JP2007071796A - 電力用半導体素子の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の通常運転動作における半導体素子のオンオフ動作と並行して、熱疲労によるクラック発生等の異常を過電流による過熱等と判別して検出可能とし、かつ、回路構成を簡略化する。
【解決手段】制御信号ａに応じてＩＧＢＴ４のオフ時、オン時の温度を検出して温度差を求めるためのワンショット回路３１，３４、サンプルホールド回路３２，３５、差分器３６と、ＩＧＢＴ４のオン時間ｔが設定値以下であることを検出する積分器３７、コンパレータ３８、ワンショット回路４０と、ＩＧＢＴ４の電流が設定値以下であることを検出するコンパレータ５９、ワンショット回路４１と、前記温度差が設定値を超えたことを検出するコンパレータ５７と、ワンショット回路４０，４１及びコンパレータ５７の出力の論理積によって半田層の熱疲労を検出するＡＮＤ回路４２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置等に用いられる電力用半導体素子を高温等による破壊から保護するための異常検出装置に関するものである。

図３は、電力変換装置の一例として直流−交流変換を行うインバータの主回路構成を示している。
図３において、１は直流電源、２は電動機等の負荷、３は直流電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換するインバータ部である。なお、図示されていないが、直流電源１は、一般的に、交流電源電圧をダイオード整流器と大容量の電解コンデンサとにより整流、平滑して構成される。

上記インバータ部３において、４は電力用半導体素子としてのＩＧＢＴ、５はＩＧＢＴ４に逆並列接続された環流ダイオードであり、これらが三相の上下アームに合計６個接続されている。
６はＩＧＢＴ４の駆動・保護回路であり、一般にＩＧＢＴ４及び駆動・保護回路６を一体化したモジュールをＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）と呼んでいる。なお、２０は上記駆動・保護回路６との間で信号を授受して各ＩＧＢＴ４をオンオフ制御する制御回路である。
ここで、駆動・保護回路６は、ＩＧＢＴ４を駆動するだけでなく、ＩＧＢＴ４を過電流や過熱から保護する保護動作も行っている。

図４は、過電流保護及び過熱保護機能を有する駆動・保護回路６の内部構成図である。なお、７はＩＧＢＴ４の過電流を検出するための電流検出用端子としてのセンスエミッタ端子であり（この場合のＩＧＢＴ４をセンス機能付きＩＧＢＴとも呼ぶ）、このセンスエミッタ端子７はＩＧＢＴチップ４Ｃ内に形成されている。

図４に示す駆動・保護回路６において、８はゲート駆動回路であり、前記制御回路２０からの制御信号を受けてＩＧＢＴ４をオン、オフするためのものである。９はＩＧＢＴチップ４Ｃに内蔵されている温度検出用のダイオードであり、駆動・保護回路６内の電流源１０から電流を流し、図５に示すようなダイオード９の電流−温度特性（温度が高くなると、同一の電流値Ｉ_０に対する電圧Ｖ_ｆが低くなる特性）を利用して、ＩＧＢＴチップ４Ｃの温度が基準電圧１１に対応する温度以上か否かをコンパレータ１２にて判断する。
そして、ダイオード９による検出温度が設定値以上になった場合には、オア回路１３を介して図３の制御回路２０等にアラーム信号を出力すると共に、ゲート駆動回路８側にも信号を出力してＩＧＢＴ４を強制的に遮断する。

１４はセンスエミッタ端子７と直列に接続された電流検出用の抵抗であり、この抵抗１４の両端電圧が基準電圧１５以上になるとＩＧＢＴ４に過電流が流れていると判断し、コンパレータ１６及び前記オア回路１３を介してアラーム出力及びＩＧＢＴ４の強制遮断を実行する。
なお、アラーム信号が出力された場合には、制御回路２０側でも装置の強制停止を行うのが一般的である。

次に、図６は、上述したＩＧＢＴ４及び駆動・保護回路６を一体化したＩＰＭの概略断面図であり、主としてＩＧＢＴチップ４Ｃ及び環流ダイオードチップ５Ｃの実装構造を示したものである。
図６において、１７１は銅ベース、１７２は絶縁材、１７３，１７４は銅箔パターン（絶縁材１７２及び銅箔パターン１７３，１７４をまとめて絶縁基板という）であり、ＩＧＢＴチップ４Ｃ及び環流ダイオードチップ５Ｃは銅箔パターン１７３，１７４上にそれぞれ半田付けされている。１７５，１７６は半田層を示す。また、１７７はケースである。
ここでは、駆動・保護回路６の実装構造については図示及び説明を省略してある。

さて、一般にＩＰＭが長期にわたって使用されると、半田層１７５，１７６と銅箔パターン１７３，１７４との熱膨張率の相違によって半田層１７５，１７６が熱疲労を起こし、その結果、図７に示すようにクラック１７８が入り始める
クラック１７８が入ると、例えばＩＧＢＴチップ４Ｃと絶縁基板との間の熱抵抗が急激に高くなり、ＩＧＢＴチップ４Ｃの温度上昇率も急激に高くなる。このため、前述した図４におけるダイオード９、コンパレータ１２、オア回路１３等による温度検出動作が間に合わず、最終的にＩＧＢＴチップ４Ｃの破壊を招くおそれがあった。また、半田層１７５，１７６にクラック１７８が入った場合、ＩＰＭとしてはもはや寿命であり、電力変換装置としては早期にＩＰＭを交換する必要がある。

なお、従来技術として、半導体素子に予め一定のコレクタ電流を通流してコレクタ−エミッタ間電圧や温度を初期値として測定、記憶しておき、一定時間経過後に同様に測定、記憶した電圧や温度の測定値と前記初期値との差を基準値と比較してボンディングワイヤや半田層を含む素子の劣化を判断するようにした電力用半導体素子の劣化判断方法が、特許文献１に記載されている。
また、電力用半導体素子の表裏にそれぞれ設けられた電極の温度を２つの熱電対によりそれぞれ測定し、これらの温度測定値や半導体素子のオン残電圧測定値を初期値と比較して半田層の劣化によるクラック発生を検出するようにした半導体装置の異常検出装置が、特許文献２に記載されている。

特開２００２−５９８９号公報（［００２１］〜［００３４］、図１，図４等） 特開２００３−１７２７６０号公報（［００７１］〜［００８４］、図１〜図３等）

上記の特許文献１に記載された従来技術では、劣化検出を目的とした初期状態及び定常状態におけるコレクタ電流の通流工程、コレクタ−エミッタ間電圧や温度の測定工程、記憶工程等が不可欠であり、これらの工程を電力変換装置の通常の運転動作と別個に行う必要があるため、劣化検出動作が煩雑であった。また、上述した測定値の記憶が必要であり、これらが劣化検出動作や回路構成の複雑化、コストの上昇を招いていた。
特許文献２に記載された従来技術においても、特許文献１と同様に初期状態での温度または電圧検出、測定値の記憶等が必要であると共に、２つの熱電対や電圧測定回路が必要であるため、特許文献１と同様の問題を有していた。
更に、上記特許文献１，２には、例えばクラックの発生による過熱、劣化を過電流による過熱と明確に判別するための構成については特に開示されていない。

そこで、本発明の解決課題は、電力変換装置の通常の運転動作における半導体素子のオンオフ動作と並行して、熱疲労によるクラック発生等の異常を過電流による過熱等と判別して検出可能とし、しかも比較的簡単な回路構成により実現可能とした電力用半導体素子の異常検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電流検出用端子を備えると共に、導電体に素子チップの電極が接合される電力用半導体素子の異常検出装置であって、前記電流検出用端子に流れる電流を検出して前記半導体素子に対する保護動作を行う電力用半導体素子の異常検出装置において、
前記半導体素子をオンオフさせるための制御信号に応じて前記半導体素子のオフ時及びオン時における素子温度を検出してその温度差を求める第１の手段と、
前記半導体素子のオン時間が設定値以下であることを検出する第２の手段と、
前記半導体素子を流れる電流が設定値以下であることを検出する第３の手段と、
第１の手段により求めた温度差が設定値を超えたことを検出する比較手段と、
第２の手段、第３の手段、及び前記比較手段によるすべての検出出力の論理積によって前記導電体の熱疲労を検出する手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、前記導電体は、銅箔パターンの表面に前記電極を接合するための半田層であり、この半田層の熱疲労を検出する手段は、熱疲労によるクラックを検出するものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２による熱疲労検出時に、前記半導体素子を構成要素とする電力変換装置を異常時制御アルゴリズムに従って制御するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項３において、前記異常時制御アルゴリズムは、前記半導体素子を直ちに遮断して前記電力変換装置の運転を停止させる制御動作を含むものである。

請求項５に記載した発明は、請求項４において、
前記異常時制御アルゴリズムは、所定時間経過後に、または予め設定された運転パターンの実行後に、前記電力変換装置の運転を停止させる制御動作を含むものである。

請求項６に記載した発明は、請求項３〜５の何れか１項において、
前記異常時制御アルゴリズムは、外部へアラーム信号を出力させる制御動作を含むものである。

本発明によれば、半導体素子をオンオフさせる制御信号を利用してそのオンオフ前後の温度差を検出し、この温度差が設定値を超えた場合であって、素子の長時間オン時や過電流時以外の状態を熱疲労による異常発生として検出するものである。
このため、前述した特許文献１，２のように、素子の劣化検出を目的として電圧や温度の初期値を測定、記憶する動作が不要になり、電力変換装置を通常運転しながら異常検出動作を実行することができる。従って、初期値等の記憶手段を初めとして回路構成の簡略化が期待できると共に、異常検出動作を実行する制御手段の負担も少なくて済む。
また、熱疲労による異常発生を過電流等の他の異常要因と判別して検出可能であるから、その後の適切かつ迅速な対応も可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は実施形態に係る駆動・保護回路６Ａの構成図であり、その主要部が本発明の異常検出装置を構成している。なお、図１において図４と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
この駆動・保護回路６Ａは、図３における駆動・保護回路６と同様に、インバータ部３等を構成するＩＧＢＴ４を制御回路２０からの制御信号に従って駆動し、かつＩＧＢＴ４を熱疲労による半田層のクラック等から保護する機能を備えている。

図１において、ゲート駆動回路８に与えられる制御回路２０からの制御信号ａ（オン時間をｔとする）は、第１のワンショット回路３１と、ＮＯＴ回路３３を介して第２のワンショット回路３４とにそれぞれ入力されている。これらのワンショット回路３１，３４の出力信号は第１，第２のサンプルホールド回路３２，３５にトリガとしてそれぞれ加えられており、上記構成によって第１のサンプルホールド回路３２は制御信号ａの立ち上がりのタイミングで入力信号ｂをサンプルホールドし、第２のサンプルホールド回路３５は制御信号ａの立ち下がりのタイミングで入力信号ｂをサンプルホールドするように構成されている。

サンプルホールド回路３２，３５の入力信号ｂはダイオード９の電流信号、つまりＩＧＢＴ４の温度検出信号であり、第１のサンプルホールド回路３２の出力信号ｃはＩＧＢＴ４がターンオンする直前の温度検出値に相当し、第２のサンプルホールド回路３５の出力信号ｄはＩＧＢＴ４がターンオフする直前の温度検出値に相当する。
これらの信号ｃ、ｄが差分器３６に入力されて偏差が算出されるが、この偏差はＩＧＢＴ４の通電前後の温度差（温度上昇値）に相当する信号ｅである。
ここで、前記制御信号ａのオン時間ｔが短い場合には、ＩＧＢＴ４の通電前後の温度上昇値を正確に検出することが難しくなるため、前記オン時間ｔは、信号（温度差）ｅが有意な値を持つようにある程度長い期間に設定する必要がある。

ＩＧＢＴチップ４Ｃを銅箔パターン上に接合している半田層（例えば図６における半田層１７５）にクラック等が発生しておらず健全であれば、ＩＧＢＴ４のオンオフ前後の温度差は、半田層自身の通常の熱抵抗値と、ＩＧＢＴ４のオン時間ｔ、ＩＧＢＴ４自身の特性、及びＩＧＢＴ４に実際に流れた電流から計算可能である。この半田層の健全時における温度差をコンパレータ５７の基準電圧５６として設定しておく。
これにより、コンパレータ５７は温度差ｅと基準電圧５６とを比較し、温度差ｅが基準電圧５６を上回った時に、「High」レベルの熱疲労検出信号ｆをＡＮＤ回路４２に向けて出力する。すなわち、半田層にクラックが発生して熱抵抗値が増加した場合には温度差ｅが大きくなるため、コンパレータ５７による基準電圧５６との比較によって熱疲労に基づくクラックの発生を検出し、信号ｆを出力するものである。

一方、制御信号ａが入力される積分器３７はＩＧＢＴ４のオン時間ｔを測定するためのものであり、このオン時間ｔが基準電圧３９による設定値を上回った場合に、コンパレータ３８及び第３のワンショット回路４０を介して「Low」レベルの信号ｇをＡＮＤ回路４２に向けて出力する。
この信号ｇは、半田層が健全であるにも関わらずＩＧＢＴ４が長時間にわたりオンして温度差ｅが基準電圧５６を超えたような場合に、熱疲労検出信号ｆが誤って出力されるのを防止するためのものである。

更に、コンパレータ５９から出力されるＩＧＢＴ４の過電流検出信号は第４のワンショット回路４１に入力されており、その「Low」レベルの出力信号ｈが前記信号ｆ，ｇと共にＡＮＤ回路４２に入力されている。
すなわち、ＩＧＢＴ４に過電流が流れた場合にも温度差ｅが基準電圧を超えることがあるので、ワンショット回路４１の出力信号ｈは、このような過電流による温度上昇時に熱疲労検出信号ｆが誤って出力されるのを防止する機能を持つ。

上述した信号ｆ，ｇ，ｈが入力されるＡＮＤ回路４２の出力信号ｉは、熱疲労による異常検出信号として前記制御回路２０に送られる。信号ｆ，ｇ，ｈがすべて「High」レベルになった場合には、ＩＧＢＴ４のオン時間ｔが設定値以下であると共に、ＩＧＢＴ４を流れている電流も過電流レベル以下であり、そのような条件の下で、ＩＧＢＴ４のオンオフ前後の温度差ｅが半田層健全時における設定値（基準電圧５６）を超えたことを意味するから、この状態を熱疲労による半田層のクラック発生と推定して異常検出信号ｉを出力する。

上記のように本実施形態によれば、ＩＧＢＴ４の長期のオンや過電流による過熱現象を除外して熱疲労に起因する過熱状態のみを判別して検出することが可能である。このため、ＩＧＢＴチップ４ＣやＩＰＭの交換といった適切な対応策を迅速に実行することができる。
また、異常検出動作は、電力変換装置を運転するための制御信号ａを利用して実行可能であり、この制御信号ａを有効利用して異常検出を行うため、異常や劣化検出だけを目的とした信号や動作、工程が最小限で済む。
更に、従来技術のように初期値の測定、記憶等が不要であるから、これらに用いる回路も不要であって回路構成の簡略化が可能であり、制御手段の負担も少ない等の利点がある。

次に、図２は前記制御回路２０における制御アルゴリズムを示している。
インバータ部３を有する電力変換装置の運転指令ｊに対して、前述した異常検出信号ｉがない場合（信号ｉが「Low」レベルの場合）は、アンドゲート５１を介して通常時制御アルゴリズム５３を有効とし、このアルゴリズム５３をオアゲート５５を介して実行させる。
一方、異常検出信号ｉが発生した場合（信号ｉが「High」レベルの場合）には、アンドゲート５２を介して異常時制御アルゴリズム５４を有効とし、このアルゴリズム５４をオアゲート５５を介して実行させる。

ここで、通常時制御アルゴリズム５３は、電力変換装置から所定の大きさ及び周波数の電圧を出力させるために各ＩＧＢＴをオンオフする制御動作に必要なアルゴリズムであり、異常時制御アルゴリズムは、各ＩＧＢＴの全ゲートオフ動作により電力変換装置の運転を直ちに停止させたりアラーム信号を出力させるようなアルゴリズムを意味する。
但し、場合によっては、半田層にクラック等が発生していても、ＩＧＢＴチップの温度が絶対最大定格温度以下であれば即破壊に至るおそれは少ないため、ある設定された所定の運転シーケンスの実行後に電力変換装置の運転を停止させても良い。

なお、本発明の実施形態では、熱疲労によるクラックの検出や過電流の検出をＩＰＭ内の駆動・保護回路６Ａにより行うものとしているが、電力変換装置の制御回路２０内で行っても良いのは勿論である。

本発明の実施形態を示す駆動・保護回路の構成図である。 制御回路における制御アルゴリズムの説明図である。 インバータの主回路構成図である。 図３における駆動・保護回路の内部構成図である。 温度検出用ダイオードの電流−温度特性図である。 ＩＰＭの概略断面図である。 半田層にクラックが発生した場合のＩＰＭの概略断面図である。

符号の説明

４：ＩＧＢＴ
４Ｃ：ＩＧＢＴチップ
６Ａ：駆動・保護回路
７：センスエミッタ端子
８：ゲート駆動回路
９：ダイオード
１０：電流源
１４：抵抗
３７：差分器
３１，３４，４０，４１：ワンショット回路
３２，３５：サンプルホールド回路
３３：ＮＯＴ回路
３８，５７，５９：コンパレータ
３９，５６，５８：基準電圧
４２：ＡＮＤ回路
５１，５２：アンドゲート
５３：通常時制御アルゴリズム
５４：異常時制御アルゴリズム
５５：オアゲート

Claims (6)

1. 電流検出用端子を備えると共に、導電体に素子チップの電極が接合される電力用半導体素子の異常検出装置であって、前記電流検出用端子に流れる電流を検出して前記半導体素子に対する保護動作を行う電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記半導体素子をオンオフさせるための制御信号に応じて前記半導体素子のオフ時及びオン時における素子温度を検出してその温度差を求める第１の手段と、
   前記半導体素子のオン時間が設定値以下であることを検出する第２の手段と、
   前記半導体素子を流れる電流が設定値以下であることを検出する第３の手段と、
   第１の手段により求めた温度差が設定値を超えたことを検出する比較手段と、
   第２の手段、第３の手段、及び前記比較手段によるすべての検出出力の論理積によって前記導電体の熱疲労を検出する手段と、
   を備えたことを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
2. 請求項１に記載した電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記導電体は、銅箔パターンの表面に前記電極を接合するための半田層であり、
   この半田層の熱疲労を検出する手段は、熱疲労によるクラックを検出することを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
3. 請求項１または２による熱疲労検出時に、前記半導体素子を構成要素とする電力変換装置を異常時制御アルゴリズムに従って制御することを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
4. 請求項３に記載した電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記異常時制御アルゴリズムは、前記半導体素子を直ちに遮断して前記電力変換装置の運転を停止させる制御動作を含むことを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
5. 請求項４に記載した電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記異常時制御アルゴリズムは、所定時間経過後に、または予め設定された運転パターンの実行後に、前記電力変換装置の運転を停止させる制御動作を含むことを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
6. 請求項３〜５の何れか１項に記載した電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記異常時制御アルゴリズムは、外部へアラーム信号を出力させる制御動作を含むことを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。

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