JP2018007476A

JP2018007476A - パワー半導体モジュールおよびパワーエレクトロニクス機器

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Publication number: JP2018007476A
Application number: JP2016133913A
Authority: JP
Inventors: 西田　信也; Shinya Nishida; 信也西田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: JP6698447B2

Abstract

【課題】本発明は、モニター素子の信号の最大値を、駆動停止した後も信号精度の悪化およびノイズの影響を抑制した状態で保持することが可能なパワー半導体モジュールおよびパワーエレクトロニクス機器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明によるパワー半導体モジュールは、パワーデバイス２と、パワーデバイス２の動作状態を検知する少なくとも１つのモニター素子３と、モニター素子３が検知した動作状態を示す信号の最大値を保持する少なくとも１つのピークホールド回路４と、ピークホールド回路４が保持する信号の最大値を外部に出力する動作情報出力端子７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュール、および当該パワー半導体モジュールを搭載するパワーエレクトロニクス機器に関する。

従来のパワー半導体モジュールは、スイッチング動作によって電流経路を切り替えるパワーデバイスと、パワー半導体モジュール内で生じた熱を伝導および放熱するベース板と、パワーデバイスとベース板とを絶縁する絶縁体と、パワー半導体モジュールと外部との電気的な接続を行う主端子および制御端子群とを備えている。また、パワー半導体モジュールは、パワーデバイス上またはベース板上に温度モニター素子を設けてパワー半導体モジュールのジャンクション温度Ｔｊまたはケース温度Ｔｃを検知したり、電流検出モニター素子を設けてパワーデバイスを流れる電流Ｉｃを検知したりしている。以下、温度モニター素子および電流検出モニター素子など、パワー半導体モジュールの動作状態を検知する素子を総称してモニター素子ともいう。

上記のようなモニター素子で検知された情報は、パワー半導体モジュールの動作状態を示す動作情報を示す信号として、基本的には動作中のパワー半導体モジュールの駆動保護制御にフィードバックされる。以下、モニター素子が検知した情報を示す信号のことをモニター素子の信号という。

従来、モニター素子の信号を外部に出力するパワー半導体モジュールはあるが、当該パワー半導体モジュールはモニター素子の信号をそのまま外部に出力しているため、パワー半導体モジュールの駆動停止後においてパワー半導体モジュールがどのような状況で使用されていたのかを把握することができない。

モニター素子の信号を一時的に記憶するパワー半導体モジュールがあり、例えば、パワーデバイスのゲート信号を電源とするメモリーを搭載し、温度モニター等の信号をメモリーに記憶する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、ジャンクション温度Ｔｊまたはケース温度Ｔｃの変化をカウントアップすることによって、パワー半導体モジュールの駆動停止後において使用環境を擬似的に把握し、パワー半導体モジュールの寿命を推定する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−８７８７１号公報特開２０１５−５６４１５号公報

従来のパワー半導体モジュールでは、駆動停止後においてパワー半導体モジュールがどのような状態で使用されていたのかを把握することができないため、エラーが発生して突然停止した場合に、トラブルシューティングが非常に難解という問題があった。

また、モニター素子の信号を外部に出力しないパワー半導体モジュールでは、パワー半導体モジュールの動作状態のワーストケース、すなわちジャンクション温度Ｔｊ、ケース温度Ｔｃ、または電流Ｉｃの最大値を把握するためには、パワー半導体モジュールの外部にモニター素子を別に設ける必要があり、パワー半導体モジュールを含む機器全体がコストアップおよびサイズアップするという問題があった。また、実際に問題が生じるパワーデバイスからモニター素子の位置が遠ざかるにつれて、信号精度が悪化したり、配線インピーダンス等の影響によってノイズが重畳したりするという問題があった。

特許文献１では、動作中の温度および時刻等のデータを常に記憶し続けるため、記憶する情報量が膨大となり、メモリー容量の大規模化およびコストの増加が生じるという問題があった。また、パワーデバイスのスイッチング動作に伴う電磁ノイズによって、メモリーが誤動作してデータが消失してしまうという問題があった。

特許文献２では、ジャンクション温度Ｔｊまたはケース温度Ｔｃの変化をカウントアップする閾値を予め設定しているが、変化が閾値以上であれば一律にカウントアップするため、寿命への影響度が高い温度変化におけるカウントアップも、ほぼ閾値の温度変化におけるカウントアップも同様に扱われるため、寿命の推定の精度を向上させ難いという問題があった。このような問題の対策として、閾値を細かく多数設定する方法があるが、この場合、制御負荷が増大し、コストアップおよびサイズアップしてしまうという別の問題が生じる。また、特許文献２では、駆動停止後においてパワー半導体モジュールのジャンクション温度Ｔｊまたはケース温度Ｔｃが何度まで上昇したのか把握することができない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、モニター素子の信号の最大値を、駆動停止した後も信号精度の悪化およびノイズの影響を抑制した状態で保持することが可能なパワー半導体モジュールおよびパワーエレクトロニクス機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明によるパワー半導体モジュールは、パワーデバイスと、パワーデバイスの動作状態を検知する少なくとも１つのモニター素子と、モニター素子が検知した動作状態を示す信号の最大値を保持する少なくとも１つのピークホールド回路と、ピークホールド回路が保持する信号の最大値を外部に出力する出力部とを備える。

本発明によると、パワー半導体モジュールは、パワーデバイスと、パワーデバイスの動作状態を検知する少なくとも１つのモニター素子と、モニター素子が検知した動作状態を示す信号の最大値を保持する少なくとも１つのピークホールド回路と、ピークホールド回路が保持する信号の最大値を外部に出力する出力部とを備えるため、モニター素子の信号の最大値を、駆動停止した後も信号精度の悪化およびノイズの影響を抑制した状態で保持することが可能となる。

本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１によるピークホールド回路の一例を示す図である。本発明の実施の形態１によるモニター素子で検知される信号の一例を示す図である。本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態２によるパワーエレクトロニクス機器の動作の一例を示すシーケンス図である。本発明の実施の形態２によるパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取るタイミングの一例を示す図である。本発明の実施の形態２によるパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取るタイミングの一例を示す図である。前提技術によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。前提技術によるパワー半導体モジュールの構成の一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

＜前提技術＞
まず、本発明の前提となる技術である前提技術について説明する。

図１１は、前提技術によるパワー半導体モジュール２５の構成の一例を示す図である。

図１１に示すように、パワー半導体モジュール２５は、パワーデバイス２と、ケース温度モニター素子３と、ゲート端子５と、エミッタ端子６と、ケース温度信号出力端子２６とを備えている。ゲート端子５は、パワーデバイス２のゲートに接続されている。エミッタ端子６は、パワーデバイス２のエミッタに接続されている。ケース温度信号出力端子２６は、ケース温度モニター素子３に接続されている。パワーデバイス２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

ケース温度モニター素子３は、パワーデバイス２の図示しないベース板上に設けられており、パワー半導体モジュール２５のケース温度Ｔｃを検知する。ケース温度モニター素子３は、検知したケース温度Ｔｃの信号をケース温度信号出力端子２６を介して外部に出力する。

図１２は、前提技術によるパワー半導体モジュール２７の構成の一例を示す図である。

図１２に示すように、パワー半導体モジュール２７は、パワーデバイス２と、ドライブ回路９と、ジャンクション温度モニター素子１０と、電流検出モニター素子１１と、制御電源端子１２と、駆動信号端子１３と、エラー信号端子１４と、基準電位端子１５とを備えている。パワー半導体モジュール２７は、パワーデバイス２の駆動制御を行うドライブ回路９を有するインテリジェントパワー半導体モジュールである。

制御電源端子１２、駆動信号端子１３、エラー信号端子１４、および基準電位端子１５は、ドライブ回路９に接続されている。外部から供給された制御電源ＶＤは、制御電源端子１２を介してドライブ回路９に入力される。外部から供給された駆動信号Ｖｉｎは、駆動信号端子１３を介してドライブ回路９に入力される。外部から供給された基準電位ＧＮＤは、基準電位端子１５を介してドライブ回路９に入力される。

ジャンクション温度モニター素子１０は、パワーデバイス２上に設けられており、パワーデバイス２のジャンクション温度Ｔｊを検知する。ジャンクション温度モニター素子１０は、検知したジャンクション温度Ｔｊの情報をドライブ回路９に出力する。また、電流検出モニター素子１１は、パワーデバイス２の主電流の一部を分流して電流の通電量を電流Ｉｃとして検知し、検知した電流Ｉｃの情報をドライブ回路９に出力する。すなわち、ジャンクション温度モニター素子１０が検知したジャンクション温度Ｔｊの情報、および電流検出モニター素子１１が検知した電流Ｉｃの情報は、ドライブ回路９にフィードバックされる。

ドライブ回路９は、ジャンクション温度モニター素子１０から入力されたジャンクション温度Ｔｊの情報、または電流検出モニター素子１１から入力された電流Ｉｃの情報に基づいて、パワーデバイス２でエラーが発生したか否かを判断する。そして、ドライブ回路９は、エラーが生じた場合はエラー信号端子１４を介してエラー信号を外部に出力する。このとき、ドライブ回路９は、パワーデバイス２の駆動を停止してもよい。ここで、パワーデバイス２で発生するエラーとしては、例えばジャンクション温度Ｔｊが予め定められた温度以上になること、または電流Ｉｃが予め定められた電流値以上になることをいう。

パワー半導体モジュールでエラーが発生して突然停止した場合に、駆動停止後においてパワー半導体モジュールがどのような状態で使用されていたのかを把握することは、エラーの原因を解明するために重要である。従って、エラーの原因を解明するために、パワー半導体モジュールの動作状態のワーストケースを把握することが必要となる。

図１１に示すパワー半導体モジュール２５は、ケース温度Ｔｃの信号をそのまま外部に出力しているため、パワー半導体モジュールの駆動停止後においてパワー半導体モジュールがどのような状態で使用されていたのかを把握することができない。また、図１２に示すパワー半導体モジュール２７は、ジャンクション温度Ｔｊおよび電流Ｉｃの情報を外部に出力しないため、パワー半導体モジュールの駆動停止後においてパワー半導体モジュールがどのような状態で使用されていたのかを把握することができない。本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、以下に詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュール１の構成の一例を示す図である。

図１に示すように、パワー半導体モジュール１は、ピークホールド回路４と、動作情報出力端子７とを備えることを特徴としている。その他の構成は、図１１に示すパワー半導体モジュール２５と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。なお、図１では、パワーデバイス２としてＩＧＢＴを一例としているが、他のパワーデバイスであってもよい。

ケース温度モニター素子３が検知したケース温度Ｔｃの情報は、ケース温度モニター素子３の信号としてピークホールド回路４に入力される。ピークホールド回路４は、入力されたケース温度モニター素子３の信号のうちの最大値、すなわちケース温度モニター素子３が検知したケース温度Ｔｃの最大値を保持する。ピークホールド回路４は、予め定められたタイミングで、保持しているケース温度モニター素子３の信号の最大値を動作情報最大値として、動作情報出力端子７を介して外部に出力する。すなわち、動作情報出力端子７は、動作情報最大値を出力する出力部としての機能を有している。

図２は、本発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュール８の構成の一例を示す図である。

図２に示すように、パワー半導体モジュール８は、ピークホールド回路４と、動作情報出力端子７とを備えることを特徴としている。その他の構成は、図１２に示すパワー半導体モジュール２７と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

ジャンクション温度モニター素子１０が検知したジャンクション温度Ｔｊの情報は、ジャンクション温度モニター素子１０の信号としてピークホールド回路４に入力される。ピークホールド回路４は、入力されたジャンクション温度モニター素子１０の信号のうちの最大値、すなわちジャンクション温度モニター素子１０が検知したジャンクション温度Ｔｊの最大値を保持する。ピークホールド回路４は、予め定められたタイミングで、保持しているジャンクション温度モニター素子１０の信号の最大値を動作情報最大値として、動作情報出力端子７を介して外部に出力する。すなわち、動作情報出力端子７は、動作情報最大値を出力する出力部としての機能を有している。

なお、図２では、パワー半導体モジュール８がジャンクション温度モニター素子１０および電流検出モニター素子１１を備える場合について示しているが、これに限るものではない。パワー半導体モジュール８は、ジャンクション温度モニター素子１０のみを備えてもよい。

次に、ピークホールド回路４について説明する。ピークホールド回路４は、モニター素子の信号の最大値を一時的に保持する構成であればよく、例えばメモリーデバイス等で構成してもよい。また、費用対効果および耐ノイズ性を考慮して、例えば図３に示すような回路で構成してもよい。

図３に示すピークホールド回路は、比較素子１６と、ピークスルー素子１７と、ピーク保持素子１８と、リセット素子１９と、バッファ素子２０とを備えている。比較素子１６は、モニター素子の信号であるモニター素子信号と、現在保持中の動作情報最大値とを比較して大きい値を示す信号を後段に伝える。ピークスルー素子１７は、比較素子１６から出力された信号が現在保持中の動作情報最大値よりも大きい場合にその旨の信号を後段に伝える。ピーク保持素子１８は、ピークスルー素子１７の信号レベルを保持する。バッファ素子２０は、ピークホールド回路の後段に接続される回路の影響を受けずにピーク保持素子１８の信号を後段に伝える。リセット素子１９は、ピーク保持素子１８をリセットする。

なお、図３に示すピークホールド回路において、比較素子１６を省略することもできるが、モニター素子の信号がピーク保持素子１８で保持している信号レベルを長い時間超えないことが起こり得るため、ピーク保持素子１８の信号レベルが自然放電等の要因で時間の経過とともに低下する場合には動作情報最大値の正確さが低下する。従って、図３に示すような比較素子１６を設けて、随時、動作情報最大値を比較素子１６にフィードバックした方がピークホールドとしての正確さを向上させることができる。

図３に示すようなリセット素子１９を設けて、動作情報最大値を読み取り時に必ずリセットするようにし、定期的に動作情報最大値の読み取りおよびリセットを行うようにすることによって、特定期間中の動作情報最大値を繰り返し取り出せるようになる。

上記で説明したモニター素子は、動作状態が激しくなるほど信号レベルが高くなるものを想定しているが、動作状態が激しくなるほど信号レベルが低くなるような傾向を示すものである場合は、図示しないが、その信号を反転およびレベルシフトすることによって本実施の形態に適用することができる。

モニター素子は、図１に示すようなパワー半導体モジュール１の内部のケース温度Ｔｃ、または図２に示すようなパワーデバイス２自体のジャンクション温度Ｔｊを検知する。そして、検知された情報の最大値が、動作情報最大値として外部に読み取られる。外部では、読み取った動作情報最大値の履歴を保持し、当該履歴を分析することによって、パワー半導体モジュールの劣化を把握することができ、パワー半導体モジュールのメンテナンス時期の最適化、または不意な故障の回避を実現することができる。パワー半導体モジュールでは、電流の通電制御の観点から、キーパーツはパワーデバイスであるため、ケース温度Ｔｃよりもジャンクション温度Ｔｊの情報を用いた方がより直接的な効果が得られる。

例えば、一日の始まりに電源を投入してから一日の最後に電源を遮断するまでの間、毎日同じ動作を一日中連続して動作する工場のオートフォーメーション機器であるＦＡ（Factory Automation）機器にパワー半導体モジュールが用いられている場合を想定する。この場合、ＦＡ機器が同一動作であるにも関わらず、前々日、前日、当日と日を追うごとにジャンクション温度Ｔｊの最大値、すなわち動作情報最大値が上昇しているようであれば、パワー半導体モジュールの内部のはんだ疲労等の構造的な劣化、またはパワーデバイスの特性悪化など、パワー半導体モジュールにおいて何らからの劣化が進行していると推定することができる。従って、ＦＡ機器のシステムの動作条件の変更またはメンテナンスのタイミングの最適化を図り、不意な故障によるＦＡ機器のシステムの停止を回避することができる。

特許文献２に記載のように、随時処理してパワー半導体モジュールの寿命を推定する方法もあるが、パワー半導体モジュールの寿命に最も影響を及ぼす激しい重負荷動作時において電気ノイズの発生量が多くなっており、パワー半導体モジュールの外部で随時モニタリングする場合にはノイズ対策やノウハウが必要となるため、信号伝達の正確さを向上させることが困難となる。

本実施の形態によれば、パワー半導体モジュールが通電制御を停止した後、または電気ノイズの発生量が少なくなった軽負荷動作時でも、動作情報最大値は消失することなく保持されている。従って、パワー半導体モジュールの外部でのモニタリングは、電気ノイズの発生量が少ないタイミングで行えばよいため、信号伝達の正確さを向上させることができる。

上述のＦＡ機器を例にすると、ピークホールド回路をリセットするタイミングは、一日一回だけでもよいが、リセットする回数を増やすほど動作情報最大値の履歴推移を細かく把握することができるようになる。ただし、リセットする回数が極度に多い場合には制御負荷が増大してＦＡ機器のシステムのコストアップにつながるため、適用するＦＡ機器のシステムの特長および費用対効果を考慮してリセットする回数を設定することが望ましい。

なお、例えば図１１，１２に示すパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体モジュールの外部にピークホールド回路またはモニター素子を設けて本実施の形態と同様の効果を得ようとすることも考えられるが、パワー半導体モジュールは電気ノイズが多い環境で使用され、ノイズ対策または小型の構成にすることは経験によるところが大きく、十分な効果を得ることができない。一方、本実施の形態によるパワー半導体モジュールは、ピークホールド回路を有しているため、コストおよびサイズアップを最小限に抑えることができる。

上記では、モニター素子の信号をジャンクション温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃとする場合について説明したが、パワーデバイスの動作状態を表す信号であれば本実施の形態に適用することができる。例えば、図４に示すように、モニター素子の信号としては、パワーデバイス２を通電する電流Ｉｃ、パワーデバイス２に印加される電圧Ｖｃｅ、パワーデバイス２の駆動端子に印加される電圧Ｖｇｅ、およびパワー半導体モジュールに供給されるＤＣバス電圧である主電源電圧Ｖｃｃが挙げられ、これらのうちの少なくとも１つを本実施の形態に適用することによって、様々な応用例へと発展させることができる。また、構成は複雑化するが、特定のモニター素子の信号を対象とするピークホールド回路を設けるとともに、別のモニター素子の信号をサンプルホールドし、ピークホールド回路における動作情報最大値のタイミングに対応する他の信号情報を一時記憶するよう構成することによって、よりトラブルシューティングを行いやすくする、または応用機器の高度な制御につなげることも考えられる。

パワー半導体モジュールの破壊要因としては、主に過熱、過電流、過電圧が挙げられる。このうちの過熱に対してはジャンクション温度Ｔｊまたはケース温度Ｔｃで検知可能であり、過電流に対しては電流Ｉｃで検知可能であり、過電圧に対しては電圧Ｖｃｅ、電圧Ｖｃｃ、または電圧Ｖｇｅで検知可能であり、これらを組み合わせることによって不測のエラー発生時のトラブルシューティングに寄与することができる。

パワー半導体モジュールの寿命の要因としては熱疲労が挙げられ、その代表としてパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命があるが、本実施の形態によるジャンクション温度またはケース温度等の長期間のデータ推移に基づいて熱疲労の劣化状況を推測することができ、システムのメンテナンスの最適化を図ることができる。

図５は、本実施の形態によるパワー半導体モジュール２１の構成の一例を示す図である。

図５に示すように、パワー半導体モジュール２１は、複数のモニター素子の各々に対応して複数のピークホールド回路を備えることを特徴としている。その他の構成は、図２に示すパワー半導体モジュール８と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

ジャンクション温度モニター素子１０が検知したジャンクション温度Ｔｊの情報は、ジャンクション温度モニター素子１０の信号としてピークホールド回路４１に入力される。ピークホールド回路４１は、入力されたジャンクション温度モニター素子１０の信号のうちの最大値、すなわちジャンクション温度モニター素子１０が検知したジャンクション温度Ｔｊの最大値を保持する。ピークホールド回路４１は、予め定められたタイミングで、保持しているジャンクション温度モニター素子１０の信号の最大値を動作情報最大値として、動作情報出力端子７１を介して外部に出力する。

電流検出モニター素子１１が検知した電流Ｉｃの情報は、電流検出モニター素子１１の信号としてピークホールド回路４２に入力される。ピークホールド回路４２は、入力された電流検出モニター素子１１の信号のうちの最大値、すなわち電流検出モニター素子１１が検知した電流Ｉｃの最大値を保持する。ピークホールド回路４２は、予め定められたタイミングで、保持している電流検出モニター素子１１の信号の最大値を動作情報最大値として、動作情報出力端子７２を介して外部に出力する。

図５に示すようなパワー半導体モジュールでは、ピークホールド回路の数だけ動作情報出力端子の数が増えるため、パワー半導体モジュールの内外の構成を複雑化させてコストアップの要因にもなる。このような問題を回避するために、図６に示すパワー半導体モジュール２２のような構成にしてもよい。

図６に示すように、パワー半導体モジュール２２は、切替出力部２３を備えることを特徴としている。その他の構成は、図５に示すパワー半導体モジュール２１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

切替出力部２３は、ピークホールド回路４１が保持している動作情報最大値と、ピークホールド回路４２が保持している動作情報最大値とを切り替えながら順次出力することができる。切替出力部２３は、半導体スイッチまたはリレー素子を用いて構成されている。パワー半導体モジュール２２は、切替出力部２３を備えることによって、動作情報出力端子の数を増やすことなく複数の動作情報最大値を外部に出力することができる。このように、切替出力部２３は、動作情報最大値を外部に出力する出力部としての機能を有している。

また、図７に示すように、切替出力部２３は無線通信機能を有していてもよい。図７に示すパワー半導体モジュール２４のような構成としても、動作情報出力端子の数を増やすことなく複数の動作情報最大値を外部に出力することができる。

以上のことから、本実施の形態１によれば、パワー半導体モジュールの内部で動作情報最大値を一時的に記憶し、電気ノイズの発生量が少ないタイミングで外部に信号伝達することが可能となる。すなわち、モニター素子の信号の最大値を駆動停止した後も信号精度の悪化およびノイズの影響を抑制した状態で保持することが可能となる。また、ノイズ耐量が低い無線通信を用いることができる。さらに、パワー半導体モジュールから動作情報最大値を取得した応用機器側ではハードウェアを変更する必要がないため、導入時の業務負荷や時間を大幅に削減することが可能となる。

なお、図５〜７では、動作情報最大値の出力対象となるモニター素子が２つの場合を一例として説明したが、これに限るものではなく、対象となるモニター素子の数だけピークホールド回路を設ければよい。

図６において、ピークホールド回路４１，４２および切替出力部２３の電源は、パワー半導体モジュール２２に供給される制御電源を遮断した後も長く機能を保持するように構成することによって、瞬時電力停止または突発的な電源供給トラブル等が生じた際にも本実施の形態１の効果を得ることができる。ここで、ピークホールド回路４１，４２および切替出力部２３の電源を長く保持する構成としては、例えば、対象回路の電源を安定化させるために使用されるコンデンサの容量を十分に大きくする構成としてもよい。あるいは、パワー半導体モジュール２２の制御電源とは別に、充電機能を有する双方向電池を設け、パワー半導体モジュール２２の制御電源が供給されている場合は、当該制御電源から双方向電池、ピークホールド回路４１，４２、および切替出力部２３に電源供給を行い、パワー半導体モジュール２２の制御電源が遮断された場合は、双方向電池からピークホールド回路４１，４２および切替出力部２３に電源供給を行う構成としてもよい。すなわち、ピークホールド回路４１，４２および切替出力部２３の電源は、パワー半導体モジュール２２に供給される制御電源とは異なるようにすればよい。なお、図７に示すパワー半導体モジュール２４についても同様である。

上記では、パワーデバイス２を１つ有する１ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールに主眼を置いて説明したが、パワーデバイス２を２つ有する２ｉｎ１タイプ（図４参照）、パワーデバイス２を４つ有する４ｉｎ１タイプ、パワーデバイス２を６つ有する６ｉｎ１タイプ、またはそれ以外の構成のパワー半導体モジュールの場合にも同様の効果を得ることができる。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２では、実施の形態１で説明したパワー半導体モジュールを搭載した応用機器であるパワーエレクトロニクス機器について説明する。ここで、パワーエレクトロニクス機器とは、パワー半導体モジュールにより大電力に対し処理を行う機器全般をいう。

図８は、本実施の形態２によるパワーエレクトロニクス機器の動作の一例を示すシーケンス図である。図８において、パワー半導体モジュール外部動作とは、パワーエレクトロニクス機器におけるパワー半導体モジュール以外の外部処理部が行う動作を示している。また、パワー半導体モジュール挙動とは、パワー半導体モジュールの動作を示している。

ステップＳ１において、外部処理部は、パワー半導体モジュールに対して制御電源を供給する。ステップＳ２において、外部処理部は、パワー半導体モジュールに対してＤＣバス電圧である主電源電圧Ｖｃｃを供給する。

ステップＳ３において、外部処理部は、パワー半導体モジュールに対して駆動制御を行う。具体的には、外部処理部は、パワー半導体モジュールに対して駆動信号Ｖｉｎを入力する。また、必要に応じてパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取る。

ステップＳ４において、パワー半導体モジュールは、モニター素子の信号をピークホールド回路に出力する。また、パワー半導体モジュールは、必要に応じてエラー信号Ｆｏを出力する。さらに、パワー半導体モジュールは、外部処理部から要求があれば動作情報最大値を出力する。

ステップＳ５において、外部処理部は、駆動信号Ｖｉｎの入力を停止する。ステップＳ６において、パワー半導体モジュールは、通電動作を停止し、動作情報最大値を保持する。ステップＳ７，８において、外部処理部は、一定時間経過後、パワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取る。なお、通電動作停止後から動作情報最大値を読み取るまでの一定時間は、外部処理部で任意に設定することができる。これにより、パワーエレクトロニクス機器の用途に応じて、通電動作停止後に動作情報最大値を自動的に読み取るタイミングの最適化を図ることができる。

図９は、通常動作時において、外部処理部がパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取るタイミングの一例を示す図である。

図９に示すように、通電動作中において、外部処理部は、パワーエレクトロニクス機器の仕様に応じて、適宜、パワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取る。そして、外部処理部は、通電停止してから一定時間経過後に、必ずパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取る。また、外部処理部は、パワー半導体モジュールの制御電源が予め設定した制御電源の低下閾値に到達した場合は、必ずパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取る。

図１０は、電源低下に関連する異常発生時において、外部処理部がパワー半導体モジュールから動作情報最大値を読み取るタイミングの一例を示す図である。

図１０に示すように、通電動作中において、瞬時電力停止またはパワー半導体モジュールの接続ケーブルが抜けたり切断したりして、突発的に制御電源の低下を伴うシステム異常が発生した場合であっても、動作情報最大値を読み取る。これにより、システムの信頼性を向上させることができる。

以上のことから、本実施の形態２によれば、パワーエレクトロニクス機器は、通電動作停止時には必ず、その直前の一連の動作におけるワーストケースである動作情報最大値を把握することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１パワー半導体モジュール、２パワーデバイス、３ケース温度モニター素子、４ピークホールド回路、５ゲート端子、６エミッタ端子、７動作情報出力端子、８パワー半導体モジュール、９ドライブ回路、１０ジャンクション温度モニター素子、１１電流検出モニター素子、１２制御電源端子、１３駆動信号端子、１４エラー信号端子、１５基準電位端子、１６比較素子、１７ピークスルー素子、１８ピーク保持素子、１９リセット素子、２０バッファ素子、２１，２２パワー半導体モジュール、２３切替出力部、２４，２５パワー半導体モジュール、２６ケース温度信号出力端子、２７パワー半導体モジュール、４１，４２ピークホールド回路、７１，７２動作情報出力端子。

Claims

パワーデバイスと、
前記パワーデバイスの動作状態を検知する少なくとも１つのモニター素子と、
前記モニター素子が検知した前記動作状態を示す信号の最大値を保持する少なくとも１つのピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路が保持する前記信号の最大値を外部に出力する出力部と、
を備える、パワー半導体モジュール。
前記信号は、前記パワーデバイスのジャンクション温度、前記パワー半導体モジュールのケース温度、前記パワーデバイスを通電する電流、前記パワーデバイスに印加される電圧、前記パワーデバイスの駆動端子に印加される電圧、および前記パワー半導体モジュールに供給される主電源電圧のうちの少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
前記モニター素子および前記ピークホールド回路は、複数存在し、
各前記ピークホールド回路は、各前記モニター素子に対応して設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
前記出力部は、各前記ピークホールド回路が保持する前記信号の最大値を切り替えて出力する切替出力部であることを特徴とする、請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
前記切替出力部は、前記信号の最大値を無線通信によって前記外部に出力することを特徴とする、請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
前記ピークホールド回路に供給される電源は、前記パワー半導体モジュールに供給される制御電源とは異なることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
前記切替出力部に供給される電源は、前記パワー半導体モジュールに供給される制御電源とは異なることを特徴とする、請求項４または５に記載のパワー半導体モジュール。
請求項１から７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールを搭載した、パワーエレクトロニクス機器。
前記パワー半導体モジュールの通電動作が停止してから予め定められた時間が経過した後に、前記パワー半導体モジュールから前記信号の最大値を読み取ることを特徴とする、請求項８に記載のパワーエレクトロニクス機器。
前記予め定められた時間は、任意に設定可能であることを特徴とする、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス機器。
前記パワー半導体モジュールに供給される制御電源が予め定められた閾値以下になると、前記パワー半導体モジュールから前記信号の最大値を読み取ることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクス機器。