JP2014236538A

JP2014236538A - 半田劣化検出装置及び半田劣化検出方法

Info

Publication number: JP2014236538A
Application number: JP2013114924A
Authority: JP
Inventors: 敬浩若林; Takahiro Wakabayashi
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-15

Abstract

【課題】環境温度を考慮することなくＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する。
【解決手段】本発明の半田劣化検出装置７は、ＩＧＢＴの出力電流を検出する電流検出部２１と、出力電流の絶対値が増加しているか否かを判定する電流増加判定部２３と、出力電流の絶対値が増加していると判定された場合に、出力電流がＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値であるか否かを判定するクロスポイント判定部２５と、出力電流がクロスポイントの電流値である場合にＩＧＢＴの印加電圧を検出する電圧検出部２７と、検出された電圧が所定の閾値より大きいか否かを判定してＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出部２９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出装置及びその方法に関する。

従来では、電力用半導体素子の劣化の進行を事前に把握するための劣化診断方法として、特許文献１が開示されている。

この特許文献１で開示された電力用半導体素子の劣化診断方法では、ＩＧＢＴ素子の初期状態として電流Ｉｃを流したときのコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖce１を測定し、一定時間経過後に再度コレクタ・エミッタ間の電圧Ｖce２を測定する。そして、これらの電圧Ｖce１とＶce２との間の差異を求め、この差異が予め定められた基準値に到達していた場合にはＩＧＢＴ素子の劣化が進行したと判断していた。

特開２００２−５９８９号公報

しかしながら、上述した従来の劣化診断方法では、コレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceに温度依存性があるので、環境温度を考慮して劣化の診断をしなければならないという問題点があった。すなわち、ＩＧＢＴ素子を接合する半田にクラックが進行したとしても温度依存性によるＶceの変化に対してクラックによるＶceの変動幅は小さい。例えば、Ｉｃが５０ＡでＶceが初期状態で２Ｖである場合に、半田のクラックによるＶceの変動幅は１０ｍＶ程度（０．５％程度）しかない。したがって、温度によるドリフト等の環境温度による影響を考慮した上で、クラック等の劣化によるＶceのわずかな変動を検出することは困難であった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、環境温度を考慮しなくてもＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出することのできる半田劣化検出装置及びその方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出装置であって、前記ＩＧＢＴから出力される出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された出力電流の絶対値が増加しているか否かを判定する電流増加判定手段と、前記電流増加判定手段によって前記出力電流の絶対値が増加していると判定された場合に、前記出力電流が、前記ＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値であるか否かを判定するクロスポイント判定手段と、前記クロスポイント判定手段により前記出力電流がクロスポイントの電流値であると判定された場合に、前記ＩＧＢＴに印加される電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、所定の閾値より大きいか否かを判定して前記ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記ＩＧＢＴはインバータに設置されたスイッチング素子であり、前記インバータは、前記出力電流がクロスポイントとなるタイミングで前記ＩＧＢＴをオフするオフ時間を削除して前記ＩＧＢＴをオンするオン時間を延長し、削除したオフ時間の長さだけ他のオフ時間を延長することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出方法であって、前記ＩＧＢＴから出力される出力電流を検出する電流検出ステップと、前記電流検出ステップで検出された出力電流の絶対値が増加しているか否かを判定する電流増加判定ステップと、前記電流増加判定ステップによって前記出力電流の絶対値が増加していると判定された場合に、前記出力電流が、前記ＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値であるか否かを判定するクロスポイント判定ステップと、前記クロスポイント判定ステップにより前記出力電流がクロスポイントの電流値であると判定された場合に、前記ＩＧＢＴに印加される電圧を検出する電圧検出ステップと、前記電圧検出ステップによって検出された電圧が、所定の閾値より大きいか否かを判定して前記ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出ステップとを含むことを特徴とする。

本発明では、ＩＧＢＴの出力電流がＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値である場合に、ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を判定する。これにより、環境温度を考慮する必要がなくなり、ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を正確に検出することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータの出力波形を説明するための図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータを構成するＩＧＢＴの接続構造を説明するための断面図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータを構成するＩＧＢＴの回路構成を説明するための図である。図５は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置による半田劣化検出処理の処理手順を示すフローチャートである。図６は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータの出力波形を説明するための図である。図７は、ＩＧＢＴの電流−電圧特性を説明するための図である。図８は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータの三相の出力電流を説明するための図である。図９は、本発明の第１実施形態に係る半田劣化検出装置によるクロスポイントの判定方法を説明するための図である。図１０は、本発明の第２実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータによるＩＧＢＴのオン時間の延長方法を説明するための図である。

以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［半田劣化検出装置を備えたインバータの構成］
図１は、本実施形態に係る半田劣化検出装置を備えたインバータの構成を示すブロック図である。図１に示すように、インバータ１は、ＰＷＭ制御部３と、パワーモジュール５と、半田劣化検出装置７とを備えている。

インバータ１は、電源から供給された直流電力を３相の交流電力に変換してモータ９に供給しており、具体的には図２に示すような出力電圧と出力電流を供給している。このときモータ９に供給されるＵＶＷ各相の電流は、電流センサ１１によって測定される。

ＰＷＭ制御部３は、パワーモジュール５を駆動するためのＰＷＭ信号として図２に示すスイッチング信号ＳＷ１、ＳＷ２を出力し、パワーモジュール５を構成するＩＧＢＴ１３のオン、オフを制御する。

パワーモジュール５は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１３を備え、ＰＷＭ制御部３からのＰＷＭ信号によってＩＧＢＴ１３が制御されて３相交流をモータ９へ出力する。また、各ＩＧＢＴ１３にはそれぞれ電圧センサ１５が設置され、この電圧センサ１５によってＩＧＢＴ１３に印加されるコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceを測定する。

半田劣化検出装置７は、パワーモジュール５を構成するＩＧＢＴ１３に接合された半田の劣化を検出するための装置である。ここで、ＩＧＢＴ１３は、図３に示すようにセラミック基板５１上の基板パターン５３の上にチップ下半田５５によって接合されている。さらに、ＩＧＢＴ１３の上にはチップ上半田５７によってビームリード（あるいはワイヤ）５９が接合されている。半田劣化検出装置７は、基板パターン５３とビームリード５９との間のコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceを検出することによって半田の劣化を検出するので、チップ下半田５５とチップ上半田５７の両方またはいずれか一方の劣化を検出することができる。

また、半田劣化検出装置７は、電流検出部２１と、電流増加判定部２３と、クロスポイント判定部２５と、電圧検出部２７と、半田劣化検出部２９とを備えている。

電流検出部２１は、ＩＧＢＴ１３から出力される出力電流を検出する。本実施形態では電流センサ１１で測定された電流値を取得することによって、ＩＧＢＴ１３から出力される出力電流、すなわち図４に示すコレクタ電流Ｉｃを検出する。

電流増加判定部２３は、電流検出部２１で検出されたコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているか否かを判定する。具体的には、ＰＷＭ制御部３からＰＷＭ信号を取得してコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているか否かを判定する。また、電流検出部２１で検出された電流値を取得し、その絶対値を求めて微分等を算出することによって絶対値の増減を監視してもよい。

クロスポイント判定部２５は、電流増加判定部２３によってコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加していると判定された場合に、コレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Ｉcxであるか否かを判定する。このクロスポイントの電流値Ｉcxは、ＩＧＢＴ１３の電流−電圧特性において温度による影響を受けない電流値である。

電圧検出部２７は、クロスポイント判定部２５によってコレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Icxであると判定された場合に、ＩＧＢＴ１３に印加される電圧、すなわち図４に示すコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceを検出する。この電圧Ｖceは、各ＩＧＢＴ１３に設置されている電圧センサ１５で測定された電圧を取得することによって、検出することができる。

半田劣化検出部２９は、電圧検出部２７によって検出されたコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceが、所定の閾値より大きいか否かを判定することによってＩＧＢＴ１３に接合された半田の劣化を検出する。

尚、半田劣化検出装置７は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成されている。そして、特定のプログラムを実行することにより、電流検出部２１、電流増加判定部２３、クロスポイント判定部２５、電圧検出部２７及び半田劣化検出部２９として動作する。

［半田劣化検出処理の手順］
次に、本実施形態に係る半田劣化検出装置７による半田劣化検出処理の手順を図５のフローチャートを参照して説明する。

図５に示すように、ステップＳ１０において電流検出部２１がＩＧＢＴ１３から出力される出力電流を検出する。本実施形態では、インバータ１から出力されるＵＶＷ各相の電流値を電流センサ１１で測定し、この電流値を電流検出部２１が取得することによって出力電流、すなわち図４に示すコレクタ電流Ｉｃを検出する。

次に、ステップＳ２０において、電流増加判定部２３がステップＳ１０で検出されたコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているか否かを判定する。電流増加判定部２３は、ＰＷＭ制御部３からＰＷＭ信号を取得してコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているか否かを判定する。例えば、図６に示すようにコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加するのは、図６（ａ）に示す区間Ａ、Ｃであり、コレクタ電流Ｉｃの絶対値が減少するのは図６（ａ）に示す区間Ｂ、Ｄである。したがって、電流増加判定部２３は、ＰＷＭ信号からコレクタ電流Ｉｃが図６（ａ）のどの区間にあるかを判定することによって、コレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているか否かを判定する。また、電流増加判定部２３は、コレクタ電流Ｉｃの電流値を電流検出部２１から取得し、その絶対値を求めて微分等を算出することによって絶対値の増減をモニタしてもよい。

そして、コレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加していない場合にはステップＳ１０に戻って出力電流の検出を行い、コレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加している場合にはステップＳ３０に進む。

このようにコレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているか否かを判定する理由は、コレクタ電流Ｉｃの絶対値が増加しているときのほうが、電流値が安定するためである。

図６に示すように、ＩＧＢＴの出力電流は、ＩＧＢＴがオンのときに増加してオフのときに減少するので、全体ではノコギリ刃状の正弦波となる。この波形において、出力電流の絶対値が増加する図６（ａ）の区間Ａ、Ｃでは、図６（ｂ）の拡大図に示すようにＩＧＢＴがオンしている時間が長く、オフしている時間が短くなっている。逆に、出力電流の絶対値が減少する図６（ａ）の区間Ｂ、Ｄでは、図６（ｃ）の拡大図に示すようにＩＧＢＴがオンしている時間が短く、オフしている時間が長くなっている。

図６（ｂ）に示すようにＩＧＢＴのオンしている時間が長いと、オンしている時間の短い図６（ｃ）の場合と比較して電流が安定する。そこで、出力電流の絶対値が増加する区間を検出し、この区間において以下に示す半田の劣化を検出する処理を行えば、より正確に半田の劣化を検出することが可能となる。

また、ＩＧＢＴ１３にコレクタ電流Ｉｃが実際に流れるのは、ＩＧＢＴ１３がオンしているときなので、出力電流の測定はＩＧＢＴ１３がオンしているときに行う必要がある。したがって、ＩＧＢＴのオンしている時間が長いほうが、容易に出力電流の測定を行うことができる。

次に、ステップＳ３０では、ステップＳ１０で検出されたコレクタ電流Ｉｃが、ＩＧＢＴ１３の電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値Ｉcxであるか否かを、クロスポイント判定部２５が判定する。

ＩＧＢＴの電流−電圧特性では、図７に示すように低温時（例えば２５℃）の電流−電圧特性Ｌと高温時（例えば７５℃）の電流−電圧特性Ｈが交差するクロスポイントＸが存在する。このクロスポイントＸでは、電流値Ｉcxと電圧値Ｖcexはそれぞれ温度に関係なく同じ値となる。したがって、ＩＧＢＴの出力電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Ｉcxとなったときに、ＩＧＢＴに印加される電圧Ｖceを検出すれば、電圧Ｖceからドリフト等の温度による影響を排除することができる。これにより、ＩＧＢＴに印加される電圧Ｖceの微小な上昇を検出することが可能となり、半田の劣化を正確に検出することができる。

そこで、クロスポイント判定部２５では、予めＩＧＢＴのクロスポイントの電流値Ｉcxを記憶しておき、コレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Ｉcxになったか否かを判定する。そして、コレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Icxでない場合にはステップＳ１０に戻って再び出力電流の検出を行い、コレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Icxである場合にはステップＳ４０に進む。例えば、図６（ｂ）に示すように、出力電流IｃがIcxであり、尚且つ出力電流Iｃの絶対値が増加しているポイントＰでステップＳ４０に進む。

また、ＵＶＷの３相では、図８に示すようにＵ相の出力電流８１がＩｃｘとなるポイントＰ１と、Ｖ相の出力電流８２がＩｃｘとなるポイントＰ２と、Ｗ相の出力電流８３がＩｃｘとなるポイントＰ３において半田の劣化を判定することになる。

さらに、クロスポイントの判定では、コレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Icxとなるのは非常に短時間であるために、クロスポイントＸの前後の複数点で測定を行い、コレクタ電流Ｉｃがクロスポイントの電流値Icxであるか否かを推定してもよい。

例えば、図９に示すように、クロスポイントの電流値Icxの前後の点Ｉcx1とＩcx2で測定を行い、Ｖcex1とＶcex2の測定結果を取得したら、これらの測定結果を示す点Ｘ１、Ｘ２を求めて直線で近似することによってクロスポイントＸを推定してもよい。

また、これら複数点での測定結果を蓄積しておき、平均を算出するなどの方法によって補正を行うことも可能である。これによりクロスポイントＸの推定精度を向上させることができる。

次に、ステップＳ４０において、電圧検出部２７は、ＩＧＢＴ１３に印加される電圧であるコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceを検出する。この電圧Ｖceは、各ＩＧＢＴ１３に設置されている電圧センサ１５で測定された電圧を取得することによって検出すればよい。

次に、ステップＳ５０において、半田劣化検出部２９は、ステップＳ４０で検出されたコレクタ・エミッタ間の電圧Ｖceと所定の劣化判定閾値とを比較し、電圧Ｖceが劣化判定閾値より大きいか否かを判定する。そして、電圧Ｖceが劣化判定閾値以下である場合にはステップＳ１０に戻って再び出力電流の検出を行い、電圧Ｖceが劣化判定閾値より大きい場合にはステップＳ６０に進む。

次に、ステップＳ６０では、半田劣化検出部２９が半田の劣化を検出し、半田の劣化を警告するための警報を出力する。例えば、本実施形態に係る半田劣化検出装置７が車両に搭載されている場合には、運転者に対して警告ランプを点灯させたり、ディスプレイに警告メッセージを表示させるために車載システムに警報を出力する。

こうして半田の劣化を検出して警報が出力されると、本実施形態に係る半田劣化検出処理を終了する。

以上詳細に説明したように、本実施形態に係る半田劣化検出装置７では、ＩＧＢＴの出力電流がＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値である場合にＩＧＢＴに接合された半田の劣化を判定する。これにより、環境温度を考慮する必要がなくなり、ＩＧＢＴを接合する半田の劣化を正確に検出することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る半田劣化検出装置について図面を参照して説明する。ただし、本実施形態の構成は、第１実施形態と同一なので詳細な説明は省略する。

本実施形態では、ＩＧＢＴの出力電流がクロスポイントとなるタイミングでＩＧＢＴをオフするオフ時間を削除してＩＧＢＴをオンするオン時間を延長し、削除したオフ時間の長さだけその他のオフ時間を延長するようにしたことを特徴としている。

具体的に説明すると、ＩＧＢＴの出力電流はＩＧＢＴがオンしているときに上昇し、オフしているときに下降するので、通常は図１０（ａ）に示すようにオン時間Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３とオフ時間Ｆ１、Ｆ２が交互になって上下動する波形となっている。

しかし、本実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、クロスポイントとなるタイミングでオフ時間Ｆ１を削除することによってオン時間をＮ１＋Ｎ２となるように延長する。そして、削除したオフ時間Ｆ１を、その後のオフ時間Ｆ２と合わせてＦ１＋Ｆ２となるように延長する。これによりＩＧＢＴのオン時間を長くできるので、出力電流が安定した状態で半田の劣化を検出することができる。また、削除したオフ時間の長さだけその他のオフ時間を延長するので、デューティー比を一定に保つことができる。

このようなＩＧＢＴのオン時間とオフ時間の制御は、インバータ１のＰＷＭ制御部３によって行うことができる。ＰＷＭ制御部３は、予めＩＧＢＴのクロスポイントの電流値Ｉcxを記憶しておき、電流センサ１１からインバータ１の出力電流を取得してクロスポイントの電流値Ｉcxになったか否かを判定する。そして、インバータ１の出力電流がクロスポイントの電流値Ｉcxになるときに、上述したようにＩＧＢＴのオン時間を延長する。

以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る半田劣化検出装置７では、出力電流がクロスポイントとなるタイミングでＩＧＢＴをオフするオフ時間を削除してＩＧＢＴをオンするオン時間を延長する。これにより、ＩＧＢＴのオン時間が長くなるので、出力電流が安定した状態で半田の劣化を検出することができる。また、削除したオフ時間の長さだけその他のオフ時間を延長するので、デューティー比を一定に保つことができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１インバータ
３ＰＷＭ制御部
５パワーモジュール
７半田劣化検出装置
９モータ
１１電流センサ
１３ＩＧＢＴ
１５電圧センサ
２１電流検出部
２３電流増加判定部
２５クロスポイント判定部
２７電圧検出部
２９半田劣化検出部
５１セラミック基板
５３基板パターン
５５チップ下半田
５７チップ上半田
５９ビームリード

Claims

ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出装置であって、
前記ＩＧＢＴから出力される出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出された出力電流の絶対値が増加しているか否かを判定する電流増加判定手段と、
前記電流増加判定手段によって前記出力電流の絶対値が増加していると判定された場合に、前記出力電流が、前記ＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値であるか否かを判定するクロスポイント判定手段と、
前記クロスポイント判定手段により前記出力電流がクロスポイントの電流値であると判定された場合に、前記ＩＧＢＴに印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧が、所定の閾値より大きいか否かを判定して前記ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出手段と
を備えたことを特徴とする半田劣化検出装置。
前記ＩＧＢＴはインバータに設置されたスイッチング素子であり、
前記インバータは、前記出力電流がクロスポイントとなるタイミングで前記ＩＧＢＴをオフするオフ時間を削除して前記ＩＧＢＴをオンするオン時間を延長し、削除したオフ時間の長さだけ他のオフ時間を延長することを特徴とする請求項１に記載の半田劣化検出装置。
ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出方法であって、
前記ＩＧＢＴから出力される出力電流を検出する電流検出ステップと、
前記電流検出ステップで検出された出力電流の絶対値が増加しているか否かを判定する電流増加判定ステップと、
前記電流増加判定ステップによって前記出力電流の絶対値が増加していると判定された場合に、前記出力電流が、前記ＩＧＢＴの電流−電圧特性において温度による影響を受けないクロスポイントの電流値であるか否かを判定するクロスポイント判定ステップと、
前記クロスポイント判定ステップにより前記出力電流がクロスポイントの電流値であると判定された場合に、前記ＩＧＢＴに印加される電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記電圧検出ステップによって検出された電圧が、所定の閾値より大きいか否かを判定して前記ＩＧＢＴに接合された半田の劣化を検出する半田劣化検出ステップと
を含むことを特徴とする半田劣化検出方法。