DE112021007821T5

DE112021007821T5 - Lebensdauerdiagnosevorrichtung und leistungswandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021007821T5
Application number: DE112021007821.6T
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Wada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2024-03-28
Also published as: JPWO2022264270A1; US20240255565A1; WO2022264270A1; CN117501136A

Abstract

Eine Lebensdauerdiagnosevorrichtung (1) beinhaltet einen Vce-Verstärker (12), einen Vee-Verstärker (13) und eine Lebensdauerdiagnoseeinheit (21). Der Vce-Verstärker (12) misst eine Spannung (Vce) zwischen einem Kollektorhauptanschluss (6), der mit einer Kollektorelektrode eines Halbleiterelements (5) verbunden ist, das auf einer Halbleitervorrichtung (2) montiert ist, und einem Emitterhauptanschluss (8), der mit einer Emitterelektrode des Halbleiterelements (5) verbunden ist. Der Vee-Verstärker (13) misst eine Spannung Vee zwischen dem Emitterhauptanschluss (8) und einem Emitterreferenzanschluss (9), der mit der Emitterelektrode verbunden ist. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit (21) diagnostiziert eine Lebensdauer der Halbleitervorrichtung (2) unter Verwendung eines Korrelationswerts zwischen einer zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und einer zeitlichen Veränderung der Spannung Vee.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Lebensdauerdiagnosevorrichtung und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung für eine Halbleitervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2010-81796 (PTL 1) offenbart eine Technik zum Diagnostizieren einer Abnutzung eines verbundenen Abschnitts zwischen einer Elektrode eines Halbleiterelements im Inneren eines Halbleitermoduls, das für eine Halbleitervorrichtung verwendet wird, und einem Anschluss des Halbleitermoduls. Bei der Technik wird eine Spannung zwischen einer Vielzahl von Anschlüssen des Halbleitermoduls gemessen, um einen Abnutzungsgrad des verbundenen Abschnitts anhand eines Vergleichsergebnisses zwischen einer zeitlichen Veränderung der gemessenen Spannung und einem vorbestimmten Diagnosekriterium zu schätzen und um eine verbleibende Lebensdauer der Halbleitervorrichtung vorherzusagen.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
PATENTLITERATUR
PTL 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2010-81796
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Im Allgemeinen gibt es sogar dann, wenn Spezifikationen einer Vielzahl von Halbleitermodulen gleich sind, einen individuellen Unterschied bei Eigenschaften der Vielzahl von Halbleitermodulen. Daher besteht bei der in PTL 1 offenbarten Technik, wenn eine zeitliche Spannungsveränderung gemäß einer Eigenschaft eines bestimmten Halbleitermoduls als Diagnosekriterium verwendet wird, eine Möglichkeit, dass eine verbleibende Lebensdauer einer Halbleitervorrichtung, die ein anderes Halbleitermodul verwendet, falsch diagnostiziert wird. Das heißt, bei der in PTL 1 offenbarten Technik sind individuelle Unterschiede bei den Eigenschaften der Halbleitermodule nicht ausgeschlossen und ist somit eine Diagnosegenauigkeit der verbleibenden Lebensdauer gering.
Die vorliegende Offenbarung wurde erstellt, um das vorstehende Problem zu lösen, und eine Aufgabe davon besteht darin, eine Lebensdauerdiagnosevorrichtung und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung bereitzustellen, die imstande sind, eine verbleibende Lebensdauer einer Halbleitervorrichtung genau zu diagnostizieren.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Lebensdauerdiagnosevorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung diagnostiziert eine Lebensdauer einer Halbleitervorrichtung. Die Lebensdauerdiagnosevorrichtung beinhaltet ein erstes Spannungsmessinstrument, ein zweites Spannungsmessinstrument und eine Diagnoseeinheit. Das erste Spannungsmessinstrument misst eine erste Spannung zwischen einem ersten Anschluss, der mit einer ersten Elektrode eines Halbleiterelements verbunden ist, das auf der Halbleitervorrichtung montiert ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einer zweiten Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist. Das zweite Spannungsmessinstrument misst eine zweite Spannung zwischen einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss, der mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit diagnostiziert die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines Korrelationswerts zwischen einer zeitlichen Veränderung der ersten Spannung und einer zeitlichen Veränderung der zweiten Spannung.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegender Offenbarung wird der Korrelationswert zwischen der zeitlichen Veränderung der ersten Spannung und der zeitlichen Veränderung der zweiten Spannung zur Lebensdauerdiagnose verwendet. Die zeitliche Veränderung der ersten Spannung und die zeitliche Veränderung der zweiten Spannung variieren bei einzelnen Halbleitermodulen, die jeweils das Halbleiterelement, den ersten Anschluss, den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss beinhalten. Jedoch ist die Schwankung einer zeitlichen Veränderung des Korrelationswerts bei den einzelnen Halbleitermodulen gering. Daher ist es möglich, die Lebensdauerdiagnose mit hoher Genauigkeit durchzuführen, bei welcher der Einfluss eines individuellen Unterschieds der Halbleitermodule aufgehoben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Lebensdauerdiagnosevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine innere Struktur eines Halbleitermoduls veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Fortschrittsgrad der Abnutzung (Lebensdauerverbrauchsrate) eines Halbleitermoduls 30A und zeitlichen Veränderungen von Spannungen Vce, Vee veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Fortschrittsgrad der Abnutzung (Lebensdauerverbrauchsrate) eines Halbleitermoduls 30B und zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce, Vee veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, das einen Einfluss von leichten Schwankungen bei den Werten der Spannungen Vce, Vee veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Veränderung eines Korrelationswerts „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ veranschaulicht, der bei einem zweiten Beispiel für eine Lebensdauerdiagnose berechnet wird.
9 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in dem Halbleitermodul 30A veranschaulicht, wenn Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 30 % als Referenzwerte verwendet werden.
10 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B veranschaulicht, wenn Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 30 % als die Referenzwerte verwendet werden.
11 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A veranschaulicht, wenn Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 40 % als die Referenzwerte verwendet werden.
12 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B veranschaulicht, wenn Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 40 % als die Referenzwerte verwendet werden.
13 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A veranschaulicht, wenn Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 50 % als die Referenzwerte verwendet werden.
14 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B veranschaulicht, wenn Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 50 % als die Referenzwerte verwendet werden.
15 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A veranschaulicht, wenn Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 60 % als die Referenzwerte verwendet werden.
16 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B veranschaulicht, wenn Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 60 % als die Referenzwerte verwendet werden.
17 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Lebensdauerdiagnosevorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
18 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, auf das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewandt wird.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es ist zu beachten, dass in den Figuren die gleichen oder entsprechende Einheiten und Abschnitte mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und deren Beschreibung nicht wiederholt wird. In den folgenden Figuren kann eine Beziehung zwischen Größen von Komponenten von einer tatsächlichen Beziehung abweichen.
Erste Ausführungsform
(Gesamtkonfiguration der Lebensdauerdiagnosevorrichtung)
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Lebensdauerdiagnosevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Eine Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 ist mit einer Halbleitervorrichtung 2 verbunden und diagnostiziert eine Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2. Insbesondere diagnostiziert die Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2, indem ein Abnutzungszustand eines elektrischen Verbindungspunkts in einem Halbleitermodul 30 im Inneren der Halbleitervorrichtung 2 diagnostiziert wird.
Das Halbleitermodul 30 beinhaltet ein Halbleiterelement 5. Das Halbleiterelement 5 ist zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein anderes Halbleiterelement. Nachfolgend wird das Halbleiterelement 5, bei dem es sich um einen IGBT handelt, beschrieben. Das Halbleiterelement 5 weist eine Kollektorelektrode, eine Emitterelektrode und eine Gateelektrode auf. Das Halbleitermodul 30 weist einen Kollektorhauptanschluss 6, einen Gateanschluss 7, einen Emitterhauptanschluss 8 und einen Emitterreferenzanschluss 9 als Anschlüsse auf, die mit Elektroden des Halbleiterelements 5 verbunden sind. Der Kollektorhauptanschluss 6 ist mit einer Kollektorelektrode des Halbleiterelements 5 über einen kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10, wie etwa einen Metalldraht, ein Metallband oder eine Metallplatte, verbunden. Der Emitterhauptanschluss 8 ist mit einer Emitterelektrode des Halbleiterelements 5 über einen emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11, wie etwa einen Metalldraht, ein Metallband oder eine Metallplatte, verbunden. Der Gateanschluss 7 ist mit einem Gateanschluss des Halbleiterelements 5 verbunden. Der Emitterreferenzanschluss 9 ist mit der Emitterelektrode des Halbleiterelements 5 verbunden.
Das Halbleiterelement 5 wird derart angesteuert, dass es sich entweder in einem EIN-Zustand, in dem ein großer Strom von dem Kollektorhauptanschluss 6 zu dem Emitterhauptanschluss 8 fließt, oder einem AUS-Zustand, in dem kein Strom von dem Kollektorhauptanschluss 6 zu dem Emitterhauptanschluss 8 fließt, befindet. Der EIN-Zustand und der AUS-Zustand werden in Abhängigkeit davon geschaltet, ob eine positive oder negative Spannung zwischen dem Gateanschluss 7 und dem Emitterreferenzanschluss 9 angelegt ist oder nicht. Es ist zu beachten, dass kein großer Strom zwischen dem Gateanschluss 7 und dem Emitterreferenzanschluss 9 fließt.
Bei dem Halbleiterelement 5 wird der große Strom intermittierend von dem Kollektorhauptanschluss 6 zu dem Emitterhauptanschluss 8 angelegt. Daher ist es wahrscheinlich, dass eine Abnutzung in dem kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 und dem emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 auftritt. Dahingegen tritt, da kein großer Strom durch den Gateanschluss 7 und den Emitterreferenzanschluss 9 fließt, kaum Abnutzung in diesen Verbindungsabschnitten auf. Daher werden die Lebensdauern des kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitts 10 und des emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitts 11 als Diagnoseziele ausgewählt.
Wie in 1 veranschaulicht, beinhaltet die Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 eine Diagnoseverarbeitungseinheit 3 und eine Anzeigeeinheit 4. Die Diagnoseverarbeitungseinheit 3 diagnostiziert Abnutzungszustände des kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitts 10 und des emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitts 11, um die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 zu diagnostizieren. Die Diagnoseverarbeitungseinheit 3 zeigt ein Diagnoseergebnis auf der Anzeigeeinheit 4 an. Die Anzeigeeinheit 4 ist zum Beispiel eine Flüssigkristallanzeige. Die Anzeigeeinheit 4 kann außerhalb der Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 vorhanden sein.
Die Diagnoseverarbeitungseinheit 3 ist zum Beispiel aus Software, die auf einer arithmetischen Vorrichtung, wie etwa einem Mikrocomputer oder einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) ausgeführt wird, Hardware, wie etwa einer Schaltungsvorrichtung zum Umsetzen verschiedener Funktionen, und dergleichen konfiguriert.
Die Diagnoseverarbeitungseinheit 3 ist aus einem Vce-Verstärker 12, einem Vee-Verstärker 13, Referenzwertspeichereinheiten 14, 15, Extraktionseinheiten 16, 17 für zeitliche Veränderungen, einer Korrelationswertberechnungseinheit 18, einer Speichereinheit 19, einer Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen und einer Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 konfiguriert.
Der Vce-Verstärker 12 misst eine Spannung zwischen dem Kollektorhauptanschluss 6 und dem Emitterhauptanschluss 8 und verstärkt ein Messergebnis auf eine Spannung Vce, die zur Nachverarbeitung geeignet ist. Der Vce-Verstärker 12 gibt die Spannung Vce an die Extraktionseinheit 16 für zeitliche Veränderungen aus.
Der Vee-Verstärker 13 misst eine Spannung zwischen dem Emitterreferenzanschluss 9 und dem Emitterhauptanschluss 8 und verstärkt ein Messergebnis auf eine Spannung Vee, die zur Nachverarbeitung geeignet ist. Der Vee-Verstärker 13 gibt die Spannung Vee an die Extraktionseinheit 17 für zeitliche Veränderungen aus.
Die Referenzwertspeichereinheit 14 speichert einen ersten Referenzwert, der ein Wert der Spannung Vce ist, der vor Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 gemessen wird (das heißt, in einem nicht verwendeten Zustand). Der erste Referenzwert wird gemessen, wenn sich das Halbleitermodul 30 in dem EIN-Zustand befindet.
Die Referenzwertspeichereinheit 15 speichert einen zweiten Referenzwert, der ein Wert der Spannung Vee ist, der vor dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 gemessen wird (das heißt, in dem nicht verwendeten Zustand). Der zweite Referenzwert wird gemessen, wenn sich das Halbleitermodul 30 in dem EIN-Zustand befindet.
Der erste Referenzwert und der zweite Referenzwert sind vorzugsweise repräsentative Werte von Werten, die wiederholt in einer Umgebung gemessen werden, die zum Messen der Spannungen Vce, Vee geeignet ist.
Die Extraktionseinheit 16 für zeitliche Veränderungen vergleicht die von dem Vce-Verstärker 12 ausgegebene Spannung Vce mit dem ersten Referenzwert, der in der Referenzwertspeichereinheit 14 gespeichert ist, um eine zeitliche Veränderung der Spannung Vce gemäß einer verstrichenen Zeit ab einem Zeitpunkt, zu dem der erste Referenzwert gemessen wird, zu extrahieren. Konkret berechnet die Extraktionseinheit 16 für zeitliche Veränderungen einen Wert, der die zeitliche Veränderung der Spannung Vce angibt (nachfolgend als „Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung“ bezeichnet). Der Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung ist zum Beispiel eine Differenz zwischen einem Wert der Spannung Vce, der von dem Vce-Verstärker 12 ausgegeben wird, und dem ersten Referenzwert, eine Vergrößerung des Werts der Spannung Vce, der von dem Vce-Verstärker 12 ausgegeben wird, in Bezug auf den ersten Referenzwert, ein Wert, der durch Subtrahieren einer ersten Konstante von der Vergrößerung erhalten wird, oder dergleichen. Die erste Konstante ist zum Beispiel 1.
Die Extraktionseinheit 17 für zeitliche Veränderungen vergleicht die von dem Vee-Verstärker 13 ausgegebene Spannung Vee mit dem zweiten Referenzwert, der in der Referenzwertspeichereinheit 15 gespeichert ist, um eine zeitliche Veränderung der Spannung Vee gemäß einer verstrichenen Zeit ab einem Zeitpunkt, zu dem der zweite Referenzwert gemessen wird, zu extrahieren. Konkret berechnet die Extraktionseinheit 17 für zeitliche Veränderungen einen Wert, der die zeitliche Veränderung der Spannung Vee angibt (nachfolgend als „Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung“ bezeichnet). Der Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung ist zum Beispiel eine Differenz zwischen einem Wert der Spannung Vee, der von dem Vee-Verstärker 13 ausgegeben wird, und dem zweiten Referenzwert, eine Vergrößerung des Werts der Spannung Vee, der von dem Vee-Verstärker 13 ausgegeben wird, in Bezug auf den zweiten Referenzwert, ein Wert, der durch Subtrahieren einer zweiten Konstante von der Vergrößerung erhalten wird, oder dergleichen. Die zweite Konstante ist zum Beispiel 1.
Die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechnet einen Korrelationswert zwischen der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee. Konkret berechnet die Korrelationswertberechnungseinheit 18 einen Korrelationswert zwischen dem Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung, der durch die Extraktionseinheit 16 für zeitliche Veränderungen berechnet wird, und dem Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung, der durch die Extraktionseinheit 17 für zeitliche Veränderungen berechnet wird. Der Korrelationswert ist zum Beispiel eine Differenz zwischen dem Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung und dem Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung, ein Verhältnis, das durch Dividieren des Betrags ΔVee der zeitlichen Veränderung durch den Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung erhalten wird, oder dergleichen. Die Korrelationswertberechnungseinheit 18 speichert den berechneten Korrelationswert in der Speichereinheit 19.
Die Speichereinheit 19 speichert den Korrelationswert, der durch die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechnet wird, im Zusammenhang mit Zeitinformationen.
Die Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen berechnet einen Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung, der eine zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt, indem der Korrelationswert, der durch die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechnet wird, und ein vergangener Korrelationswert, der in der Speichereinheit 19 gespeichert ist, verwendet werden. Der Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung ist zum Beispiel ein Absolutwert des durch die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechneten Korrelationswerts oder eine Differenz zwischen dem durch die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechneten Korrelationswert und dem in der Speichereinheit 19 gespeicherten vergangenen Korrelationswert. Der vergangene Korrelationswert ist zum Beispiel ein letzter Korrelationswert unter den in der Speichereinheit 19 gespeicherten Korrelationswerten, ein Korrelationswert zu einem Zeitpunkt, der um einen vorbestimmten Zeitraum vor einem aktuellen Zeitpunkt unter den in der Speichereinheit 19 gespeicherten Korrelationswerten liegt, oder dergleichen. Alternativ kann der Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung ein Wert sein, der durch Dividieren der Differenz zwischen dem durch die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechneten Korrelationswert und dem in der Speichereinheit 19 gespeicherten vergangenen Korrelationswert durch eine verstrichene Zeit erhalten wird (das heißt, ein Differenzenkoeffizient erster Ordnung nach der Zeit). Die verstrichene Zeit ist eine Zeit von einem Zeitpunkt, der durch die Zeitinformationen angegeben wird, die dem vergangenen Korrelationswert entsprechen, bis zu dem aktuellen Zeitpunkt. Der Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung kann ein Wert sein, der durch weiteres Dividieren des Werts durch die verstrichene Zeit erhalten wird, wobei der Wert durch Dividieren der Differenz zwischen dem durch die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechneten Korrelationswert und dem in der Speichereinheit 19 gespeicherten vergangenen Korrelationswert durch die verstrichene Zeit erhalten wird (das heißt, ein Differenzenkoeffizient zweiter Ordnung nach der Zeit).
Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 diagnostiziert die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 auf Grundlage des Betrags ΔCor der zeitlichen Veränderung, der durch die Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen berechnet wird. Konkret diagnostiziert die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 die Lebensdauern des kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitts 10 und des emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitts 11 auf Grundlage des Betrags ΔCor der zeitlichen Veränderung. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 zeigt Informationen, die das Diagnoseergebnis angeben (nachfolgend als „Lebensdauerinformationen“ bezeichnet), auf der Anzeigeeinheit 4 an. Folglich kann ein Benutzer der Halbleitervorrichtung 2 eine Wartung der Halbleitervorrichtung 2 zu einem geeigneten Zeitpunkt durchführen, indem er die Lebensdauerinformationen prüft.
(Innere Struktur des Halbleitermoduls)
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine innere Struktur des Halbleitermoduls veranschaulicht. Wie in 2 veranschaulicht, beinhaltet das Halbleitermodul 30 ein Halbleiterelement 5. Das Halbleiterelement 5 wird im Allgemeinen durch Durchführen einer Elektrodenverarbeitung an einem flachen plattenförmigen Halbleiter erhalten. In dem in 2 veranschaulichten Beispiel beinhaltet das Halbleiterelement 5 eine Kollektorelektrode 5a, die auf einer unteren Fläche eines Halbleiters ausgebildet ist, und eine Emitterelektrode 5b, die auf einer oberen Fläche des Halbleiters ausgebildet ist.
Die Kollektorelektrode 5a ist mit einer Metallplatte 22 verbunden. Die Metallplatte 22 ist über den kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 mit dem Kollektorhauptanschluss 6 verbunden. In dem Beispiel aus 2 wird ein Bonddraht als kollektorseitiger Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 verwendet. Aluminium, Kupfer oder eine andere Legierung wird als Material des Bonddrahts verwendet. Der Bonddraht wird an einen Anschluss oder eine Elektrode gebondet, indem er durch Anwenden von Ultraschallwellen gequetscht wird.
Die Emitterelektrode 5b ist mit dem Emitterhauptanschluss 8 über den emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 verbunden. In dem Beispiel aus 2 wird ein Bonddraht als emitterseitiger Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 verwendet. Ferner ist die Emitterelektrode 5b mit dem Emitterreferenzanschluss 9 über einen Verbindungsabschnitt 23 verbunden. Ein Bonddraht wird als Verbindungsabschnitt 23 verwendet.
In 2 fließt ein großer Strom in einem Pfad 24 des Stroms, der von dem Kollektorhauptanschluss 6 zu dem Emitterhauptanschluss 8 fließt. Dahingegen fließt kein großer Strom durch den Verbindungsabschnitt 23, der den Emitterreferenzanschluss 9 und die Emitterelektrode 5b verbindet.
Durch abwechselndes Umschalten zwischen dem EIN-Zustand und dem AUS-Zustand in dem Halbleitermodul 30 werden ein Zustand, in dem ein großer Strom durch den Pfad 24 fließt, und ein Zustand, in dem kein Strom durch den Pfad 24 fließt, wiederholt. Folglich schwankt ein Wärmewert des Halbleiterelements 5 stark und steigt oder fällt eine Temperatur des Halbleiterelements 5. Folglich wird aufgrund eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem mit dem Halbleiterelement 5 verbundenen Metall und dem Halbleiterelement 5 wiederholt Dehnung zwischen dem Halbleiterelement 5 und dem Metall ausgeübt und ist es wahrscheinlich, dass sich ein verbundener Abschnitt zwischen dem Halbleiterelement 5 und dem Metall abnutzt.
In dem in 2 veranschaulichten Beispiel ist die Kollektorelektrode 5a über die Metallplatte 22 mit dem kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 verbunden. Eine Kontaktfläche zwischen der Kollektorelektrode 5a und der Metallplatte 22 ist viel größer als eine Kontaktfläche zwischen der Emitterelektrode 5b und dem emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11. Daher wird ein verbundener Abschnitt zwischen dem Halbleiterelement 5 und der Metallplatte 22 kaum von Wärmeverzug beeinflusst. Es ist zu beachten, dass der kollektorseitige Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 und die Metallplatte 22 beide aus Metall hergestellt sind. Daher wird, obwohl eine Kontaktfläche zwischen dem kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 und der Metallplatte 22 klein ist, ein verbundener Abschnitt zwischen dem kollektorseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 10 und der Metallplatte 22 kaum von Wärmeverzug beeinflusst.
Dahingegen ist der emitterseitige Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 direkt mit der Emitterelektrode 5b verbunden und ist die Kontaktfläche zwischen dem emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 und der Emitterelektrode 5b klein. Daher ist ein verbundener Abschnitt zwischen dem Halbleiterelement 5 und dem emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 empfindlich für Wärmeverzug. Ebenso ist der Verbindungsabschnitt 23 direkt mit der Emitterelektrode 5b verbunden und ist eine Kontaktfläche zwischen dem Verbindungsabschnitt 23 und der Emitterelektrode 5b klein. Daher ist ein verbundener Abschnitt zwischen dem Halbleiterelement 5 und dem Verbindungsabschnitt 23 empfindlich für Wärmeverzug. Ein Strom, der durch den emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 fließt, ist jedoch größer als ein Strom, der durch den Verbindungsabschnitt 23 fließt. Daher nimmt ein verbundener Abschnitt zwischen dem Halbleiterelement 5 und dem emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 direkt Wärme auf, die durch das Halbleiterelement 5 erzeugt wird, und nutzt sich somit zuerst ab.
(Zeitliche Veränderung der Spannungen Vce, Vee)
Als Nächstes wird ein Beispiel für die zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce, Vee aufgrund einer Abnutzung der verbundenen Abschnitte beschrieben. Die Spannung Vce ist eine Spannung zwischen dem Kollektorhauptanschluss 6 und dem Emitterhauptanschluss 8 in dem Pfad 24, der in 2 veranschaulicht ist. Die Spannung Vee ist eine Spannung zwischen dem Emitterreferenzanschluss 9 und dem Emitterhauptanschluss 8. Der Emitterreferenzanschluss 9 ist auf dem Pfad 24 nicht vorhanden. Wie vorstehend beschrieben, sind die Spannungen Vce, Vee Spannungen auf zueinander unterschiedlichen Pfaden. Daher können sich die zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce und Vee aufgrund einer Abnutzung der verbundenen Abschnitte voneinander unterscheiden.
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Fortschrittsgrad der Abnutzung (Lebensdauerverbrauchsrate) eines Halbleitermoduls 30A und den zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce, Vee veranschaulicht. 3 veranschaulicht „Vergrößerungen in Bezug auf die Referenzwerte“ als Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung. Das heißt, es werden die Vergrößerung eines Werts der Spannung Vce, die von dem Vce-Verstärker 12 ausgegeben wird, in Bezug auf den ersten Referenzwert (nachfolgend als „Vce-Vergrößerung“ bezeichnet) und die Vergrößerung eines Werts der Spannung Vee, die von dem Vee-Verstärker 13 ausgegeben wird, in Bezug auf den zweiten Referenzwert (nachfolgend als „Vee-Vergrößerung“ bezeichnet) grafisch dargestellt. In 3 gibt eine vertikale Achse die Vergrößerung in Bezug auf den Referenzwert (Vce-Vergrößerung, Vee-Vergrößerung) wieder. Eine horizontale Achse gibt ein Verhältnis wieder, das erhalten wird, indem die verstrichene Zeit ab dem Beginn der Verwendung durch eine Gesamtlebensdauer geteilt wird, in der das Halbleitermodul unbrauchbar wird (nachfolgend als „Lebensdauerverbrauchsrate“ bezeichnet).
Wie in 3 veranschaulicht, erhöhen sich die Vce-Vergrößerung und die Vee-Vergrößerung mit der Zeit (das heißt, erhöht sich die Lebensdauerverbrauchsrate). Zu Beginn der Verwendung des Halbleitermoduls 30A (das heißt, zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 0 %) sind die Spannungen Vce, Vee gleich dem ersten bzw. dem zweiten Referenzwert. Daher sind sowohl die Vce-Vergrößerung als auch die Vee-Vergrößerung gleich 1.
Mit fortschreitender Abnutzung jedes der verbundenen Abschnitte im Laufe der Zeit erhöht sich ein elektrischer Widerstand des verbundenen Abschnitts. Daher erhöhen sich die Spannungen Vce, Vee und erhöhen sich auch die Vce-Vergrößerung und die Vee-Vergrößerung. Da die Spannungen Vce, Vee jedoch Spannungen auf unterschiedlichen Pfaden sind, sind die Verhaltensweisen der Vce-Vergrößerung und der Vee-Vergrößerung in Bezug auf den Fortschritt der Abnutzung der verbundenen Abschnitte nicht gleich. In dem in 3 veranschaulichten Beispiel ist die Vee-Vergrößerung stets größer als die Vce-Vergrößerung. Beispielsweise beträgt die Vee-Vergrößerung zu einem Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate 80 % beträgt (das heißt, zu einem Zeitpunkt, zu dem 80 % der Gesamtlebensdauer verstrichen sind), 1,5, wohingegen die Vce-Vergrößerung 1,015 beträgt. Das heißt, der Wert der Spannung Vee erhöht sich um 50 % in Bezug auf den zweiten Referenzwert, wohingegen sich der Wert der Spannung Vce nur um 1,5 % in Bezug auf den ersten Referenzwert erhöht. Zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 100 % beträgt die Vee-Vergrößerung 4, wohingegen die Vce-Vergrößerung 1,5 beträgt.
Bei der Vorhersage der Lebensdauer des Halbleitermoduls ist es wichtig, inmitten seiner Verwendung genau vorherzusagen, wie viel länger das Halbleitermodul verwendet werden kann, das heißt, die verbleibende Lebensdauer. Wenn es zum Beispiel möglich ist, dem Benutzer des Halbleitermoduls „verbleibende Lebensdauer 20 %“ als Lebensdauerdiagnoseinformationen mitzuteilen, wenn die Lebensdauer des Halbleitermoduls die verbleibenden 20 % erreicht, kann der Benutzer des Halbleitermoduls eine geplante Wartung durchführen, wie etwa im Voraus einen Austausch des Halbleitermoduls arrangieren. Wenn die Genauigkeit der Vorhersage gering ist, erreicht das Halbleitermodul das Ende seiner Lebensdauer und wird unbrauchbar, bevor der Benutzer den Austauschvorgang durchführt, was zu einem Problem führen kann, dass die Halbleitervorrichtung nicht verwendet werden kann.
Herkömmlicherweise werden Informationen zur verbleibenden Lebensdauer auf Grundlage von Veränderungen der Vce-Vergrößerung und der Vee-Vergrößerung mitgeteilt, wie in 3 veranschaulicht. Beispielsweise werden zu einem Zeitpunkt, zu dem die Vee-Vergrößerung 1,5 erreicht, die Informationen zur verbleibenden Lebensdauer, die angeben, dass die verbleibende Lebensdauer 20 % beträgt, mitgeteilt.
Bei einem derartigen Verfahren des verwandten Stands der Technik ist die Genauigkeit der Lebensdauervorhersage jedoch geringer. Das liegt daran, dass ein individueller Unterschied bei den Eigenschaften der Halbleitermodule 30 vorliegt, und sogar bei Halbleitermodulen 30 mit den gleichen Spezifikationen können die Veränderungen der Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in Bezug auf die Lebensdauerverbrauchsrate aufgrund des individuellen Unterschieds der Halbleitermodule 30 unterschiedlich sein.
4 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen einem Fortschrittsgrad der Abnutzung (Lebensdauerverbrauchsrate) eines Halbleitermoduls 30B und zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce, Vee veranschaulicht. Das Halbleitermodul 30B ist ein separates Modul, das die Spezifikation wie die Spezifikation des Halbleitermoduls 30A aufweist. Ebenso wie 3 veranschaulicht 4 ein Diagramm, in dem eine vertikale Achse die Vergrößerung (Vce-Vergrößerung, Vee-Vergrößerung) in Bezug auf Referenzwerte wiedergibt und eine horizontale Achse die Lebensdauerverbrauchsrate wiedergibt.
Wie in 4 veranschaulicht, erhöhen sich bei dem Halbleitermodul 30B die Vce-Vergrößerung und die Vee-Vergrößerung zudem mit der Zeit (das heißt, erhöht sich die Lebensdauerverbrauchsrate). Jedoch unterscheiden sich Veränderungen der Vce-Vergrößerung und der Vee-Vergrößerung bei dem Halbleitermodul 30B von den Veränderungen der Vce-Vergrößerung und der Vee-Vergrößerung bei dem Halbleitermodul 30A. Konkret ist der Zeitpunkt, zu dem die Vee-Vergrößerung 1,5 wird, ein Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate bei dem Halbleitermodul 30A zu 80 % wird, wohingegen er ein Zeitpunkt ist, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate bei dem Halbleitermodul 30B zu 90 % wird. Bei dem Halbleitermodul 30B beträgt die Vee-Vergrößerung 1,3 zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 80 %.
Wenn das Lebensdauerdiagnoseverfahren zum Mitteilen der Informationen zur verbleibenden Lebensdauer, die angeben, dass die verbleibende Lebensdauer zu dem Zeitpunkt 20 % beträgt, zu dem die Vee-Vergrößerung 1,5 auf Grundlage der Veränderungen der Vce-Vergrößerung und der Vee-Vergrößerung erreicht, wie in 3 veranschaulicht, angewandt wird, tritt ein nachstehendes Problem auf. Das heißt, wenn das Lebensdauerdiagnoseverfahren auf das Halbleitermodul 30B angewandt wird, werden die Informationen zur verbleibenden Lebensdauer, die angeben, dass die verbleibende Lebensdauer 20 % beträgt, zu dem Zeitpunkt mitgeteilt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate bei 90 % liegt. Wie vorstehend beschrieben, werden die Informationen zur verbleibenden Lebensdauer, welche die verbleibende Lebensdauer angeben, die sich von der tatsächlichen verbleibenden Lebensdauer unterscheidet, mitgeteilt und ist die Genauigkeit der Lebensdauerdiagnose gering.
In Anbetracht eines derartigen Problems führt die Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform eine Lebensdauerdiagnose mit höherer Genauigkeit unter Verwendung des Korrelationswerts zwischen der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee durch. Nachfolgend wird ein Grund dafür beschrieben, warum die Genauigkeit der Lebensdauerdiagnose durch Verwendung des Korrelationswerts verbessert wird.
(Verbesserung der Genauigkeit der Lebensdauerdiagnose)
Zu Parametern, welche die Eigenschaft des Halbleitermoduls 30 angeben, gehören verschiedene Parameter neben den Spannungen Vce, Vee. Im Allgemeinen variieren Werte dieser Parameter bei Einzelelementen sogar bei Halbleitermodulen 30 mit der gleichen Spezifikation. Es wird davon ausgegangen, dass dies durch Qualitätsschwankungen bei Elementen, Schwankungen in den Verarbeitungsbedingungen bei einem Herstellungsprozess und dergleichen verursacht wird. Wie vorstehend beschrieben, treten Schwankungen bei den Werten der Parameter, welche die Eigenschaften angeben, bei Einzelelementen auf, jedoch wird bei demselben Einzelelement eine Korrelation zwischen den Werten dieser Parameter aufrechterhalten. Das liegt daran, dass ein Faktor, der Beträge der Werte dieser Parameter bestimmt, von einer Produktspezifikation, also einer Ausgestaltung, abhängig ist. Wenn sich zum Beispiel der Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung unter einer bestimmten Herstellungsbedingung erhöht, erhöht sich der Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung ebenso. Daher ist die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVE der zeitlichen Veränderung gleich, solange die Produkte die gleiche Spezifikation aufweisen, selbst wenn die Einzelelemente unterschiedlich sind. Das heißt, die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei der Vielzahl von Halbleitermodulen 30 mit der gleichen Spezifikation ist konstant.
Beispielsweise erhöht sich, wie in 3 veranschaulicht, bei dem Halbleitermodul 30A der Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung von den Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in Bezug auf die Lebensdauerverbrauchsrate früher und erhöht sich eine Erhöhungsrate allmählich in Richtung einer Endphase der Lebensdauer. Dahingegen erhöht sich der Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung nicht ohne Weiteres von einer Anfangsphase zu einer mittleren Phase und erhält einen Wert aufrecht, der wesentlich niedriger als der Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung ist. Die Erhöhungsrate des Betrags ΔVce der zeitlichen Veränderung erhöht sich schnell in Richtung einer Endphase. Eine solche Beziehung ist zudem bei Beträgen ΔVce, AVE der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B zu sehen, das in 4 veranschaulicht ist. Die Werte der Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B sind kleiner als die Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A. Daher können die Werte der Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B nicht einfach mit den Werten der Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A verglichen werden. Jedoch ist die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30B die gleiche wie die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei dem Halbleitermodul 30A. Das heißt, eine Form der in 4 veranschaulichten Kurve weist eine Form auf, die durch Verringern einer Form der in 3 veranschaulichten Kurve entlang der vertikalen Achse erhalten wird.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Lebensdauer des Halbleitermoduls 30 anhand der Tatsache diagnostiziert, dass die Korrelation der Eigenschaften bei der Vielzahl von Halbleitermodulen 30 mit der gleichen Spezifikation konstant ist. Konkret wird in der ersten Ausführungsform die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung verwendet. Folglich ist es möglich, eine hochgenaue Lebensdauerdiagnose ohne individuelle Schwankungen durchzuführen.
(Erstes Beispiel für eine Lebensdauerdiagnose)
Ein erstes Beispiel für eine Lebensdauerdiagnose durch die Diagnoseverarbeitungseinheit 3 wird unter Bezugnahme auf die 5, 6 beschrieben. 5 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei den Halbleitermodulen 30A veranschaulicht. 6 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei den Halbleitermodulen 30B veranschaulicht. Die 5, 6 veranschaulichen ein Beispiel, bei dem ein Wert, der durch Subtrahieren einer ersten Konstante „1“ von der Vergrößerung der Spannung Vce in Bezug auf den ersten Referenzwert (nachfolgend als „Vce-Erhöhungsrate“ bezeichnet) erhalten wird, als Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung extrahiert wird. Ebenso veranschaulichen die 5, 6 ein Beispiel, bei dem ein Wert, der durch Subtrahieren einer zweiten Konstante „1“ von der Vergrößerung der Spannung Vee in Bezug auf den zweiten Referenzwert (nachfolgend als „Vee-Erhöhungsrate“ bezeichnet) erhalten wird, als Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung extrahiert wird. Die 5. 6 veranschaulichen Diagramme, in denen eine horizontale Achse die Lebensdauerverbrauchsrate wiedergibt, eine linke vertikale Achse die Vce-Erhöhungsrate und die Vee-Erhöhungsrate wiedergibt und eine rechte vertikale Achse den Korrelationswert wiedergibt. Der Korrelationswert ist ein Wert eines Verhältnisses, das durch Dividieren der Vee-Erhöhungsrate durch die Vce-Erhöhungsrate erhalten wird.
Im Gegensatz zu der Vce-Erhöhungsrate und der Vee-Erhöhungsrate erhöht sich der Korrelationswert, der die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung angibt, nicht monoton, sondern wird zu einer Kurve mit einer bergähnlichen Spitze, bei der sich der Korrelationswert einmal erhöht und dann dazu übergeht zu fallen. Ein Grund dafür ist, dass, wie vorstehend beschrieben, ein Unterschied bei den Eigenschaften dahingehend vorliegt, dass sich die Spannung Vee früh erhöht und sich relativ monoton weiter erhöht, während sich die Spannung Vce in der Anfangsphase kaum erhöht und sich in der Endphase schnell erhöht. Aufgrund dieses Unterschieds erhöht sich der Korrelationswert, indem er die Erhöhung der Spannung Vee in der Anfangsphase stark widerspiegelt, jedoch beginnt die Spannung Vce sich plötzlich in Richtung der Endphase zu erhöhen, sodass die Erhöhung des Korrelationswerts unterdrückt und der Korrelationswert maximal wird. Danach erhöht sich in der Endphase die Erhöhungsrate der Spannung Vce schnell und nimmt somit der Korrelationswert ab. Daher wird der Korrelationswert zu einer bergähnlichen Kurve mit einer Spitze.
Wie in den 5, 6 veranschaulicht, deckt sich die Kurvenform, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts bei dem Halbleitermodul 30A angibt, mit der Kurvenform, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts bei dem Halbleitermodul 30B angibt. Konkret ist, wie in 5 veranschaulicht, im Falle des Halbleitermoduls 30A ein Zeitpunkt, zu dem der Korrelationswert maximal wird, das heißt ein Zeitpunkt, zu dem der Differenzenkoeffizient erster Ordnung des Korrelationswerts 0 wird, ein Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate 80 % beträgt. Wie in 6 veranschaulicht, ist im Falle des Halbleitermoduls 30B ein Zeitpunkt, zu dem der Korrelationswert maximal wird, das heißt ein Zeitpunkt, zu dem der Differenzenkoeffizient erster Ordnung des Korrelationswerts 0 wird, zu dem ein Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate 80 % beträgt. Wie vorstehend beschrieben, ist der Zeitpunkt, zu dem der Korrelationswert maximal wird, der Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate bei den beiden Halbleitermodulen 30A und 30B 80 % beträgt.
Daher berechnet die Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen den Differenzenkoeffizienten erster Ordnung des Korrelationswerts als den Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung, der die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 kann gemäß einer Tatsache, dass der Differenzenkoeffizient erster Ordnung des Korrelationswerts 0 wird, bestimmen, dass die verbleibende Lebensdauer 20 % beträgt. Folglich ist es möglich, eine hochgenaue Lebensdauerdiagnose ohne individuelle Schwankungen durchzuführen.
Alternativ kann die Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen ferner den Differenzenkoeffizienten zweiter Ordnung des Korrelationswerts als den Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung verändern, der die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 kann die Lebensdauerdiagnose unter Verwendung nicht nur des Differenzenkoeffizienten erster Ordnung des Korrelationswerts, sondern auch des Differenzenkoeffizienten zweiter Ordnung durchführen. Beispielsweise entspricht ein Zeitpunkt, zu dem der Differenzenkoeffizient zweiter Ordnung des Korrelationswerts 0 wird, einem Wendepunkt der Kurve des Korrelationswerts und ist ein Zeitpunkt, zu dem sich die Erhöhungsrate des Korrelationswerts von einer Erhöhung zu einer Verringerung verändert. Wie in den 5, 6 veranschaulicht, ist im Falle beider Halbleitermodule 30A, 30B ein Zeitpunkt, zu dem der Differenzenkoeffizient zweiter Ordnung des Korrelationswerts 0 wird, ein Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauerverbrauchsrate 70 % beträgt. Daher kann die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 gemäß einer Tatsache, dass der Differenzenkoeffizient zweiter Ordnung des Korrelationswerts 0 wird, bestimmen, dass die verbleibende Lebensdauer 30 % beträgt. Folglich ist es möglich, eine hochgenaue Lebensdauerdiagnose ohne individuelle Schwankungen durchzuführen.
Weiterhin kann die Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen ein Verhältnis zwischen einem Spitzenwert, bei dem es sich um den Korrelationswert handelt, wenn der Differenzenkoeffizient erster Ordnung 0 wird, und dem darauffolgenden Korrelationswert als Betrag ΔCor der zeitlichen Veränderung berechnen, der die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt. Durch Prüfen des Verhältnisses kann die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 gemäß einer Tatsache, dass sich der Korrelationswert auf die Hälfte des Spitzenwerts verringert, diagnostizieren, dass die Lebensdauerverbrauchsrate 96 % beträgt und die verbleibende Lebensdauer 4 % beträgt. Folglich kann die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 einen Anschlussalarm auf der Anzeigeeinheit 4 anzeigen.
(Zweites Beispiel für eine Lebensdauerdiagnose)
Bei dem ersten Beispiel für eine Lebensdauerdiagnose liegt, da die Vce-Erhöhungsrate (der Wert, der durch Subtrahieren der ersten Konstante „1“ von der Vergrößerung der Spannung Vce in Bezug auf den ersten Referenzwert erhalten wird) als Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung extrahiert wird, der Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung in der Anfangsphase nahe 0. Ebenso liegt, da die Vee-Erhöhungsrate (der Wert, der durch Subtrahieren der zweiten Konstante „1“ von der Vergrößerung der Spannung Vee in Bezug auf den zweiten Referenzwert erhalten wird) als Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung extrahiert wird, der Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung in der Anfangsphase nahe 0. Daher kann, wenn das Verhältnis, das durch Dividieren des Betrags ΔVee der zeitlichen Veränderung durch den Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung erhalten wird, als der Korrelationswert berechnet wird, der Korrelationswert stark variieren. Das liegt daran, dass der Korrelationswert berechnet wird, indem ein kleiner Wert nahe 0 durch einen kleinen Wert nahe 0 dividiert wird. Folglich kann eine leichte Schwankung der Messwerte der Spannungen Vce, Vee zu einer großen Schwankung des Korrelationswerts führen. Daher neigt der Korrelationswert dazu, in der Anfangsphase ungenau zu sein.
7 ist ein Diagramm, das einen Einfluss von leichten Schwankungen bei den Werten der Spannungen Vce, Vee veranschaulicht. Wenn die Werte der Spannungen Vce, Vee aufgrund eines Problems mit der Messgenauigkeit der Spannungen schwanken, wie in 7 veranschaulicht, schwankt in der Anfangsphase der Korrelationswert stark, bei dem es sich um das Verhältnis handelt, das durch Dividieren des Betrags ΔVee der zeitlichen Veränderung (Vee-Erhöhungsrate) durch den Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung (Vce-Erhöhungsrate) erhalten wird. Solche großen Schwankungen der Korrelationswerte können die Lebensdauerdiagnose beeinflussen.
Daher extrahiert die Extraktionseinheit 16 für zeitliche Veränderungen einen Wert, der durch Subtrahieren der ersten Konstante „0“ von der Vce-Vergrößerung (das heißt der Vce-Vergrößerung selbst) als den Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung erhalten wird. Daher extrahiert die Extraktionseinheit 17 für zeitliche Veränderungen einen Wert, der durch Subtrahieren der zweiten Konstante „0“ von der Vee-Vergrößerung (das heißt der Vee-Vergrößerung selbst) als den Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung erhalten wird. Dann kann die Korrelationswertberechnungseinheit 18 ein Verhältnis berechnen, das durch Dividieren der Vee-Vergrößerung durch die Vce-Vergrößerung (Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung) als der Korrelationswert erhalten wird, der die Korrelation zwischen der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee angibt.
8 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Veränderung des Korrelationswerts „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ veranschaulicht, der bei dem zweiten Beispiel zur Lebensdauerdiagnose berechnet wird. Wie in 8 veranschaulicht, sind, da die Vce-Vergrößerung und die Vee-Vergrößerung als die Beträge ΔVce bzw. ΔVee der zeitlichen Veränderung extrahiert werden, die Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung stabil, ohne dass sie durch leichte Schwankungen der Messwerte der Spannungen Vce und Vee beeinflusst werden. Das heißt, der Korrelationswert „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ erhöht sich allmählich, während sich die Lebensdauerverbrauchsrate in der Anfangsphase erhöht. Dies ermöglicht es, eine minimale Abnutzung der verbundenen Abschnitte in der Anfangsphase zu überwachen.
Der Korrelationswert „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ ist jedoch nicht zum Erkennen einer plötzlichen Erhöhung der Spannung Vce nahe der Endphase geeignet. Daher extrahieren die Extraktionseinheiten 16, 17 für zeitliche Veränderungen die Vce-Vergrößerung bzw. die Vee-Vergrößerung als die Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die stabile Vce-Erhöhungsrate und Vee-Erhöhungsrate extrahiert werden können (nachfolgend als „Schaltzeitpunkt“ bezeichnet). Nach dem Schaltzeitpunkt extrahieren die Extraktionseinheiten 16, 17 für zeitliche Veränderungen die Vce-Erhöhungsrate und die Vee-Erhöhungsrate als die Beträge ΔVce bzw. ΔVee der zeitlichen Veränderung. Die Korrelationswertberechnungseinheit 18 berechnet den Korrelationswert „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ bis zum Schaltzeitpunkt als den Korrelationswert, der die Korrelation zwischen der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee angibt, und berechnet den Korrelationswert „Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate“ nach dem Schaltzeitpunkt. Folglich kann die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 die Lebensdauer unter Verwendung der zeitlichen Veränderung des Korrelationswerts „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ in der Anfangsphase diagnostizieren und kann die Lebensdauer unter Verwendung der zeitlichen Veränderung des Korrelationswerts „Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate“ in der Endphase diagnostizieren. Folglich können sowohl die anfängliche Abnutzung als auch die abschließende Abnutzung genau überwacht werden.
Es ist zu beachten, dass die von der Vergrößerung subtrahierte Konstante nicht auf 0 oder 1 beschränkt ist und sich von einem Wert nahe 0 zu einem Wert nahe 1 von der Anfangsphase zu der Endphase verändern kann. Folglich ist es möglich, einen geeigneteren Korrelationswert für die Lebensdauervorhersage gemäß der Verwendung des Halbleitermoduls 30 zu berechnen.
(Vorteile)
Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet die Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform den Vce-Verstärker 12, den Vee-Verstärker 13 und die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21. Der Vce-Verstärker 12 wird als ein Spannungsmessinstrument betrieben, um die Spannung Vce zwischen dem Kollektorhauptanschluss 6, der mit der Kollektorelektrode des Halbleiterelements 5 verbunden ist, das auf der Halbleitervorrichtung 2 montiert ist, und dem Emitterhauptanschluss 8, der mit der Emitterelektrode des Halbleiterelements 5 verbunden ist, zu messen. Der Vee-Verstärker 13 wird als ein Spannungsmessinstrument betrieben, um die Spannung Vee zwischen dem Emitterhauptanschluss 8 und dem Emitterreferenzanschluss 9, der mit der Emitterelektrode verbunden ist, zu messen. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 diagnostiziert die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 unter Verwendung des Korrelationswerts zwischen der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee.
Gemäß der vorstehenden Konfiguration wird der Korrelationswert zwischen den zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce, Vee für die Lebensdauerdiagnose verwendet. Obwohl die zeitlichen Veränderungen der Spannungen Vce, Vee bei Einzelelementen der Halbleitermodulen 30 variieren, ist die Schwankung der zeitlichen Veränderung des Korrelationswerts bei Einzelelementen der Halbleitermodule 30 gering. Daher ist es möglich, die Lebensdauerdiagnose mit hoher Genauigkeit durchzuführen, bei welcher der Einfluss durch den individuellen Unterschied der Halbleitermodule 30 aufgehoben ist.
Der Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce ist zum Beispiel durch den Wert angegeben, der durch Subtrahieren der ersten Konstante von der Vergrößerung des Werts der Spannung Vce in Bezug auf den ersten Referenzwert (Vce-Vergrößerung oder Vce-Erhöhungsrate) erhalten wird. Der Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee wird zum Beispiel durch den Wert angegeben, der durch Subtrahieren der zweiten Konstanten von der Vergrößerung des Werts der Spannung Vee in Bezug auf den zweiten Referenzwert (Vee-Vergrößerung oder Vee-Erhöhungsrate) erhalten wird. Der Korrelationswert ist zum Beispiel das Verhältnis zwischen dem Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung und dem Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung (Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung oder Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate).
Unter Verwendung der Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung oder der Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate als der Korrelationswert nimmt die Kurve, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt, eine Bergform mit einer Spitze bei einer konkreten Lebensdauerverbrauchsrate an. Daher kann die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 erkennen, dass die konkrete Lebensdauerverbrauchsrate gemäß einer Tatsache erreicht wurde, dass der Korrelationswert ein Maximum wird, und kann die Lebensdauerinformationen ausgeben, welche die verbleibende Lebensdauer angeben. Folglich kann ein Benutzer der Halbleitervorrichtung 2 eine Wartung der Halbleitervorrichtung 2 zu einem geeigneten Zeitpunkt durchführen, indem er die Lebensdauerinformationen prüft.
Die erste Konstante und die zweite Konstante sind zum Beispiel 1. Folglich erhöht sich eine Differenz zwischen dem Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung und dem Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung in der Endphase und kann die Genauigkeit der Lebensdauerdiagnose in der Endphase erhöht werden.
Die erste Konstante und die zweite Konstante sind zum Beispiel 0. Dementsprechend wird der Korrelationswert in der Anfangsphase der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 zu einem stabilen Wert und nimmt allmählich zu, während sich die Lebensdauerverbrauchsrate erhöht. Dies ermöglicht es, eine minimale Abnutzung der verbundenen Abschnitte im Inneren der Halbleitervorrichtung 2 in der Anfangsphase zu überwachen.
Der erste Referenzwert ist der Wert der Spannung Vce, der vor dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 gemessen wird. Der zweite Referenzwert ist der Wert der Spannung Vee, der vor dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 gemessen wird.
Vor der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 ist es möglich, wiederholte Werte in einer Umgebung zu messen, die zur Messung der Spannungen Vce, Vee geeignet ist, und können die Werte der Spannungen Vce, Vee mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Folglich wird die Zuverlässigkeit des Korrelationswerts, der für die anschließende Lebensdauerdiagnose berechnet wird, erhöht, und die Genauigkeit der Lebensdauerdiagnose verbessert.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform werden Werte der Spannungen Vce, Vee, die vor dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 (das heißt in einem nicht verwendeten Zustand) gemessen werden, als der erste bzw. der zweite Referenzwert verwendet. In diesem Fall kann jedoch keine Lebensdauerdiagnose der Halbleitervorrichtung 2 durchgeführt werden, bei der die Spannungen Vce, Vee vor dem Beginn der Verwendung nicht gemessen worden sind.
Um die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 zu diagnostizieren, bei der die Spannungen Vce, Vee nicht vor dem Beginn der Verwendung gemessen wurden, speichern die Referenzwertspeichereinheiten 14, 15 gemäß einer zweiten Ausführungsform daher die Werte der Spannungen Vce und Vee, die nach dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 gemessen wurden, als den ersten bzw. den zweiten Referenzwert.
9 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in den Halbleitermodulen 30A veranschaulicht, wenn die Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 30 % als die Referenzwerte verwendet werden. 10 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei den Halbleitermodulen 30B veranschaulicht, wenn die Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 30 % als die Referenzwerte verwendet werden. Ebenso wie die 5, 6 veranschaulichen die 9, 10 jeweils ein Diagramm, in dem eine horizontale Achse die Lebensdauerverbrauchsrate wiedergibt, eine linke vertikale Achse die Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung (Vce-Erhöhungsrate, Vee-Erhöhungsrate) wiedergibt und eine rechte vertikale Achse den Korrelationswert „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ wiedergibt.
Wie in den 9 und 10 veranschaulicht, sind die Werte der Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei der gleichen Lebensdauerverbrauchsrate zwischen dem Halbleitermodul 30A und dem Halbleitermodul 30B unterschiedlich. Das heißt, die Lebensdauerverbrauchsrate kann nicht geschätzt werden und die verbleibende Lebensdauer kann nicht nur anhand der Werte der Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung vorhergesagt werden kann.
Dahingegen zeigt die Kurve des Korrelationswerts „Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate“ die gleiche Form bei dem Halbleitermodul 30A und dem Halbleitermodul 30B. Konkret ist die Kurve des Korrelationswerts „Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate“ eine Bergform mit einer Spitze nahe der Lebensdauerverbrauchsrate von 76 %. Daher kann die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 die Lebensdauer des Halbleitermoduls 30 auf Grundlage der Kurve des Korrelationswerts unabhängig von dem individuellen Unterschied der Halbleitermodule 30 genauer diagnostizieren.
Wenn die Spannungen zu einem anderen Zeitpunkt als dem Zeitpunkt mit der Lebensdauerverbrauchsrate von 30 % als die Referenzwerte verwendet werden, weist die Kurve, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt, eine Form auf, die sich von den in den 9, 10 veranschaulichten Kurven unterscheidet. Die Kurve, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt, zeigt jedoch die gleiche Form unabhängig von dem individuellen Unterschied der Halbleitermodule 30.
11 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in den Halbleitermodulen 30A veranschaulicht, wenn die Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 40 % als die Referenzwerte verwendet werden. 12 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei den Halbleitermodulen 30B veranschaulicht, wenn die Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 40 % als die Referenzwerte verwendet werden. 13 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in den Halbleitermodulen 30A veranschaulicht, wenn die Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 50 % als die Referenzwerte verwendet werden. 14 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei den Halbleitermodulen 30B veranschaulicht, wenn die Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 50 % als die Referenzwerte verwendet werden. 15 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung in den Halbleitermodulen 30A veranschaulicht, wenn die Spannungen zu einem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 60 % als die Referenzwerte verwendet werden. 16 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Beträgen ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung bei den Halbleitermodulen 30B veranschaulicht, wenn die Spannungen zu dem Zeitpunkt der Lebensdauerverbrauchsrate von 60 % als die Referenzwerte verwendet werden. Ebenso wie die 9, 10 veranschaulichen die 11 bis 16 jeweils ein Diagramm, in dem eine horizontale Achse die Lebensdauerverbrauchsrate wiedergibt, eine linke vertikale Achse die Beträge ΔVce, ΔVee der zeitlichen Veränderung (Vce-Erhöhungsrate, Vee-Erhöhungsrate) wiedergibt und eine rechte vertikale Achse den Korrelationswert „Vee-Vergrößerung/Vce-Vergrößerung“ wiedergibt.
Wie in den 11 bis 16 veranschaulicht, weisen Kurven, die jeweils die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts „Vee-Erhöhungsrate/Vce-Erhöhungsrate“ angeben, die gleiche Form auf, wenn die Lebensdauerverbrauchsraten zum Zeitpunkt des Messens der Spannungen, die als die Referenzwerte festgelegt sind, gleich sind. Das heißt, die Kurve des in 11 veranschaulichten Korrelationswerts weist die gleiche Form wie die Kurve des in 12 veranschaulichten Korrelationswerts auf. Die Kurve des in 13 veranschaulichten Korrelationswerts weist die gleiche Form wie die Kurve des in 14 veranschaulichten Korrelationswerts auf. Die Kurve des in 15 veranschaulichten Korrelationswerts weist die gleiche Form wie die Kurve des in 16 veranschaulichten Korrelationswerts auf.
Wenn die Werte der Spannungen Vce, Vee, die nach dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 gemessen werden, als der erste bzw. der zweite Referenzwert verwendet werden, ist die Lebensdauerverbrauchsrate zum Zeitpunkt der Messung für gewöhnlich unbekannt. Wie jedoch in den 9 bis 16 veranschaulicht, hängt die Form der Kurve des Korrelationswerts von der Lebensdauerverbrauchsrate zum Zeitpunkt der Messung der Spannungen Vce, Vee ab, die als der erste und der zweite Referenzwert verwendet werden. Daher speichert die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 im Voraus eine Vielzahl von Kurven von Korrelationswerten, die unterschiedliche Lebensdauerverbrauchsraten zum Zeitpunkt der Messung der Spannungen Vce, Vee aufweisen, die als der erste und der zweite Referenzwert verwendet werden. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 vergleicht die Kurve, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt, der von der Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen ausgegeben wird, mit der im Voraus gespeicherten Vielzahl von Kurven. Die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 kann aus der im Voraus gespeicherten Vielzahl von Kurven eine Kurve auswählen, die einen höchsten Grad an Übereinstimmung mit der Kurve aufweist, welche die zeitliche Veränderung des Korrelationswerts angibt, der von der Berechnungseinheit 20 für zeitliche Veränderungen ausgegeben wird, und die Lebensdauer des Halbleitermoduls 30 auf Grundlage der ausgewählten Kurve diagnostizieren. Beispielsweise kann, wie in den 15, 16 veranschaulicht, wenn der Korrelationswert ab dem Beginn der Messung kontant abnimmt, die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 schätzen, dass die Lebensdauerverbrauchsrate zu Beginn der Messung 60 % übersteigt. Darüber hinaus kann, wenn die ausgewählte Kurve die in den 11, 12 veranschaulichte Kurve ist, die Lebensdauerdiagnoseeinheit 21 schätzen, dass die Lebensdauerverbrauchsrate gemäß einer Veränderung des Korrelationswerts von der Erhöhung zu der Verringerung etwa 73 % beträgt.
Wie vorstehend beschrieben, ist in der zweiten Ausführungsform, auch wenn der erste und der zweite Referenzwert festgelegt werden, nachdem mit der Verwendung der Halbleitervorrichtung 2 begonnen wurde, die Lebensdauerdiagnose der Halbleitervorrichtung 2 möglich.
Dritte Ausführungsform
17 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Lebensdauerdiagnosevorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Eine Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1A gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 veranschaulichten Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 dadurch, dass eine Diagnoseverarbeitungseinheit 3A anstelle der Diagnoseverarbeitungseinheit 3 bereitgestellt ist. Die Diagnoseverarbeitungseinheit 3A unterscheidet sich von der Diagnoseverarbeitungseinheit 3 dadurch, dass ein Vce-Verstärker 12A anstelle des Vce-Verstärkers 12 enthalten ist.
Der Vce-Verstärker 12A misst eine Spannung zwischen dem Kollektorhauptanschluss 6 und dem Emitterreferenzanschluss 9 und verstärkt das Messergebnis auf eine Spannung Vce, die zur Nachverarbeitung geeignet ist. Der Vce-Verstärker 12A gibt die Spannung Vce an die Extraktionseinheit 16 für zeitliche Veränderungen aus.
Auch in der dritten Ausführungsform kann die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ebenfalls auf Grundlage des Korrelationswerts diagnostiziert werden, der die Korrelation zwischen der zeitlichen Veränderung der Spannung Vce und der zeitlichen Veränderung der Spannung Vee angibt. Es ist zu beachten, dass in der dritten Ausführungsform die Spannung Vce kaum durch den emitterseitigen Hauptschaltungsverbindungsabschnitt 11 beeinflusst wird. Daher kann die Differenz zwischen dem Betrag ΔVce der zeitlichen Veränderung und dem Betrag ΔVee der zeitlichen Veränderung im Vergleich zu der ersten Ausführungsform vergrößert sein. Daher kann je nach der Konfiguration des Halbleitermoduls 30 die Konfiguration der ersten Ausführungsform angewandt werden oder kann die Konfiguration der dritten Ausführungsform angewandt werden. Somit kann die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der Konfiguration des Halbleitermoduls 30 angemessener diagnostiziert werden.
Vierte Ausführungsform
In einer vierten Ausführungsform wird eine Halbleitervorrichtung, die durch die Lebensdauerdiagnosevorrichtung gemäß der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform zu diagnostizieren ist, auf eine Leistungsumwandlungsvorrichtung angewandt. Obwohl die vorliegende Offenbarung nicht auf eine konkrete Leistungsumwandlungsvorrichtung beschränkt ist, wird ein Fall, in dem die vorliegende Offenbarung auf einen dreiphasigen Wechselrichter angewendet wird, im Folgenden als die vierte Ausführungsform beschrieben.
18 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, auf das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewandt wird.
Das in 18 veranschaulichte Leistungsumwandlungssystem ist aus einer Leistungsversorgung 100, einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 und einem Verbraucher 300 konfiguriert. Die Leistungsversorgung 100 ist eine Gleichstromleistungszufuhr und führt der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 eine Gleichstromleistung zu. Die Leistungsversorgung 100 kann aus verschiedenen Komponenten konfiguriert sein und kann zum Beispiel aus einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle und einer Speicherbatterie konfiguriert sein oder kann aus einer Gleichrichterschaltung oder einem AC/DC-Wandler konfiguriert sein, die bzw. der mit einem Wechselstromsystem verbunden ist. Darüber hinaus kann die Leistungsversorgung 100 durch einen DC/DC-Wandler konfiguriert sein, um einen Gleichstromleistungsausgang von dem Gleichstromsystems in eine vorbestimmte Leistung umzuwandeln.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen der Leistungsversorgung 100 und dem Verbraucher 300 angeschlossen ist, die von der Leistungsversorgung 100 zugeführte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt und den Verbraucher 300 mit Wechselstromleistung versorgt. Wie in 18 veranschaulicht, beinhaltet die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 eine Hauptumwandlungsschaltung 201, um die Gleichstromleistung in die Wechselstromleistung umzuwandeln und die Wechselstromleistung auszugeben, und eine Steuerschaltung 203, um ein Steuersignal zum Steuern der Hauptumwandlungsschaltung 201 an die Hauptumwandlungsschaltung 201 auszugeben. Ferner beinhaltet die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 die vorstehend beschriebene Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 (oder die Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1A).
Der Verbraucher 300 ist ein Dreiphasen-Elektromotor, der durch die Wechselstromleistung angetrieben wird, die von der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 zugeführt wird. Es ist zu beachten, dass der Verbraucher 300 nicht auf eine konkrete Anwendung beschränkt ist, sondern ein Elektromotor ist, der an verschiedenen Arten von Elektrogeräten montiert ist und zum Beispiel als ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Aufzug oder eine Klimaanlage verwendet wird.
Nachfolgend werden Details der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 beschrieben. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 beinhaltet ein Schaltelement und eine Freilaufdiode (nicht veranschaulicht), wandelt die von der Leistungsversorgung 100 zugeführte Gleichstromleistung durch Schalten des Schaltelements in Wechselstromleistung um und führt die Wechselstromleistung dem Verbraucher 300 zu. Obwohl es verschiedene konkrete Schaltungskonfigurationen der Hauptumwandlungsschaltung 201 gibt, ist die Hauptumwandlungsschaltung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung, die aus sechs Schaltelementen und sechs Freilaufdioden konfiguriert sein kann, die antiparallel zu den j eweiligen Schaltelementen sind. Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer der vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsform wird auf mindestens eines von den Schaltelementen und den Freilaufdioden der Hauptumwandlungsschaltung 201 angewandt. Die sechs Schaltelemente sind durch zwei Schaltelemente in Reihe geschaltet, um den oberen und unteren Arm zu konfigurieren, und jeder von dem oberen und dem unteren Arm konfiguriert jede Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) einer Vollbrückenschaltung. Ausgangsanschlüsse des oberen und des unteren Arms, d. h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptumwandlungsschaltung 201, sind mit dem Verbraucher 300 verbunden.
Ferner kann die Hauptumwandlungsschaltung 201 derart konfiguriert sein, dass sie eine Treiberschaltung (nicht veranschaulicht) zum Antreiben jedes der Schaltelemente beinhaltet, jedoch kann die Treiberschaltung in die Halbleitervorrichtung 2 eingebaut sein, oder kann derart konfiguriert sein, dass sie die Treiberschaltung getrennt von der Halbleitervorrichtung 2 beinhaltet. Die Treiberschaltung erzeugt ein Ansteuersignal zum Ansteuern von jedem der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201 und führt das Ansteuersignal einer Steuerelektrode von jedem der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201 zu. Konkret werden gemäß dem später beschriebenen Steuersignal von der Steuerschaltung 203 ein Ansteuersignal zum Einschalten des Schaltelements und ein Ansteuersignal zum Ausschalten des Schaltelements an die Steuerelektrode jedes der Schaltelemente ausgegeben. Wenn das Schaltelement in einem EIN-Zustand gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal, das gleich oder höher als eine Schwellenspannung des Schaltelements ist (EIN-Signal), und wenn das Schaltelement in einem AUS-Zustand gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal, das gleich oder kleiner als die Schwellenspannung des Schaltelements ist (AUS-Signal).
Die Steuerschaltung 203 steuert die Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201, sodass dem Verbraucher 300 eine gewünschte Leistung zugeführt wird. Konkret wird eine Zeit (EIN-Zeit), während der jedes der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201 einzuschalten ist, auf Grundlage der Leistung berechnet, die dem Verbraucher 300 zuzuführen ist. Beispielsweise kann die Hauptumwandlungsschaltung 201 durch eine PDM-Steuerung gesteuert werden, welche die EIN-Zeit jedes der Schaltelemente gemäß der auszugebenden Spannung moduliert. Dann wird ein Steuerbefehl (Steuersignal) an die Treiberschaltung ausgegeben, die in der Hauptumwandlungsschaltung 201 enthalten ist, sodass zu jedem Zeitpunkt das EIN-Signal an das einzuschaltende Schaltelement ausgegeben wird und das AUS-Signal an das auszuschaltende Schaltelement ausgegeben wird. Die Treiberschaltung gibt das EIN-Signal oder das AUS-Signal als das Ansteuersignal an die Steuerelektrode jedes der Schaltelemente gemäß diesem Steuersignal aus.
Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer von der ersten bis dritten Ausführungsform angewandt, wenn jedes von den Schaltelementen und den Freilaufdioden der Hauptumwandlungsschaltung 201 und die Lebensdauerdiagnosevorrichtung 1 zum Diagnostizieren der Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 montiert sind. Daher kann die verbleibende Lebensdauer der Halbleitervorrichtung 2 genau diagnostiziert werden.
In der vierten Ausführungsform wurde das Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Offenbarung auf den zweistufigen Dreiphasen-Wechselrichter angewandt wird, jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt und kann auf verschiedene Leistungsumwandlungsvorrichtungen angewandt werden. In der vierten Ausführungsform wird die zweistufige Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet, jedoch kann eine dreistufige oder mehrstufige Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet werden oder kann die vorliegende Erfindung in einem Fall, in dem einem einphasigen Verbraucher eine Leistung zugeführt wird, auf einen einphasigen Wechselrichter angewandt werden. Darüber hinaus kann, wenn einen Gleichstromverbraucher oder dergleichen eine Leistung zugeführt wird, die vorliegende Offenbarung auch auf einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler angewandt werden.
Darüber hinaus ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung, auf welche die vorliegende Offenbarung angewandt wird, nicht auf den Fall beschränkt, in dem der vorstehend beschriebene Verbraucher ein Elektromotor ist, und kann zum Beispiel als eine Leistungsversorgungsvorrichtung einer Funkenerodiermaschine, einer Laserstrahlmaschine, eines Induktionsheizkochers oder eines kontaktlosen Leistungszufuhrsystems verwendet werden und kann auch als ein Leistungsverbesserer eines Solarstromerzeugungssystems, ein Leistungsspeichersystem oder dergleichen verwendet werden.
Es ist davon auszugehen, dass die diesmal offenbarten Ausführungsformen Beispiele und nicht in jeder Hinsicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist nicht durch die Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen definiert, sondern durch die Ansprüche, und es ist beabsichtigt, dass sämtliche Abwandlungen in einem zu den Ansprüchen äquivalenten Sinne und Umfang eingeschlossen sind.
BEZUGSZEICHENLISTE
1, 1A: Lebensdauerdiagnosevorrichtung, 2: Halbleitervorrichtung, 3, 3A: Diagnoseverarbeitungseinheit, 4: Anzeigeeinheit, 5: Halbleiterelement, 5a: Kollektorelektrode, 5b: Emitterelektrode, 6: Kollektorhauptanschluss, 7: Gateanschluss, 8: Emitterhauptanschluss, 9: Emitterreferenzanschluss, 10: kollektorseitiger Hauptschaltungsverbindungsabschnitt, 11: emitterseitiger Hauptschaltungsverbindungsabschnitt, 12, 12A: Vce-Verstärker, 13: Vee-Verstärker, 14, 15: Referenzwertspeichereinheit, 16, 17: Extraktionseinheit für zeitliche Veränderungen, 18: Korrelationswertberechnungseinheit, 19: Speichereinheit, 20: Berechnungseinheit für zeitliche Veränderungen, 21: Lebensdauerdiagnoseeinheit, 22: Metallplatte, 23: Verbindungsabschnitt, 24: Pfad, 30: Halbleitermodul, 100: Leistungsversorgung, 200: Leistungsumwandlungsvorrichtung, 201: Hauptumwandlungsschaltung, 203: Steuerschaltung, 300: Verbraucher
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201081796 [0003]

Claims

Lebensdauerdiagnosevorrichtung zum Diagnostizieren einer Lebensdauer einer Halbleitervorrichtung, wobei die Lebensdauerdiagnosevorrichtung Folgendes umfasst: ein erstes Spannungsmessinstrument, um eine erste Spannung zwischen einem ersten Anschluss, der mit einer ersten Elektrode eines Halbleiterelements verbunden ist, das auf der Halbleitervorrichtung montiert ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einer zweiten Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist, zu messen; ein zweites Spannungsmessinstrument, um eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss, der mit der zweiten Elektrode verbunden ist, zu messen; und eine Diagnoseeinheit, um die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines Korrelationswerts zwischen einer zeitlichen Veränderung der ersten Spannung und einer zeitlichen Veränderung der zweiten Spannung zu diagnostizieren.
Lebensdauerdiagnosevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zeitliche Veränderung der ersten Spannung durch einen ersten Wert angegeben wird, der durch Subtrahieren einer ersten Konstante von einer Vergrößerung eines Werts der ersten Spannung in Bezug auf einen ersten Referenzwert erhalten wird, die zeitliche Veränderung der zweiten Spannung durch einen zweiten Wert angegeben wird, der durch Subtrahieren einer zweiten Konstante von einer Vergrößerung eines Werts der zweiten Spannung in Bezug auf einen zweiten Referenzwert erhalten wird, und der Korrelationswert ein Verhältnis zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert ist.
Lebensdauerdiagnosevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Konstante und die zweite Konstante 1 sind.
Lebensdauerdiagnosevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Konstante und die zweite Konstante 0 sind.
Lebensdauerdiagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste Referenzwert und der zweite Referenzwert jeweils ein Wert der ersten Spannung und ein Wert der zweiten Spannung sind, die vor einem Beginn einer Verwendung der Halbleitervorrichtung gemessen werden.
Lebensdauerdiagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste Referenzwert und der zweite Referenzwert jeweils ein Wert der ersten Spannung und ein Wert der zweiten Spannung sind, die nach dem Beginn der Verwendung der Halbleitervorrichtung gemessen werden.
Leistungswandlungsvorrichtung, umfassend: die Lebensdauerdiagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6; eine Hauptumwandlungsschaltung, um eine Eingangsleistung umzuwandeln und die Eingangsleistung auszugeben, wobei die Hauptumwandlungsschaltung eine Halbleitervorrichtung aufweist, an der eine Diagnose durch die Lebensdauerdiagnosevorrichtung vorzunehmen ist; eine Treiberschaltung, um ein Ansteuersignal zum Ansteuern der Halbleitervorrichtung an die Halbleitervorrichtung auszugeben; und eine Steuerschaltung, um ein Steuersignal zum Steuern der Treiberschaltung an die Treiberschaltung auszugeben.