JP2010165717A - 電力用半導体モジュールの安全装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力用半導体モジュール1の安全装置2は、温度センサ3が検出した代表部位の温度に基づいて電力用半導体モジュール1の各部位における温度を推定する各部位温度推定部11と、代表部位または各部位の少なくとも2つ以上の部位において推定された温度に基づいて電力用半導体モジュール1の各部位における余寿命を推定する各部位余寿命推定部12と、推定された電力用半導体モジュール1の各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュール1としての余寿命を判定する余寿命判定部13とを備える。
【選択図】図1
Description
次に、図4の詳細フローチャートを参照して、安全装置2による代表部位の温度検出及び各部位の温度推定(図3のS10,S12に対応)について詳細に説明する。図4のフローチャートは、温度センサ3による温度検出毎に実行される。
部位Bの温度:Tb=Kb(T−T0)+T0 …(2)
部位Cの温度:Tc=Kc(T−T0)+T0 …(3)
この時、部位Aと部位Bは代表部位とほぼ同じ温度と考えKa=Kb=1とすることでTa=Tb=Tとする。部位Cの温度Tcは、例えば、温度センサ3(サーミスタ)と冷却水間の熱抵抗を分母に、基板下はんだ60と冷却水間の熱抵抗を分子においたものをKcとして求めることができる。
なお、この時の温度検出は、例えば温度センサ3のようなモジュール内の部位ではなく、その他の装置で測定している外気温等や、冷却水温度センサ8の検出値T0で代替することも可能である。
次に、各部位の余寿命の推定の詳細を説明する。最初に、余寿命推定方法について説明する。例えば、ある部位の温度推定値の履歴を図10(a)に示したような期間経過を辿ったとする。
ここで、Δε:変形の振幅、N:破断に至るまでのサイクル数(疲労寿命)、^:べき乗符号、β:約0.4〜0.7の定数、C:定数である。
式(6)より、熱歪みの振幅が単一ではなく分布する場合には、熱歪みΔε1の回数がn1、熱歪みΔε2の回数がn2,…,とすると、式(7)の累積損傷則が成り立つと寿命に達して破断する。この式(7)は、それぞれ異なる熱ひずみ振幅Δεiによる疲労回数niを代表熱ひずみ振幅Δεfの回数に換算して総和をとったものが、代表熱ひずみ振幅Δεfにおける寿命回数Nf以上となったときに破断することを示している。
+…≧Nf …(7)
次に、図5の詳細フローチャートを参照して、安全装置2による各部位の余寿命の推定について説明する。図5のフローチャートは、図4の温度検出及び温度推定が終了すると起動され、各部位A,B,C毎に行われる。尚、図5及びその説明において、測定温度は、推定温度も含む当該部位の温度である。
N(i)=1/2 …(9)
次いで、S36で安全装置2は、温度差ΔT(i)から、熱疲労パラメータΔε(i)を式(10)により算出する。
例えば、部位Bに与える熱疲労のメカニズムが事前に分かっていれば、温度差ΔTbによって固有の部位における固有の材料に与える疲労成分を推定することが可能になる。即ち、半導体チップ51の発熱によって部位Bには温度差ΔTb(i)が加わる。その結果、熱膨張係数の異なる半導体チップ51と絶縁基板52の間に変位が生じるために、チップ下はんだ59が歪むことが知られている。その熱ひずみが蓄積して最終的にチップ下はんだ59にクラックが入り、それが半導体チップ51の放熱経路における熱抵抗の増大につながり、最終的には半導体チップ51で発生する熱を放熱しきれずに、半導体チップ51が破壊して半導体モジュール1の故障となる。
次いで回数Nf(i)を、代表疲労パラメータΔεfにおける前回までの累積疲労損傷回数Nf(n−1)に加算して、今回の累積疲労損傷回数Nf(n0)を得る。
この時の熱ひずみ−代表熱ひずみ換算式である式(11)は、疲労する材料固有の疲労寿命特性に基づくものを用いる。即ち、それぞれの熱ひずみ振幅Δε(i)における疲労損傷回数N(i)を疲労寿命特性の式に基づき代表熱ひずみ振幅Δεfの疲労損傷回数Nf(i)に換算する。そして、全ての熱ひずみ振幅Δε(i)を積算して累積疲労損傷回数Nf(n0)=ΣNf(i)を求め、それを代表熱ひずみ振幅Δεfの寿命回数Nfで割った値が疲労損傷率Nf(n0)/Nfとなる。これを1から引くことで余寿命率η(n0)が求まる。例えば部位Bにおいて、チップ下はんだ59の疲労寿命特性に基づく熱ひずみ−代表熱ひずみ換算式は、式(11)に添字bを付加して、式(13)で示せる。
ここで、βはチップ下はんだ59の疲労延性指数から求まる材料固有の値であり、式(5)のマンソン・コフィン則で用いたβの値である。Nb(i)とΔεb(i)は先にS37で選別されたデータであり、Δεbfは電力用半導体モジュール1の設計時に換算式と同時に代表値として任意に決定しておく値であり、必ずしも熱疲労加速寿命試験に用いた値でなくてもよい。
次に、図6の詳細フローチャートを参照して、電力用半導体モジュールとしての余寿命の判定について説明する。図6のフローチャートは、図5の各部位の余寿命推定が終了すると起動される。
ここで、余寿命率に代わって余寿命時間を用いる方法を説明する。データBとして記憶した余寿命率を算出した時刻t(n0)と、モジュールの余寿命率η(n0)と、各部位の余寿命率ηa(n0),ηb(n0),ηc(n0)とを読み出し、各部位毎の余寿命率の時間変化率から今後も正常に機能すると予想される余寿命時間を求めることが可能である。
=ηb(n0)×{t(n0)−t(n−1)}/{ηb(n−1)−ηb(n0)}
…(14)
これを各部位毎に算出し比較することによってモジュールの余寿命時間ηt(n0)が求まる。即ち、余寿命率の比較と同様、最も余寿命時間が小さい値となった部位が、最も早く破壊に至る部位であると特定できる。従って、各部位の余寿命とその低下速度から求めた各部位の余寿命時間の最小値をモジュールの余寿命時間とする。
…(15)
次いでS43で、安全装置2は、各部位の余寿命率ηを各部位の疲労速度dη/dtで寿山することにより、各部位の余寿命時間ηt(n0)を式(16)により算出する。
=η(n0)×{t(n0)−t(n−1)}/{η(n−1)−η(n0)} …(16)
式(16)に例えば部位Bを示す添字bを付ければ、式(14)と同じとなる。部位A,部位Cも同様に計算する。
次に、モジュールの延命処置制御について述べる。特に本発明では、疲労破壊する可能性のある全ての部位における疲労を把握できる特徴から、どこが最も累積疲労損傷度が高いかを判定し、必ずしも延命処理として半導体チップ51自身の温度を下げる必要の無い場合も考えられる。即ち、本発明に従えば、延命制御手段は必ずしも電力用半導体モジュール1に求められる機能である出力値を下げたりその立上げ速度を落とすことだけではなく、モジュール停止中の加熱や冷却によって、またはモジュール稼働中の冷却システムの制御変更等によってモジュールの機能を下げることなくモジュールの延命を図ることも可能になる。
次に、図7の詳細フローチャートを参照して延命処置を施す部位の特定と延命の方策について説明する。図7のフローチャートは、定期的(例えば1日毎)或いは安全装置2の起動毎に起動される。まずS50で、安全装置2は、データBを読み込む。次いでS51で安全装置2は、モジュールの余寿命率η(n0)または余寿命時間ηt(n0)(以下、余寿命と記載)があるしきい値Xより小さいかどうかを判定する。余寿命がしきい値X以上であれば、延命処置は不要なので本フローを終了する。
次に、図8の詳細フローチャートを参照して、半導体チップ51近傍の延命処置である延命処置制御Eについて説明する。図8のフローチャートは、半導体チップ51近傍における温度制御を行う必要があることを示す制御フラグEがオンされている場合に、温度測定のタイミング(例えば1秒)毎に起動される。
次に、図9の詳細フローチャートを参照して、放熱器4近傍の延命処置について説明する。図9のフローチャートは、放熱器4近傍における温度制御を行う必要があることを示す制御フラグDがオンされている場合に、温度測定のタイミング(例えば1秒)毎に起動される。
以上説明した本実施の形態によれば、電力用半導体モジュール1における各部位の余寿命を管理することによって、より確実なモジュールの故障を防止できモジュールの信頼性向上に寄与する。また、モジュール起動中でなくても温度検出を行うことによって、従来チップ周辺の疲労の支配要因であった発熱以外の負荷となる環境の温度変化も把握でき、より疲労検知の精度が上がる。特に放熱器近傍における疲労箇所として上げられる基板下ハンダ接合部においては重要な情報であり、正しい余寿命管理が可能となる。また、各部位で異なる疲労パラメータ演算式や寿命特性式を用いることで、より正確な余寿命を予測できる。また各部位での余寿命を比較することでモジュールとしての余寿命を把握できる。また、部位毎に余寿命を推定しているため、疲労要因である温度差を特定の部位で低減することによって、極力機能を落すことなく寿命を延ばすことも可能になり、モジュールとしての信頼性向上が図れる。
2 安全装置
3 温度センサ
4 放熱器
5 冷却水ポンプ
6 ラジエータ
7 ファン
8 冷却水温度センサ
9 冷却水路
10 インバータ制御装置
11 各部位温度推定部
12 各部位余寿命推定部
13 余寿命判定部
14 延命制御部
Claims (9)
- 少なくとも1つの半導体チップを含む電力用半導体モジュールの少なくとも1つの代表部位における温度を検出する温度検出手段と、
検出された温度に基づいて電力用半導体モジュールの各部位における温度を推定する各部位温度推定手段と、
代表部位または各部位の少なくとも2つ以上の部位において推定された温度に基づいて電力用半導体モジュールの各部位における余寿命を推定する各部位余寿命推定手段と、
推定された電力用半導体モジュールの各部位の余寿命に基づいて電力用半導体モジュールとしての余寿命を判定する余寿命判定手段と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体モジュールの安全装置。 - 前記各部位温度推定手段は、前記温度検出手段によって検出された代表部位の温度と電力用半導体モジュールが設置されている周囲の温度から、代表部位と周囲との温度差を求め、代表部位と周囲との間の熱抵抗と各部位と周囲との間の熱抵抗の比を用いることによって、各部位における温度を推定することを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記温度検出手段と前記各部位温度推定手段とは、電力用半導体モジュールが稼働していない状態であっても作動し、前記各部位温度推定手段は、電力用半導体モジュールが稼働していない状態において代表部位と各部位とが全て同一温度であると推定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記各部位余寿命推定手段は、各部位を構成する材料に応じた疲労パラメータの演算式を用いて各部位の疲労パラメータを演算し、各部位に応じた寿命特性式を用いて各部位の余寿命を推定することを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記余寿命判定手段は、前記各部位余寿命推定手段が推定した各部位の余寿命から最小値を求めて、この最小値を電力用半導体モジュールの余寿命とすることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記余寿命判定手段は、各部位の余寿命の時間変化から求まる余寿命の低下速度を用いて各部位の余寿命時間を演算し、各部位の余寿命時間を比較し、その比較結果に基づきモジュールの余寿命を判断することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記余寿命判定手段が判定した電力用半導体モジュールの余寿命に基づき、特定の部位における疲労パラメータを低減させる制御を行う延命制御手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記延命制御手段は、電力の立上り時に前記半導体チップに形成された半導体素子のスイッチング周波数を下げて該半導体素子の急激な発熱を抑える、または電力の立上り時に電流の立上り速度を下げて該半導体素子の急激な発熱を抑える、または最高出力電力を下げて該半導体素子の最高温度を抑える、または電力の立下り時にスイッチング周波数を上げて該半導体素子の急激な冷却を抑える、または電力の立下り時に無効電流を流して該半導体素子の急激な冷却を抑える、のいずれか1つ以上を行うことで前記半導体チップ周辺の部位における疲労回数を低減させることを特徴とする請求項7に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
- 前記延命制御手段は、前記各部位温度推定手段が推定した放熱器周辺の部位の温度が上限しきい値を上回った場合に、冷却性能を上げて放熱器周辺の部位の温度上昇を抑える、または前記温度が下限しきい値を下回った場合に、冷却性能を下げて放熱器周辺の部位の温度下降を抑える、または前記延命制御手段は電力用半導体モジュールが稼働していない状態であっても前記温度検出手段と共に独立して作動し、前記温度検出手段が検出した代表部位の温度が上限しきい値を上回った場合に、放熱器を稼動させて電力用半導体モジュール全体の温度上昇を抑える、または代表部位温度が下限しきい値を下回った場合に、前記半導体チップに形成された半導体素子に無効電流を流して電力用半導体モジュール全体の温度下降を抑える、のいずれか1つ以上を行うことで放熱器周辺の部位における疲労パラメータを低減させることを特徴とする請求項7に記載の電力用半導体モジュールの安全装置。
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