JP2005130568A - パワーモジュールの検査方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来の装着物と被装着物との装着状態を判別する方法では、順方向電圧値の変化値が判定値よりも大きいか否かを判定するのみであったので、変化値が判定値よりも大幅に大きかった場合には、装着物である半導体素子が高温になり過ぎて破壊する恐れがあった。
【解決手段】 複数のIGBT素子11を備え、冷却ユニット5に接合されるパワーモジュール1であって、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュール1において、各IGBT素子11に通電を行い、IGBT素子11の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、温度検出機能により検出されるIGBT素子11の温度の通電による変化が、予め定められた値よりも小さいか否かを判定することにより、パワーモジュール1と冷却ユニット5との密着状態の良否判断を行う。
【選択図】 図3

Description

本発明は、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行うためのパワーモジュールの検査方法に関する。
パワーモジュールは、IGBT素子などのパワー素子を高速スイッチングすることで、バッテリーから供給される高圧直流電流を交流電流に変換してモーターを駆動するものである。このパワーモジュールに搭載されるパワー素子は作動時の発熱が非常に大きいため、如何に放熱を行うかが重要な課題となる。
一般的に、パワーモジュールは、放熱板上に絶縁板を介してパワー素子を実装して構成されており、放熱板を冷却ユニット上に接合することで、パワー素子からの発熱を、放熱板を介して冷却ユニットへ放熱するようにしている。
そして、パワーモジュールの放熱板と冷却ユニットとの熱接触抵抗は、放熱性に大きく影響するため、放熱板と冷却ユニットとの間に、熱伝導率の高いゲル状の材料を介在させることが行われている。
ここで、放熱板と冷却ユニットとは全面にわたって密着することが重要であり、放熱グリスなどのゲル状の材料にエアの巻き込みが生じて、両者間に未着部位が残ると、その部分だけが他部よりも高温となるヒートスポットとなって、パワー素子破壊の原因となり得る。
しかし、近年ではパワーモジュールの大型化に伴って放熱板の面積が広くなり、放熱板と冷却ユニットとの密着性を全面にわたって確実に確保することが困難となってきているため、密着状態の検査を行うことによりパワーモジュールの放熱性の品質を保証することが必要となってきている。
装着物と被装着物との装着状態を判別する方法としては、例えば特許文献1に示すように、放熱板に装着された半導体素子の装着状態を判別する方法がある。
すなわち、特許文献1によれば、半導体素子を動作させて自己発熱させ、自己発熱により温度を上昇させたときの、保護ダイオードの順方向電圧値の変化を測定することで、半導体素子の装着状態を判別する方法が記載されている。
特開2000−298156号公報
前述の特許文献1に示す方法では、保護ダイオードの順方向電圧値の変化値と予め決めておいた判定値とを比較して、変化値が判定値よりも大きければ半導体素子の装着状態が不良であると判定していた。
このように、変化値が判定値よりも大きければ半導体素子の装着状態が不良であると判定するのみでは、
変化値が判定値よりも大幅に大きかった場合、つまり不良品の温度が良品の温度に対して大幅に高かった場合には、半導体素子が高温になり過ぎて破壊する恐れがある。
パワーモジュールの場合、冷却ユニットとの密着が不十分であって不良であると判定された場合でも、リワークすれば良品とすることが可能であるので、検査中にパワー素子が破壊してしまうと、良品となり得るパワーモジュールが無駄となってしまう。
そこで、本発明では、パワーモジュールの放熱板と冷却ユニットとの未着度合いが大きい場合であっても、パワー素子を破壊することなく、確実に不良を判別することができる検査方法を提供する。
上記課題を解決するパワーモジュールの検査方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項1記載の如く、複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、各パワー素子に通電を行い、パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、温度検出機能により検出されるパワー素子の温度の通電による変化が、予め定められた値よりも小さいか否かを判定することにより、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う。
このように、過熱保護機能の作動による判定と、通電開始前後での温度変化による判定を行うことにより、IGBT素子の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行うことが可能となるとともに、過熱保護機能が作動する程ではないが正常範囲を超えた未着部位の検出を、IGBT素子の温度変化により行うことができ、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
また、請求項2記載の如く、複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、各パワー素子に通電を行い、パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、温度検出機能により検出された、パワーモジュールの温度が、予め定められた値に達するまでの時間が、予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う。
このように、過熱保護機能の作動による判定と、通電開始前後での温度変化による判定を行うことにより、IGBT素子の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行うことが可能となるとともに、過熱保護機能が作動する程ではないが正常範囲を超えた未着部位の検出を、パワーモジュールの温度が予め定められた値に達するまでの時間を用いて行うことができ、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
また、請求項3記載の如く、複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、各パワー素子に通電を行い、通電によるパワーモジュールの温度上昇により過熱保護機能が動作するまでの時間が、予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う。
これにより、IGBT素子の過熱による破壊を防止しながら未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
また、請求項4記載の如く、前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、温度検出機能により検出された温度を用いた判定においては、複数のパワー素子のうち、特定の一つのパワー素子から検出された温度が常時用いられる。
これにより、過熱保護機能が作動していない状態で、温度変化が基準温度よりも大きかったために不良判定となった場合には、温度検出が行われている選択されたIGBT素子の実装箇所に密着不良が存在していることがわかり、密着不良箇所を特定することが可能である。
また、請求項5記載の如く、前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断には、温度検出機能により検出された温度が最も高温であるパワー素子の検出温度が用いられる。
これにより、過熱保護機能が作動する程度の密着不良が存在している場合には、過熱保護機能が作動するIGBT素子と、温度検出が行われるIGBT素子とを一致させることができる。
本発明によれば、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
また、密着不良箇所を特定することが可能である。
さらに、過熱保護機能が作動する程度の密着不良が存在している場合には、過熱保護機能が作動するIGBT素子と、温度検出が行われるIGBT素子とを一致させることができる。
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
図1に示すように、パワーモジュール1は、パワー素子であるIGBT素子11・11・・・を複数具備しており、例えばモーター2の駆動用に用いられている。
また、パワーモジュール1は、各IGBT素子11・11・・・の温度検出機能、および過熱保護機能(自己保護機能)を備えたIPM(Intelligent Power Module)に構成されている。
ここで、過熱保護機能とは、パワーモジュール1に具備される過熱検出回路が、各IGBT素子11の過熱を検出すると、各IGBT素子11・11・・・を一定時間ターンオフするとともに、異常信号を出力するものである。
また、パワーモジュール1には、コントローラ3が接続されている。
図2に示すように、パワーモジュール1は、絶縁板を介して放熱板12に実装されるIGBT素子11・11・・・を筐体13にて覆って構成されており、放熱板12は冷却ユニット5上に接合されている。
放熱板12と冷却ユニット5との間には、高熱伝動性グリスなどの熱伝導率の高いゲル状の材料が介在されており、IGBT素子11・11・・・からの発熱を、放熱板12を介して冷却ユニット5へ効率良く放熱するようにしている。
放熱板12と冷却ユニット5との接合においては、両者を全面にわたって密着させることが重要であるが、両者間に介在される放熱グリスなどのゲル状の材料にエアの巻き込みが生じるなどの理由により、両者間に未着部位が残る場合がある。
このような未着部位は、パワーモジュール1の作動時に他部よりも高温となるヒートスポットとなって、パワー素子破壊の原因となり得る。
従って、本発明では、次のように放熱板12と冷却ユニット5との密着状態を検査して、パワーモジュール1の放熱性の品質を保証するようにしている。
パワーモジュール1の検査方法の第一実施形態について説明する。
図3に示すように、まず、IGBT素子11が備える温度検出機能を用いて初期のIGBT素子11の温度T0を検出する(S101)。
初期温度T0を検出後、コントローラ3によりパワーモジュール1に通電を開始する(S102)。
その後、通電によりパワーモジュール1の過熱保護機能が作動したか否かの判定を行い(S103)、過熱保護機能が作動しなければ、所定時間通電した後に通電を終了する(S104)。通電途中で過熱保護機能が作動すれば、放熱板12と冷却ユニット5との間に未着部位が存在していると判断されて不良判定がなされる(S111)。
また、通電終了時には、温度検出機能を用いてIGBT素子11の温度T1が検出される(S105)。
コントローラ3により、検出されたIGBT素子11の初期温度T0と通電終了時温度T1との差が算出され、通電開始前後でのIGBT素子11の温度変化ΔTが求められる(S106)。
そして、求められた温度変化ΔTの値が、予め設定されている基準温度Ttの値以上か否かが判定され(S107)、温度変化ΔTが基準温度Tt以上であれば、放熱板12と冷却ユニット5との間に未着部位が存在していると判断されて不良判定がなされる(S121)。
ステップS107にて温度変化ΔTが基準温度Tt未満であれば冷却ユニット5との間に未着部位は存在しないとして良品判定がなされる(S108)。
以上のように、本実施形態における検査方法では、ステップS103にて行われる過熱保護機能が作動したか否かの判定と、ステップS107にて行われるIGBT素子11の通電開始前後での温度変化ΔTが基準温度Tt以上であるか否かの判定といったように、二段階にわたって放熱板12と冷却ユニット5との間の密着性についての検査が行われている。
つまり、一段階目の検査である過熱保護機能の作動による判定により、大きな範囲の未着部位の存在、または多くの未着部位の存在を検査し、二段階目の検査である通電開始前後での温度変化ΔTによる判定により、小さな範囲の未着部位の存在、または少数の未着部位の存在を検査することが可能となっている。
例えば、図4に示す温度曲線51のように、通電開始から上昇していくIGBT素子11の温度が、予め定められている過熱保護機能作動温度領域Tpに達すると、過熱保護機能が作動してパワーモジュール1の機能が停止する。
このように、通電時のIGBT素子11の温度が、過熱保護機能の作動温度以上の、かなり高い温度の過熱保護機能作動温度領域Tpまで達した場合には、パワーモジュール1から冷却ユニット5への放熱がうまく行われておらず、放熱板12と冷却ユニット5との間に大きな未着部位があるか多くの未着部位があると判断される。
一方、温度曲線52のように、通電時間内での最高温度が前記過熱保護機能作動温度領域Tpよりも低いが、通電開始から終了までの温度変化ΔT1が、基準温度Ttよりも大きい場合には、異常な温度上昇であると判定される。
この場合は、異常な温度上昇が生じるのは、それほど大きくはない、または多くはないが未着部位があり、その未着部位の大きさまたは数が正常レベルを超えているためであると判断される。
また、温度曲線53のように、通電時間内での最高温度が前記過熱保護機能作動温度領域Tpよりも低く、通電開始から終了までの温度変化ΔT2が、基準温度Ttよりも小さい場合には、正常範囲内の温度上昇であると判定される。
つまり、本検査方法では、通電時のIGBT素子11の温度が、過熱保護機能が作動する温度にまで達せず、且つ通電開始から終了までの温度変化ΔTが基準温度Ttよりも小さい場合のみ、良品と判定される。
このように、過熱保護機能の作動の有無を判定することにより、IGBT素子11の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行いつつ、IGBT素子11の温度変化ΔTにより小さな未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュール1を破損させることなく、放熱板12と冷却ユニット5との密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
また、本検査方法により検査を行う場合、複数のIGBT素子11のうち、何れか一つのIGBT素子11を予め選択しておき、選択したIGBT素子11の温度を常時検出するようにしている。
これにより、全てのIGBT素子11の温度を検出するようにした場合に比べて、検出値の処理量を少なくすることができ、コントローラ3の負担を軽減することができる。
なお、過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のIGBT素子11の全てが判定の対象となっており、何れか一つのIGBT素子11にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定される。
このように、選択した一つのIGBT素子11の温度を検出することで、過熱保護機能が作動していない状態で、温度変化ΔTが基準温度Ttよりも大きかったために不良判定となった場合には、温度検出が行われている選択されたIGBT素子11の実装箇所に密着不良が存在していることがわかり、密着不良箇所を特定することが可能である。
また、温度検出は、複数のIGBT素子11のなかから、検出時点で最も高温になっているIGBT素子11を選択して、行うこともできる。
この場合は、放熱板12と冷却ユニット5との密着不良がある位置に応じて温度検出を行うIGBT素子11が変化し、密着不良がある位置に装着されているIGBT素子11の温度が検出されることとなる。
一方、過熱保護機能も、密着不良がある位置に装着されているIGBT素子11の過熱保護機能が作動するため、過熱保護機能が作動する程度の密着不良が存在している場合には、過熱保護機能が作動するIGBT素子11と、温度検出が行われるIGBT素子11とが一致することとなる。
次に、パワーモジュール1の検査方法の第二実施形態について説明する。
図5に示すように、まず、IGBT素子11が備える温度検出機能を用いて初期のIGBT素子11の温度T0を検出する(S201)。
初期温度T0を検出後、コントローラ3によりパワーモジュール1に通電を開始する(S202)。
その後、通電によりパワーモジュール1の過熱保護機能が作動したか否かの判定を行い(S203)、通電途中で過熱保護機能が作動すれば、放熱板12と冷却ユニット5との間に未着部位が存在していると判断されて不良判定がなされる(S211)。
通電中、IGBT素子11の温度は継続して検出されており、過熱保護機能が作動しなければ、IGBT素子11の検出温度が予め設定された目標温度Taimに達するまで通電を行い(S204)、検出温度が目標温度Taimに達すると、通電を終了する(S205)。なお、通電開始から通電終了までの通電時間がコントローラ3により計測されている。
その後、パワーモジュール1への通電時間が、予め設定されている基準時間以上であったか否かの判定がなされ(S206)、通電時間が基準時間以上であった場合は良品であると判定され(S207)、基準時間未満であれば不良品であると判定される(S221)。
つまり、通電開始から、IGBT素子11の温度が目標温度に達するまでの時間が、基準時間以上であれば、放熱板12と冷却ユニット5との間の密着状態が良好であって密着不良はなく、良品であると判断する。
逆に、IGBT素子11の温度が目標温度に達するまでの、通電開始からの時間が基準時間より短ければ、放熱板12と冷却ユニット5との間に密着不良箇所が存在するため、IGBT素子11の温度上昇が早くなると考えられ、不良品との判断がなされる。
このような方法で密着状態の検査を行っても、IGBT素子11の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行いつつ、パワーモジュール1への通電時間により小さな未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュール1を破損させることなく、放熱板12と冷却ユニット5との密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
次に、パワーモジュール1の検査方法の第三実施形態について説明する。
図6に示すように、まず、IGBT素子11が備える温度検出機能を用いて初期のIGBT素子11の温度T0を検出する(S301)。
初期温度T0を検出後、コントローラ3によりパワーモジュール1に通電を開始する(S302)。
パワーモジュール1に対する通電は、過熱保護機能が作動するまで継続され(S303)、過熱保護機能が作動すると通電が終了する(S304)。
なお、通電開始から通電終了までの通電時間がコントローラ3により計測されている。
その後、パワーモジュール1への通電時間が、予め設定されている基準時間以上であったか否かの判定がなされ(S305)、通電時間が基準時間以上であった場合は良品であると判定され(S306)、基準時間未満であれば不良品であると判定される(S311)。
つまり、本検査方法では、過熱保護機能が作動するまでパワーモジュール1に対する通電が継続され、通電開始から過熱保護機能が作動するまでの時間が基準時間以上であれば、放熱板12と冷却ユニット5との間の密着状態が良好であって密着不良はなく、良品であると判断する。
逆に、通電開始から過熱保護機能が作動するまでの時間が基準時間より短ければ、放熱板12と冷却ユニット5との間に密着不良箇所が存在するため、IGBT素子11の温度上昇が早くなると考えられ、不良品との判断がなされる。
このような方法で密着状態の検査を行った場合も、IGBT素子11の過熱による破壊を防止しながら未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュール1を破損させることなく、放熱板12と冷却ユニット5との密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
本発明のパワーモジュールの検査方法により検査が行われるパワーモジュールを示す平面図である。 同じくパワーモジュールを示す側面図である。 パワーモジュールの検査方法の第一実施形態のフローを示す図である。 IGBT素子の過熱保護機能作動温度領域およびIGBT素子の検出温度変化を示す図である。 パワーモジュールの検査方法の第二実施形態のフローを示す図である。 パワーモジュールの検査方法の第三実施形態のフローを示す図である。
符号の説明
1 パワーモジュール
5 冷却ユニット
11 IGBT素子
12 放熱板

Claims (5)

  1. 複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、
    各パワー素子に通電を行い、
    パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、
    温度検出機能により検出されるパワー素子の温度の通電による変化が、予め定められた値よりも小さいか否かを判定することにより、
    パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う
    ことを特徴とするパワーモジュールの検査方法。
  2. 複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、
    各パワー素子に通電を行い、
    パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、
    温度検出機能により検出された、パワーモジュールの温度が、予め定められた値に達するまでの時間が、
    予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、
    パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う
    ことを特徴とするパワーモジュールの検査方法。
  3. 複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、
    各パワー素子に通電を行い、
    通電によるパワーモジュールの温度上昇により過熱保護機能が動作するまでの時間が、予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、
    パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う
    ことを特徴とするパワーモジュールの検査方法。
  4. 前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、
    温度検出機能により検出された温度を用いた判定においては、複数のパワー素子のうち、特定の一つのパワー素子から検出された温度が常時用いられる
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュールの検査方法。
  5. 前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、
    パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断には、温度検出機能により検出された温度が最も高温であるパワー素子の検出温度が用いられる
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュールの検査方法。
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