如图5所示，IC 能够由VGE进行控制。此外，通常，VGE(N2)为15V左右。另外， VGE(P2)设为可得到所期望的IC(P2)的电压。VGE(P2)的一个例子是9V。另外，IC(P2)(＝IC(N2))的一个例子是额定电流的 70％的值。另外，在该功率施加阶段，施加于IGBT(P)的电力通过 IC(P2)×VCE(P2)求出。

(iii)VCE(sat)2的测定

该测定阶段的意图是：在(ii)的阶段中对IGBT(P)施加电力而使电力得到消耗，然后，在与(i)的测定阶段相同的条件下对IGBT (P)中的VCE(P)进行测定。此外，测定的条件与(i)相同，这里省略说明。测定值设为VCE(sat)2。VCE(sat)2的值被存储于控制部14的存储器14b。此外，在IGBT的特性上，VCE(sat)1与VCE (sat)2之间存在VCE(sat)1＞VCE(sat)2的关系。

(iv)热阻(Rth)的计算

在该阶段中，使用下式计算IGBT(P)的热阻Rth。

Rth＝[(VCE(sat)2-VCE(sat)1)/m1]/(IC(P2)×VCE(P2))… (1)

此外，m1是前述的VCE(sat)曲线的斜率。

(v)诊断

在该诊断阶段中，通过上述(1)式而计算出的热阻被与初始值的热阻进行比较。控制部14在热阻的计算值变得大于第1设定值的情况下，诊断为IGBT(P)已达到寿命。另外，控制部14在热阻的计算值变得大于第2设定值的情况下，诊断为IGBT(P)处于异常等级。第2设定值是比第1设定值小的值。另外，控制部14基于第1设定值与热阻的计算值之间的差值而预测IGBT(P)的寿命。第1设定值与热阻的计算值之间的差值表示劣化的程度。因此，能够通过掌握差值的推移而实现寿命的预测。

此外，在上述(i)至(v)中，说明了对IGBT(P)的热阻进行计算而进行诊断的处理，但针对IGBT(N)，也能够通过相同的处理进行热阻的计算以及诊断。具体地说，只要将IGBT(P)与IGBT(N) 之间的关系调换而进行上述的处理即可。

另外，上述(i)至(v)的处理通常在马上要对负载即电动机3 进行驱动之前进行，但不限定于此。根据应用程序，也可以在电动机3 的运转过程中，在电动机3的驱动停止期间中进行。

另外，在逆变器电路11为三相逆变器电路的情况下，也可以一次性进行所有相即3相的诊断。或者，也可以一次进行1相的诊断，通过3次诊断而进行所有相的诊断。

另外，图2所示的逆变器电路11是对负载即电动机3施加的电压为2种电平的结构，但不限定于该结构。也能够用于对电动机3施加的电压为3种电平的逆变器电路。图9是作为实施方式1中的寿命诊断方法的应用对象而示出的3电平逆变器的1相的电路图。

在3电平的结构的情况下，1个支路成为4个半导体芯片12UP1、 12UP2、12UN1、12UN2串联地电连接的结构。因此，只要将1个支路划分为2个串联电路部12P、12N，对2个串联电路部12P、12N各自进行上述的(i)至(v)的处理即可。由此，能够进行2个串联电路部12P、12N中的各个半导体芯片的寿命诊断。

此外，如上所述，2个半导体芯片串联连接的串联电路部成为最小结构，但也可以对大于或等于3个半导体芯片串联连接的串联电路部进行上述的(i)至(v)的处理。例如，在将第1、第2以及第3半导体芯片串联连接的电路设为串联电路部的情况下，通过将第1半导体芯片设为IGBT(P)，将第2以及第3半导体芯片设为IGBT(N)，从而能够进行第1半导体芯片的寿命诊断。并且，通过将第1、第2以及第3半导体芯片的任务依次调换，从而能够进行第2以及第3半导体芯片的寿命诊断。

另外，上面，例示了半导体芯片12的半导体元件为IGBT的情况，但不限定于此。在半导体芯片12的半导体元件为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor： MOSFET)的情况下，也能够应用上述的方法。MOSFET与IGBT同样地，是通过施加于栅极端子的电压而进行控制的电压驱动元件，因此，通过设为考虑了MOSFET中的图5所示的输出特性以及图6所示的温度特性的控制，从而能够进行寿命诊断。

如以上所说明的那样，实施方式1涉及的电力转换装置在实际搭载有第1以及第2半导体芯片的状态下对彼此串联连接的第1以及第2 半导体芯片的电气特性之一即集电极-发射极间饱和电压进行测定。另外，基于测定出的集电极-发射极间饱和电压而对散热部件的热阻进行计算。并且，通过将计算出的热阻与初始值进行比较，从而对第1以及第2半导体芯片的由劣化造成的异常或者寿命进行诊断。即，实施方式1涉及的电力转换装置根据半导体元件的电气特性的变化而进行半导体芯片的异常诊断或者寿命诊断。由此，与现有技术相比，能够进行更高精度的异常诊断或者寿命诊断。

另外，以上述专利文献1为代表的现有技术是通过寿命曲线进行预测的方法，存在无法考虑到个体波动的缺点。在无法考虑到个体波动的情况下，考虑到风险而进行寿命缩短的方向的寿命诊断，因而，精度下降。另外，现有技术是通过1个条件进行寿命诊断的方法，存在无法考虑到由电力转换装置的使用方法造成的波动的缺点。与此相对，实施方式1中的寿命诊断是在实际搭载的状态下进行的，并且直接测定半导体芯片的电气特性。因此，能够涵盖个体波动以及由电力转换装置的使用方法造成的波动。由此，与现有技术相比，能够进行高精度的异常诊断或者寿命诊断。

此外，在存在多个包含彼此串联连接的第1以及第2半导体芯片的支路的情况下，只要变更对电气特性进行测定的支路，就能够变更异常诊断或者寿命诊断的对象。

另外，在判定为半导体芯片中的至少1个处于异常等级的情况下，优选减小对前述半导体芯片进行通断控制的PWM信号的频率。通过减小PWM信号的频率，从而能够防止电动机3的意外停止。或者，能够使运转中的电动机3安全地停止。

另外，优选在判定为半导体芯片中的至少1个处于异常等级或者已达到寿命的情况下输出警报。通过输出警报，从而能够向操作者或者管理者告知电力转换装置的状态。

另外，优选在判定为半导体芯片中的至少1个达到寿命的情况下停止对半导体芯片的控制。通过停止对半导体芯片的控制，从而能够防止电动机3的意外停止。或者，能够使运转中的电动机3安全地停止。或者，能够防止半导体芯片的故障波及其它部位。

接下来，对实施方式1涉及的寿命诊断方法中的更通常的处理流程进行说明。图10是表示实施方式1涉及的寿命诊断方法的处理流程的流程图。以下的各步骤的处理是在控制部14的控制下进行的。

在步骤S11中进行如下处理，即，对第1半导体芯片的栅极端子施加第1值的栅极电压，并且对第2半导体芯片的栅极端子施加第2 值的栅极电压，使第1电流值的电流流过串联电路部。

在上述的步骤S11的处理中，串联电路部意味着第1半导体芯片与第2半导体芯片彼此串联地电连接的电路部，就图7的结构而言， IGBT(P)以及IGBT(N)对应于此。第1值的栅极电压对应于图8 的时序图中的VGE(P1)。第2值的栅极电压对应于图8的时序图中的VGE(N1)。第1电流值对应于图8的时序图的VCE(sat)1的测定阶段中的IC(P1)、IC(N1)。

在步骤S12中，当在串联电路部流过了第1电流值的电流时，测定施加于第1半导体芯片的第1电压。即，第1电压是在第1半导体芯片的第1端子与第2端子之间产生的电压，是第1半导体芯片的电气特性。此外，有时将该电气特性称为“第1特性”。

在上述的步骤S12的处理中，第1电压对应于图8的时序图中的 VCE(sat)1。

在步骤S13中，在步骤S12之后进行如下处理，即，对第1半导体芯片的栅极端子施加第3值的栅极电压，并且对第2半导体芯片的栅极端子施加第4值的栅极电压，使第2电流值的电流流过串联电路部。

在上述的步骤S13的处理中，第3值的栅极电压对应于图8的时序图中的VGE(P2)。第4值的栅极电压对应于图8的时序图中的VGE (N2)。第2电流值对应于图8的时序图中的IC(P2)、IC(N2)。

在步骤S14中，在步骤S13之后进行如下处理，即，对第1半导体芯片的栅极端子施加第1值的栅极电压，并且对第2半导体芯片的栅极端子施加第2值的栅极电压，使第3电流值的电流流过串联电路部。

在上述的步骤S14的处理中，第1值的栅极电压是前述的VGE (P1)，第2值的栅极电压是前述的VGE(N1)。第3电流值对应于图8的时序图的VCE(sat)2测定阶段中的IC(P1)、IC(N1)。

在步骤S15中，当在串联电路部流过了第3电流值的电流时，测定在第1端子与第2端子之间产生的第2电压。此外，第2电压是第1 半导体芯片的电气特性，有时称为“第2特性”。

在上述的步骤S15的处理中，第2电压对应于图8的时序图中的 VCE(sat)2。

在步骤S16中，基于第1以及第2半导体芯片的温度特性、第1 电压的测定值、第2电压的测定值、第2电流值、以及在第2电流值流过第1半导体芯片时在第1半导体芯片的第1端子与第2端子之间产生的电压而计算第1半导体芯片的热阻。

在上述的步骤S16的处理中，第1以及第2半导体芯片的温度特性对应于图6中的IGBT的集电极-发射极间饱和电压。在第1半导体芯片的第1端子与第2端子之间产生的电压对应于图8的时序图中的VCE(P2)。

在步骤S17中，通过将在步骤S16中计算出的热阻与初始值进行比较，从而诊断第1以及第2半导体芯片的异常或者寿命。

如上所述，控制部14基于由在串联电路部流过第2电流值的电流引起的热阻的变化而进行第1以及第2半导体芯片的寿命诊断以及异常诊断。上述的步骤S11至步骤S17的处理以程序的形式实现，能够安装于控制部14。该程序如前所述，保存于存储器14b，由处理器14a 读取。并且，由该程序实现的处理在处理器14a的控制下执行，实现上述的寿命诊断以及异常诊断。

此外，控制部14的寿命诊断以及异常诊断的功能也可以与电力转换装置1的电力转换的功能分开地作为半导体芯片的寿命诊断装置而构成。半导体芯片的寿命诊断装置可以构成于电力转换装置1的内部，也可以在电力转换装置1的外部作为单独的装置而构成。

此外，在本实施方式中，以寿命诊断以及异常诊断为例进行了说明，但也可以将寿命的等级阶段性地设置有多个，将产生了异常的时间点设为第1阶段的寿命。通过对多个阶段的寿命进行诊断，从而用户能够适当地决定与寿命的等级对应的使用条件或者使用结束判断。

在本实施方式中，说明了以焊料作为接合材料的情况，但当然，还可以使用包含Ag、Cu等的其它接合材料。

实施方式2.

在实施方式1中，说明了第1以及第2半导体芯片的温度特性为 IGBT的集电极-发射极间饱和电压的情况。与此相对，在实施方式2 中，对第1以及第2半导体芯片的温度特性为IGBT的栅极-发射极间阈值电压的情况进行说明。

图11是用于对实施方式2中的寿命诊断方法进行说明的时序图。在图11中示出对IGBT(P)的热阻进行计算的处理的流程。此外，与图8同样地，图11所示的各处理是在实际搭载的状态下进行的。

(i)VGE(th)1的测定

通过VGE(N1)使IGBT(N)接通，并且，使施加于IGBT(P) 的VGE增加而使IC(P)流过IGBT(P)，对IC(P)成为IC(P1) 时的VGE(P)进行测定。此外，IC(P)是否成为设定值即IC(P1)的确认是使用省略了图示的电流检测器而进行的。此外，通常，也可以使用在逆变器电路11中设置的电流检测器。在之后的说明中也同样如此。此外，电流检测器在图7的电路图中也可以配置于高电位侧的直流母线16或者低电位侧的直流母线17。或者，也可以在图7的由IGBT(P)和IGBT(N)构成的支路中，配置于高电位侧的直流母线 16与IGBT(P)的集电极之间，或者配置于IGBT(P)的发射极与IGBT (P)处的驱动电路15b的低电位侧的连接点之间。或者，也可以配置于IGBT(P)处的驱动电路15b的低电位侧的连接点与IGBT(N)的集电极之间，或者配置于IGBT(N)的发射极与IGBT(N)处的驱动电路15b的低电位侧的连接点之间。或者，还可以配置于IGBT(N) 处的驱动电路15b的低电位侧的连接点与低电位侧的直流母线17之间。

控制部14将测定出的VGE(P)的值设为VGE(th)1。测定出的VGE(th)1的值被存储于控制部14的存储器14b。这里，如果将 IC(P)成为IC(P1)时的VGE(P)设为VGE(P1)，则VGE(P1) 与VGE(N1)之间存在VGE(P1)＜VGE(N1)的关系。VGE(N1) 设为在VPN的电压下IC(N)没有饱和的图5的饱和区域中能够使用的电压。通常，VGE(N1)为15V左右。IC(P1)是规定的电流，设想的是小于或等于1[A]的电流，但不限定于此。另外，VCE(N1)设想的是2V左右，但不限定于此。此外，在VCE(N1)为2V时，IGBT (P)的集电极-发射极间电压即VCE(P2)为309V。

(ii)功率施加

接下来，维持施加于IGBT(N)的栅极端子的VGE(N1)而使 IGBT(N)持续地接通，并且对IGBT(P)的栅极端子施加VGE(P2) 而在IGBT(P)流过IC(P2)(＝IC(N2))的电流。此时，VGE(P2) 与VGE(N1)之间存在VGE(P2)＜VGE(N1)的关系。VGE(P2) 设为可得到所期望的IC(P2)的电压。VGE(P2)的一个例子是9[V] 左右。另外，IC(P2)(＝IC(N2))是5～10A左右的范围的电流。在该功率施加期间，施加于IGBT(P)的电力通过IC(P2)×VCE(P2) 求出。此外，在图11中，例示了IC(P1)与IC(P2)之间存在IC(P1) ＜IC(P2)的关系的情况，但不限定于此，也可以是IC(P1)≥IC(P2) 的关系。即，IC(P1)与IC(P2)之间的大小关系不受限定。另外，在图11中，例示了VGE(P2)与在(i)的阶段中测定出的VGE(th) 1之间存在VGE(P2)＞VGE(th)1的关系的情况，但不限定于此，也可以是VGE(P2)≤VGE(th)1的关系。即，VGE(P2)与VGE(th)1之间的大小关系不受限定。

(iii)VGE(th)2的测定

该测定阶段的意图是：在(ii)的阶段中对IGBT(P)施加电力而使电力得到消耗，然后，在与(i)的测定阶段相同的条件下对IGBT (P)中的VGE(P)进行测定。此外，测定的条件与(i)相同，这里省略说明。测定值被设为VGE(th)2，VGE(th)2的值被存储于控制部14的存储器14b。此外，在IGBT的特性上，VGE(th)1与VGE (th)2之间存在VGE(th)1＞VGE(th)2的关系。另外，在图11 中，例示了VGE(P2)与在(i)的阶段中测定出的VGE(th)2之间存在VGE(P2)＞VGE(th)2的关系的情况，但不限定于此，也可以是VGE(P2)≤VGE(th)2的关系。即，VGE(P2)与VGE(th)2 之间的大小关系不受限定。

(iv)热阻(Rth)的计算

在该阶段中，使用下式计算IGBT(P)的热阻Rth。

Rth＝[(VGE(th)2-VGE(th)1)/m2]/(IC(P2)×VCE(P2))… (2)

此外，m2是前述的VGE(th)曲线的斜率。

(v)诊断

在该诊断阶段，通过上述(2)式计算出的热阻被与初始值的热阻进行比较。控制部14在热阻的计算值变得比第3设定值大的情况下，诊断为IGBT(P)已达到寿命。另外，控制部14在热阻的计算值变得比第4设定值大的情况下，诊断为IGBT(P)处于异常等级。第4设定值是比第3设定值小的值。另外，控制部14基于第3设定值与热阻的计算值之间的差值而预测IGBT(P)的寿命。此外，也可以取代第3 设定值而使用在实施方式1中使用的第1设定值。另外，也可以取代第4设定值而使用在实施方式1中使用的第2设定值。

此外，在上述(i)至(v)中，说明了对IGBT(P)的热阻进行计算而进行诊断的处理，但针对IGBT(N)，也能够通过相同的处理而进行热阻的计算以及诊断。具体地说，只要将IGBT(P)与IGBT(N) 之间的关系调换而进行上述的处理即可。

另外，上述(i)至(v)的处理通常在马上要对负载即电动机3 进行驱动之前进行，但不限定于此。根据应用程序，也可以在电动机3 的运转过程中，在电动机3的驱动停止期间中进行。

另外，在逆变器电路11是三相逆变器电路的情况下，也可以一次性进行所有相即3相的诊断。或者，也可以一次进行1相的诊断，通过3次诊断而进行所有相的诊断。

此外，实施方式2的方法与实施方式1同样地，也能够用于3电平的逆变器电路。另外，实施方式2的方法与实施方式1同样地，也能够应用于半导体芯片12的半导体元件为MOSFET的情况。

如以上所说明的那样，实施方式2涉及的电力转换装置在实际搭载有第1以及第2半导体芯片的状态下对第1以及第2半导体芯片的电气特性之一即栅极-发射极间阈值电压进行测定。另外，基于测定出的栅极-发射极间阈值电压而对包含结构部件的散热构造的热阻进行计算。并且，通过将计算出的热阻与初始值进行比较，从而对第1以及第2半导体芯片的由劣化造成的异常或者寿命进行诊断。即，实施方式2涉及的电力转换装置根据半导体元件的电气特性的变化而进行半导体芯片的异常诊断或者寿命诊断。由此，与现有技术相比，能够进行更高精度的异常诊断或者寿命诊断。

另外，实施方式2中的寿命诊断是在实际搭载的状态下进行的，并且直接测定半导体芯片的电气特性。因此，能够涵盖个体波动以及由电力转换装置的使用方法造成的波动。由此，与现有技术相比，能够进行高精度的异常诊断或者寿命诊断。

接下来，对实施方式2涉及的寿命诊断方法中的更通常的处理流程进行说明。图12是表示实施方式2涉及的寿命诊断方法的处理流程的流程图。以下的各步骤的处理在控制部14的控制下进行。

在步骤S21中进行如下处理，即，对第2半导体芯片的栅极端子施加用于使第2半导体芯片导通的第1值的栅极电压，并且使施加于第1半导体芯片的栅极端子的栅极电压增加，使电流流过串联电路部，对流过串联电路部的电流成为第1电流值时的向第1半导体芯片的栅极端子施加的第1电压进行测定。

在上述的步骤S21的处理中，串联电路部意味着第1半导体芯片和第2半导体芯片彼此串联地电连接的电路部，就图7的结构而言， IGBT(P)以及IGBT(N)对应于此。第1值的栅极电压对应于图11 的时序图中的VGE(N1)。第1电流值对应于图11的时序图的VGE (th)1的测定阶段中的IC(P1)。

在步骤S22中进行如下处理，即，在步骤S21之后，维持施加于第2半导体芯片的栅极端子的第1值的栅极电压，并且对第1半导体芯片的栅极端子施加第2值的栅极电压，使第2电流值的电流流过串联电路部。

在上述的步骤S22的处理中，第1值的栅极电压是前述的VGE (N1)，第2值的栅极电压对应于图11的时序图中的VGE(P2)。第2电流值对应于图11的时序图中的IC(P2)、IC(N2)。

在步骤S23中进行如下处理，即，在步骤S22之后，维持施加于第2半导体芯片的栅极端子的第1值的栅极电压，并且切断向第1半导体芯片的栅极端子的栅极电压的施加。

在上述的步骤S23的处理中，第1值的栅极电压是前述的VGE (N1)。

在步骤S24中，在步骤S23之后，维持施加于第2半导体芯片的栅极端子的第1值的栅极电压，并且使施加于第1半导体芯片的栅极端子的栅极电压增加而使电流流过串联电路部，测定在流过串联电路部的电流成为第1电流值时的施加于第1半导体芯片的栅极端子的第2 电压。

在上述的步骤S24的处理中，第1值的栅极电压是前述的VGE (N1)，第2值的栅极电压是前述的VGE(P2)。第1电流值是前述的IC(P1)。

在步骤S25中，基于第1以及第2半导体芯片的温度特性、第1 电压的测定值、第2电压的测定值、第2电流值、以及在第2电流值的电流流过第1半导体芯片时在第1半导体芯片的第1端子与第2端子之间产生的电压而计算第1半导体芯片的热阻。

在上述的步骤S25的处理中，第1以及第2半导体芯片的温度特性对应于图6中的IGBT的栅极-发射极间阈值电压。第1端子是第1 电流流出侧的端子，对应于图2的半导体芯片12UP的12b。第2端子是第1电流流入侧的端子，对应于图2的半导体芯片12UP的12c。在第1半导体芯片的第1端子与第2端子之间产生的电压对应于图11的时序图中的VCE(P2)。

在步骤S26中，通过将在步骤S25中计算出的热阻与初始值进行比较，从而诊断第1以及第2半导体芯片的异常或者寿命。

上述的步骤S21至步骤S26的处理以程序的形式实现，能够安装于控制部14。该程序如前所述保存于存储器14b，由处理器14a读取。并且，由该程序实现的处理在处理器14a的控制下执行，实现上述的寿命诊断以及异常诊断。

实施方式3.

图13是表示用于对实施方式3中的寿命诊断方法进行说明的热阻的特性的例子的图。具体地说，在图13中示出了图3所示的散热构造的热阻特性的例子。横轴是时间，纵轴示出图3所示的散热构造部中的包含金属基座的部位的热阻。热阻是表示温度的传输难易度的物理量。作为热阻的单位，通常使用“℃/W”。图13所示的热阻示出在图 3所示的散热构造部处，半导体芯片12消耗了1W的电力时的温度差。这里所说的温度差是半导体芯片12的温度与周围温度的差值。

在图3的散热构造中，由半导体芯片12产生的热随着时间而逐渐传导。因此，热阻的值如图13所示成为时间的函数。根据图13的例子，成为在大约0.3s之前随时间增加，在0.3s及之后平坦的特性。图 13中的平坦的特性部分可认为是在图3的散热构造中，由半导体芯片 12产生的热的影响越过位于绝缘基板21背面的焊料层28而到达了金属基座25。另一方面，在图13中，线性地增加的特性部分可认为是由半导体芯片12产生的热的影响还未到达焊料层28。如果考虑到这些特性，则通过对图8及图11所示的功率施加阶段中的施加时间(以下，称为“功率施加时间”)进行控制，从而能够变更对半导体芯片12的寿命造成影响的散热部件的构造上的诊断部位。

基于以上内容，在实施方式3涉及的寿命诊断中，对使半导体芯片12进行电力消耗的功率施加时间进行控制。具体地说，在图10的流程图中，使步骤S13中的功率施加时间比第1时间短。如果是图12 的流程图，则使步骤S22中的功率施加时间比第1时间短。换言之，在经过第1时间之前停止功率施加。通过使功率施加时间比第1时间短，从而能够对位于绝缘基板21表面的焊料层27的龟裂进行诊断。此外，在图13所示的热阻的例子的情况下，作为第1时间而设定为0.03s 左右。

另外，在图10的流程图中，使步骤S13中的功率施加时间比第2 时间长。在图12的流程图中，使步骤S22中的功率施加时间比第2时间长。换言之，在经过了第2时间之后停止功率施加。第2时间是比第1时间长的时间。在图13所示的热阻的例子的情况下，作为第2时间而设定为0.4s左右。

使功率施加时间比第2时间长的第2诊断处理与使功率施加时间比第1时间短的第1诊断处理一起使用。能够根据由第1诊断处理得到的第1诊断结果而对位于绝缘基板21表面的焊料层27的状态进行诊断。另外，能够基于该第1诊断结果和由第2诊断处理得到的第2诊断结果而对位于绝缘基板21背面的焊料层28的状态进行诊断。

如以上所说明的那样，在实施方式3涉及的寿命诊断中，对使半导体芯片进行电力消耗的功率施加时间进行控制。由此，能够实现散热构造中的构造上的诊断部位的变更，该散热构造包含对半导体芯片进行安装的结构部件。

此外，以上的实施方式所示的结构表示的是本发明的内容的一个例子，也能够与其它的公知技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围也能够省略、变更结构的一部分。

标号的说明

1电力转换装置，2交流电源，3电动机，10整流电路，11逆变器电路，12、12UN、12UN1、12UN2、12UP、12UP1、12UP2、12VN、 12VP、12WN、12WP半导体芯片，12A、12B、12C支路，12N、12P 串联电路部，12a栅极端子，12b第1端子，12c第2端子，13平滑电容器，14控制部，14a处理器，14b存储器，15栅极驱动电路， 15a驱动电路电源，15b驱动电路，16、17直流母线，18交流电力， 19驱动信号，20驱动电压，21绝缘基板，22、24、26配线图案， 23导线，25金属基座，27、28焊料层，29龟裂。

Claims (11)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具有：

安装部，其具有通过接合材料而安装于散热部件的第1半导体芯片和第2半导体芯片；以及

控制部，其对包含由所述第1半导体芯片和所述第2半导体芯片彼此串联地电连接而构成的串联电路部的电桥电路的动作进行控制，

所述控制部根据基于所述第1半导体芯片的电气特性而计算出的热阻，对所述第1半导体芯片的寿命进行诊断，

所述电气特性是第1特性以及第2特性，该第1特性是使第1电流值的电流流过所述串联电路部，对所述第1电流值的电流流过所述串联电路部时的所述第1半导体芯片的电气特性进行测定而得到的，该第2特性是在所述第1特性的测定之后，使第2电流值的电流流过所述串联电路部，然后，使第3电流值的电流流过所述串联电路部，对所述第3电流值的电流流过所述串联电路部时的所述第1半导体芯片的电气特性进行测定而得到的，

通过对流过所述第2电流值的电流的时间进行控制，从而变更对所述第1半导体芯片的寿命造成影响的所述散热部件的构造上的诊断部位。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述电气特性是在所述第1电流值的电流以及所述第3电流值的电流流过所述串联电路部时在所述第1半导体芯片产生的电压。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述电气特性是在所述串联电路部流过的电流成为所述第1电流值以及所述第3电流值时的对所述第1半导体芯片的栅极端子施加的栅极电压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，

所述电桥电路是具有3个支路的三相逆变器电路。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，

在判定为所述第1半导体芯片的寿命处于异常等级的情况下，进一步减小对所述第1半导体芯片进行控制的脉宽调制信号的频率。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，

在判定为所述第1半导体芯片已达到寿命的情况下，停止对所述第1半导体芯片的控制。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，

在判定为所述第1半导体芯片处于异常等级或者已达到寿命的情况下，输出警报。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，

根据所述第1半导体芯片的劣化的推移而预测所述第1半导体芯片的寿命。

9.一种半导体芯片的寿命诊断装置，其针对包含至少1个由通过接合材料而安装于散热部件的第1半导体芯片和第2半导体芯片彼此串联地电连接而构成的串联电路部的电桥电路，在所述第1以及第2半导体芯片电连接的状态下，对所述第1半导体芯片的寿命进行诊断，

所述半导体芯片的寿命诊断装置的特征在于，

使第1电流值的电流流过所述串联电路部，对所述第1电流值的电流流过所述串联电路部时的所述第1半导体芯片的电气特性即第1特性进行测定，在所述第1特性的测定之后，使第2电流值的电流流过所述串联电路部，然后，使第3电流值的电流流过所述串联电路部，对所述第3电流值的电流流过所述串联电路部时的所述第1半导体芯片的电气特性即第2特性进行测定，基于所述第1特性和所述第2特性而对所述第1半导体芯片的热阻进行计算，通过将计算出的所述热阻与初始值进行比较，从而对所述第1半导体芯片的异常或者寿命进行诊断，

通过对流过所述第2电流值的电流的时间进行控制，从而变更对所述第1半导体芯片的寿命造成影响的所述散热部件的构造上的诊断部位。

10.一种半导体芯片的寿命诊断方法，其被应用于包含至少1个由通过接合材料而安装于散热部件的第1半导体芯片和第2半导体芯片彼此串联地电连接而构成的串联电路部的电桥电路，在所述第1以及第2半导体芯片电连接的状态下，对所述第1半导体芯片的寿命进行诊断，

所述半导体芯片的寿命诊断方法包含：

第1步骤，使第1电流值的电流流过所述串联电路部；

第2步骤，对所述第1电流值的电流流过所述串联电路部时的所述第1半导体芯片的电气特性进行测定；

第3步骤，在所述第2步骤之后，使第2电流值的电流流过所述串联电路部；

第4步骤，在所述第3步骤之后，使第3电流值的电流流过所述串联电路部；

第5步骤，对所述第3电流值的电流流过所述串联电路部时的所述第1半导体芯片的电气特性进行测定；

第6步骤，基于在所述第2步骤中测定出的所述第1半导体芯片的电气特性和在所述第5步骤中测定出的所述第1半导体芯片的电气特性而对所述第1半导体芯片的热阻进行计算；以及

第7步骤，通过将在所述第6步骤中计算出的所述热阻与初始值进行比较，从而对所述第1半导体芯片的异常或者寿命进行诊断，

所述第3步骤中包含如下处理，即，通过对所述第2电流值的电流流过所述串联电路部的时间进行控制，从而变更对所述第1半导体芯片的寿命造成影响的所述散热部件的构造上的诊断部位。

11.根据权利要求10所述的半导体芯片的寿命诊断方法，其特征在于，

所述第2电流值比所述第1电流值以及所述第3电流值大。

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