JP2020522713A - パワースイッチング電子デバイスのための不良検出および保護の方法ならびに装置 - Google Patents
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Abstract
本方法は、サーモアコースティック効果を利用することでパワースイッチング電子デバイス(OT1)の不良を検出するものであり、電子デバイスでその動作時にサーモアコースティック効果により発生する音響信号(SA)を検出するステップと、b)検出された音響信号の周波数スペクトルを計測(FFT)し、周波数スペクトルから、検出された音響信号に伴うスペクトルシグネチャ(SEP)を取得するステップと、c)スペクトルシグネチャ(SEP)を複数の標準スペクトルシグネチャ(Sgn)と比較(CSG)するステップと、d)スペクトルシグネチャと複数の標準スペクトルシグネチャとの比較するステップc)で少なくとも1つの一致が特定されたとき、電子デバイスに少なくとも1つの不良が存在すると判定(CSG)するステップとを含む。【選択図】図1
Description
本発明は2017年6月7日出願の仏国特許出願公開第1755041号の優先権を主張するものであり、その内容(明細書、図面および特許請求の範囲)は参照によって本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、パワーエレクトロニクスの分野に関する。より詳細には、本発明は、パワーモジュール、コンバータ、インバータなどのパワースイッチング電子デバイスにおける不良検出および正常動作保護の方法ならびに装置に関する。
パワースイッチング電子デバイスは、鉄道、電気車両およびハイブリッド車両、航空など、様々な活動分野で用いられており、その役割はますます重要性を帯びるようになっている。CO2排出量の少ない再生可能エネルギー源へのエネルギー転換が望まれるなか、パワーエレクトロニクスはなお一層の普及が求められており、次第に高まる経済的、技術的制約に応えていく必要があると思われる。
ニーズ、とりわけパワー及びコンパクトさに関するニーズに応えるべく、高いパワー密度で動作するパワーモジュールの開発には非常に大きな関心が寄せられている。こうしたパワーモジュールは、典型的には−50°Cから175°Cまで、またはさらにそれより高い温度までの広い温度範囲で動作させられることになるため、半導体コンポーネントやアセンブリは大きな応力にさらされる。
パワーモジュールの製造では、基板、ベースプレート、金属被覆、はんだ、「ボンディングワイヤ」と呼ばれる電気接続線、その他のチップの電気接続手段など、電子チップやアセンブリにおける起こり得る不良を検出するための厳しい検査が、特に製造工程の最後で求められる。
また、パワーモジュールは供用中に様々な動作条件や温度変化サイクルにさらされ、それによってチップのはんだ付け部や焼結部などに不良が生じたり、パワーモジュールの寿命が大幅に短縮されたりする可能性がある。
そのため、パワースイッチング電子デバイスの性能および信頼性を保証するためにはその製造時および供用中にテストを行うことが必要となる。
Karkkainen Tommiの論文「Obeservation of Acoustic Emission in Power Semiconductors」、ISBN978−952−2659−11−8で、著者はパワー半導体チップで明らかになった音響現象に関する研究結果と所見を紹介しており、その現象はチップの不具合検出に利用可能と考えられると示唆している。著者は3種類のアコースティックエミッション、すなわち、チップ内のスイッチングに関係するアコースティックエミッション、チップが不具合を生じた瞬間のアコースティックエミッション、チップが破壊された後のアコースティックエミッションを特定している。著者はこれらの現象を放電または圧電効果と関連づけている。この文書には、パワースイッチング電子デバイスの不良を検出するための解決法は何も記されていない。
技術の現状では、材料中の不良の検出法として、熱放射によって材料をパルス状に加熱し、赤外線サーモグラフィ画像の形によるその熱応答から不良を特定するというものが知られている。
また、超音波音響波によって材料を加熱するためにサーモアコースティック効果を用いるものも知られている。不良の検出は、物質の赤外線による熱応答のフーリエ変換像と材料固有の標準ヒートシグネチャとを比較することによって得られる。
上述の従来技術のサーモグラフィによる解決法は赤外線イメージングカメラを必要とし、デバイス製造時の一回限りの試験またはその供用中に行われるスポット的な検査のためのものとして考えられている。そうした解決法は、パワースイッチング電子デバイスの不良を継続的に検出するのに適したものではない。
パワースイッチング電子デバイスにおける不良の検出および保護の方法で、よりコンパクトで経済的な不良検出と保護のための装置の設計、および不良の継続的検出が可能な方法に対するニーズが存在する。
第1の態様によれば、本発明は、サーモアコースティック効果を利用してパワースイッチング電子デバイスの不良検出および保護を行う方法であって、
−a)パワースイッチング電子デバイスでその動作時にサーモアコースティック効果により発生する音響信号を検出するステップと、
−b)検出された音響信号の周波数スペクトルを計測し、周波数スペクトルから、検出された音響信号に伴うスペクトルシグネチャを取得するステップと、
−c)検出されたスペクトルシグネチャを複数の標準スペクトルシグネチャと比較するステップと、
−d)検出されたスペクトルシグネチャと複数の標準スペクトルシグネチャとの比較するステップc)で少なくとも1つの一致が特定されたとき、パワースイッチング電子デバイスに少なくとも1つの不良が存在すると判定するステップと
を含む方法に関する。
−a)パワースイッチング電子デバイスでその動作時にサーモアコースティック効果により発生する音響信号を検出するステップと、
−b)検出された音響信号の周波数スペクトルを計測し、周波数スペクトルから、検出された音響信号に伴うスペクトルシグネチャを取得するステップと、
−c)検出されたスペクトルシグネチャを複数の標準スペクトルシグネチャと比較するステップと、
−d)検出されたスペクトルシグネチャと複数の標準スペクトルシグネチャとの比較するステップc)で少なくとも1つの一致が特定されたとき、パワースイッチング電子デバイスに少なくとも1つの不良が存在すると判定するステップと
を含む方法に関する。
この方法の詳細な特徴によれば、計測するステップb)は、検出された音響信号の周波数スペクトルのフーリエ変換による計算を含む。
第2の態様によれば、本発明は、上に概略を説明した方法を実施するための不良検出および保護のための装置であって、不良が現れる可能性のあるパワースイッチング電子デバイスを監視するための装置に関する。本発明によれば、装置は少なくとも1つの音響センサと、典型的には英語で「log−in」と呼ばれるタイプの増幅手段およびアナログ−デジタル変換手段を含む入力インターフェースと、音響センサで検出された音響信号のスペクトルシグネチャを計算することができるスペクトルシグネチャ計算ソフトウェアモジュールを備えるデジタル信号処理ユニットと、複数の標準スペクトルシグネチャを記憶できる記憶装置と、検出された音響信号のスペクトルシグネチャと記憶装置に記憶されている複数の標準スペクトルシグネチャとの間で特定される少なくとも1つの一致をもとにパワースイッチング電子デバイスにおける少なくとも1つの不良の存在を検出できる比較および不良判定ソフトウェアモジュールとを備える。
別の実施形態によれば、本発明による装置は複数の音響センサを備え、入力インターフェースは複数の音響信号入力チャンネルを有するタイプのものであり、サンプリング手段も備える。
ある詳細な特徴によれば、不良が検出されると、デジタル信号処理ユニットは監視下のパワースイッチング電子デバイスについて出力に不良信号を与える。
別の詳細な特徴によれば、不良が検出されると、デジタル信号処理ユニットは不良アラートを出力に与え、その不良アラートは照光通知、音声通知または不良タイプの指示を伴った、もしくは伴わない画面表示を備える。
さらに別の詳細な特徴によれば、本発明による不良検出および保護のための装置は少なくとも1つの超音波音響センサを備える。
さらに別の態様によれば、本発明は少なくとも1つのパワースイッチング電子デバイスと、上に説明したような付属の(associe)不良検出および保護のための装置とを備えるパワースイッチング電子アセンブリにも関する。
本発明によるパワースイッチング電子アセンブリの詳細な特徴によれば、不良が検出されると、付属の不良検出および保護のための装置は、パワースイッチング電子デバイスの動作を停止するよう、または低位モードで動作するよう操作する。
別の詳細な特徴によれば、パワースイッチング電子デバイスはパワーモジュール、コンバータまたはインバータの形をなし、音響センサが収められた少なくとも1つの空所を含む。
本発明のその他の利点および特徴は、添付の図面を参照しながら本発明のいくつかの具体的実施形態について以下に行う詳しい説明を読むことでより明らかとなろう。
パワースイッチング電子デバイスは、多相インバータのような完備したスイッチングブリッジを形成するように、または所望の電流を流すことができるように並列に接続するようにつないだパワーモジュールによって構成される。パワーモジュールは典型的にはスイッチングブリッジの枝路である。
パワーモジュールは、電子チップの平面的なアーキテクチャで構成されるものであれ、3Dアーキテクチャで構成されるものであれ、いずれも絶縁材料または導体材料で作られた層の積層構造を有しており、その層の間に、MOSFETまたはIGBTトランジスタのような半導体によるパワースイッチを備えた電子チップが組み込まれている。パワースイッチは典型的には数ヘルツから数百キロヘルツの範囲の周波数でスイッチングを行う。それによって繰返し熱パルスが生じ、そのためにパワーモジュールの積層構造内に熱音響波が発生する。熱パルスはサーモアコースティック効果によって部分的に音響的性格の機械エネルギーに変換される。音波は伝播し、パワーモジュールの積層構造内で偏向または反射し、その構造に関する情報を搬送する。
本発明は上記の現象を利用してパワースイッチング電子デバイス内の不良を検出するものである。監視対象のパワースイッチング電子デバイスによって生じる音波が検出され、その周波数スペクトルから導き出されたスペクトルシグネチャの変化があらかじめ登録されている標準スペクトルシグネチャとの比較によって検出される。本発明は、音波のスペクトルシグネチャの変化から不良の早期検出を可能にする。本発明は、層の剥離または離層、チップの固定の亀裂、パワーモジュールの構造内の空隙など、不良の種類を検出することもできる。
そのため、本発明では、あらかじめ決められた仕様との比較で音響応答を調べることにより、パワースイッチング電子デバイスを製造時に検査し、選別することができる。供用期間中は、パワースイッチング電子デバイスの健全性は、デバイスから発せられる音波を解析する電子制御ユニットによって、連続的にまたはあらかじめ定めた周期で調査することができ、それによって不良の存在検出および劣化リスクからのデバイス保護を行う。
本発明の実施形態について、以下に三相インバータにおける不良検出および保護の枠組みに沿って説明する。
図1に示すように、三相インバータOT1は3つのパワーモジュールPM1A、PM1B、PM1cとスイッチング操作回路SWCとを備える。
IGBT型トランジスタを備えるパワーモジュールPM1のブロック図を図1に示す。パワーモジュールPM1Aは、TIHSの符号が与えられた上側IGBTトランジスタとTILSの符号が与えられた下側IGBTトランジスタと(それぞれ英語で「low side」トランジスタ、「high side」トランジスタと呼ばれるもの)を備える。トランジスタTIHSおよびTILSには、それぞれ「フリーホイール」と呼ばれるダイオードIDHSおよびIDLSが付属している。ダイオードIDHS、IDLSはそれぞれトランジスタTIHS、TILSのコレクタ電極CHS、CLSとエミッタ電極EHS、ELSとの間に取り付けられている。トランジスタTIHSのコレクタ電極CHSは正の直流電圧+DCに連結され、トランジスタTILSのエミッタ電極EHSは負の直流電圧−DCに連結されている。トランジスタTIHSおよびTILSはそれぞれのゲート電極GHSおよびGLSを通してスイッチングを操作される。モジュールPM1Aの出力OUTAはトランジスタTIHSおよびTILSのエミッタ電極EHSとコレクタ電極CLSの相互接続点に相当しており、交流電圧を与える。
パワーモジュールPM1A、PM1BおよびPM1Cが、MOSFETトランジスタやGTOサイリスタなど、他のパワースイッチを備えるものであってもよいことにも留意されたい。
スイッチング操作回路SWCは、モジュールPM1A、PM1BおよびPM1CのトランジスタTIHS、TILSのスイッチングを操作するゲート操作信号SCHS、SCLSを与える。
図1に示すように、不良検出装置DEPは三相インバータOT1に付属している。ここでは、音響センサCAは、インバータOT1から発せられる音響信号SA0を検出するためにインバータOT1に近接して配置されている。音響信号SA0は不良検出装置DEPのアナログ入力に供給される。
ここでは、不良検出装置DEPは専用の電子制御ユニットECUを囲むように構成されている。別の実施形態では、装置DEPは適合されたインターフェース回路が具備されたマイクロプロセッサ内に配設することもできよう。
電子制御ユニットECUは音響信号入力インターフェースITおよびデジタル信号処理ユニットSPUを備えている。
音響信号入力インターフェースITは入力増幅器APおよびアナログ−デジタル変換器CANを備える。入力増幅器APは音響センサCAから与えられる音響信号SA0をその入力に受ける。入力増幅器APは音響信号SA0に対して帯域濾波を行い、音響信号SA0の増幅レベルをそれ以降の処理のために調整する。増幅された音響信号SA1は、増幅器APによって出力に与えられる。増幅された音響信号SA1はアナログ−デジタル変換器CANによってデジタル化され、次いでデジタル信号処理ユニットSPUのデータ入力ポートに供給される。
デジタル信号処理ユニットSPUは典型的にはマイクロプロセッサμPを囲むように構成され、マイクロプロセッサμPには読出し専用メモリROMおよびランダムアクセスメモリRAM、入/出力インターフェース手段(図示せず)ならびに記憶装置MEMが付属する。ユニットSPUのメモリにはファームウェアが実装されており、逐次処理で進められる一連の命令を通して信号処理機能が果たされる。
ユニットSPUによって行われる信号処理機能は、図1ではブロックFFTおよびCSGの形で示されている。
ブロックFFTは音響信号SA1のスペクトルシグネチャSEPを計算するソフトウェアモジュールである。スペクトルシグネチャSEPはフーリエ変換によって得られる音響信号SA1の周波数スペクトルから導き出される。
ブロックCSGは、比較および不良判定のソフトウェアモジュールである。ブロックCSGは音響信号SA1のスペクトルシグネチャSEPを記憶装置MEMにあらかじめ登録された複数の標準スペクトルシグネチャSgnと比較して、一致するものが1つまたは複数あれば検出する。記憶装置MEMは、インバータOT1に生じ得る様々な動作状態および様々なタイプの不良を代表する複数の標準スペクトルシグネチャSgnを備えたナレッジベースを記憶している。ブロックCSGは、比較の結果に応じて、不良の存在および推定されるそのタイプを判定する。インバータOT1における不良が比較判定CSGモジュールによって検出されると、比較判定CSGモジュールは不良信号DIを出力に与え、不良アラートWAを作動させることができる。
不良信号DIはスイッチング操作回路SWCに伝送され、それを受けたスイッチング操作回路SWCは、インバータOT1のトランジスタTIHS、TILSのスイッチングを操作するゲート操作信号SCHS、SCLSを無効レベルにブロックしてインバータOT1の動作を停止することができる。スイッチング操作回路SWCは、検出された不良がそれほど重大なものでない場合には、インバータOT1が低位モードで動作するよう操作することもできる。
不良アラートWAは、たとえば照光もしくは音声による通知、または想定される不良のタイプの指示を伴う、もしくは伴わない画面表示を含むことができる。
ここからは、図2および3を参照しながら、OT2と呼ぶ三相インバータに関する別の実施形態について説明する。この実施形態では、3つのパワーモジュールPM2A、PM2B,PM2Cの各々はその構造中に組み込まれた音響センサCAを備える。さらに、この実施形態では、インバータOT2は、本発明による不良検出および保護のための装置専用の電子制御ユニットECU2であって、インバータOT2の操作ユニットUCに組み込まれた電子制御ユニットECU2を含む。
図2に示すように、パワーモジュールPM2A、PM2BおよびPM2Cはここでは平面的な配列で横に並んで配列されており、それぞれ組み込まれた音響センサCAA、CABおよびCACを含んでいる。
操作ユニットUCはスイッチング操作回路SWC2および電子制御ユニットECU2を備えている。そして、操作ユニットUCは、ゲート操作信号SCHS、SCLSを生じることでパワーモジュールPM2A、PM2BおよびPM2Cのスイッチング操作機能を、また音響センサCAA、CABおよびCACと連携してインバータOT2の不良検出および保護機能を果たす。
スイッチング操作回路SWC2は図1のインバータOT1の回路SWCと同様のものであり、ここでは説明しない。
電子制御ユニットECU2が図1のユニットECUと異なるのは、電子制御ユニットECUのインターフェースITには信号SA0のための入力チャンネルが1つしかないのに対して、電子制御ユニットECU2の入力インターフェースIT2には3つの入力チャンネルを備えているところにある。音響センサCAA、CAB、CACから与えられる3つの音響信号(まとめてSAABCと呼ぶ)はそれぞれインターフェースIT2の3つのチャンネルの入力側に供給される。信号SAABCは濾波され、増幅された後、インターフェースIT(図1)のコンバータCANと同様のアナログ−デジタルコンバータ(図示せず)によるサンプリングおよび時間多重化を受けることでデジタル化される。電子制御ユニットECU2に備えられたデジタル信号処理ユニットSPU2はデジタル信号処理ユニットSPU(図1)によって行われるものと同様の処理を音響信号SAABCの各々に対して行う。不良が検出された場合、不良の通知がスイッチング操作回路SWC2に通知され、スイッチング操作回路SWC2は、検出された不良の重大さに応じて、インバータOT2の動作を止めるか、または低位モードにするよう操作する。本発明のこの実施形態では、パワーモジュールは各々が固有の音響センサを具備しているため、パワーモジュールレベルでの不良の検出は図1の実施形態より容易である。
本発明の方法は、パワースイッチング電子デバイスにおける不良の空間的な所在特定のために適合されていることに留意されたい。そのため、空間的な所在特定機能を、たとえばそれぞれが空間標準座標系を定義する3つの異なる方向軸(X、Y、Z)に沿って配置された3つの音響センサなどを用いることで配設することができよう。不良の空間的な所在特定は、3つのセンサによって供給される音響信号から導き出される。
音響センサCAAを備え、インバータOT2に組み込むことができるパワーモジュールPM2Aの例を図3に示す。
パワーモジュールPM2Aはここでは従来型の平面的な構成を有しており、DBC(英語の「Direct Bond Copper」より)型の基板SUBに固定された電子チップP1、P2を備えている。モジュールPM2Aの筐体CASは、ここでは樹脂によるオーバーモールドで製作されている。別の実施形態では、パワーモジュールPM2Aは、チップをその中に収めた筐体であって、さらに絶縁用ゲルが満たされた筐体を備えるものであり得ることに留意されたい。
図3の断面図に見ることのできるチップP1およびP2はそれぞれスイッチング枝路のトランジスタTIおよびそれに付属するダイオードDI(図1参照)である。チップP1およびP2は基板SUBの銅製上面にはんだ付けされる。銅製導体CUおよびボンディングワイヤBOがパワーモジュールPM2A内部における電気接続および外部接続端子BCとの電気接続を果たす。基板SUBの銅製下面は金属製のベースプレートSEMに対してはんだ付けされる。ベースプレートSEMはヒートシンクDISと熱的に密に接する。ヒートシンクDISは、ここでは伝熱流体CAL循環型である。
図3に示すように、音響センサCAAは、パワーモジュールPM2Aのオーバーモールド筐体CAS内に設けられた空所HOの中央に配置されている。典型的には、音響センサCAAは、共振周波数がパワーモジュールのスイッチング周波数(たとえば40kHz前後)にほぼ相当する圧電式超音波検出器である。空所HOの形状および寸法は、センサCAAによる音響波信号の受信が改善するように選ばれる。オプションとして、音響波のノイズを濾波するために多孔質材料の板PPを空所HO内に配列することもできよう。
本発明はここに例として説明した具体的な実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本発明の用途に応じて、ここに添付する特許請求の範囲に包含される様々な変更や変形を加えることができよう。
Claims (10)
- サーモアコースティック効果を利用してパワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)の不良検出および保護を行う方法であって、
−a)前記パワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)でその動作時にサーモアコースティック効果により発生する音響信号(SA)を検出するステップと、
−b)検出された前記音響信号(SA)の周波数スペクトルを計測(FFT)し、前記周波数スペクトルから、前記検出された音響信号(SA)に伴うスペクトルシグネチャ(SEP)を取得するステップと、
−c)前記スペクトルシグネチャ(SEP)を複数の標準スペクトルシグネチャ(Sgn)と比較(CSG)するステップと、
−d)前記スペクトルシグネチャ(SEP)と前記複数の標準スペクトルシグネチャ(Sgn)との前記比較するステップc)で少なくとも1つの一致が特定されたとき、前記パワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)に少なくとも1つの不良が存在すると判定(CSG)するステップと
を含む方法。 - 前記計測するステップb)が、前記検出された音響信号(SA)の前記周波数スペクトルのフーリエ変換による計算(FFT)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 請求項1または2に記載の方法を実施するための不良検出および保護のための装置であって、不良が現れる可能性のあるパワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)を監視するための装置において、少なくとも1つの音響センサ(CA、CAA、CAB、CAC)と、増幅手段(AP)およびアナログ−デジタル変換手段(CAN)を含む入力インターフェース(IT、IT2)と、前記音響センサ(CA、CAA、CAB、CAC)で検出された音響信号(SA)のスペクトルシグネチャ(SEP)を計算することができるスペクトルシグネチャ計算ソフトウェアモジュール(FFT)を備えるデジタル信号処理ユニット(SPU、SPU2)と、複数の標準スペクトルシグネチャ(Sgn)を記憶できる記憶装置(MEM)と、前記検出された音響信号(SA)の前記スペクトルシグネチャ(SEP)と前記記憶装置に記憶されている前記複数の標準スペクトルシグネチャ(Sgn)との間で特定される少なくとも1つの一致をもとに前記パワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)における少なくとも1つの不良の存在を検出できる比較および不良判定(CSG)ソフトウェアモジュールとを備える装置。
- 複数の音響センサ(CAA、CAB、CAC)を備えること、および前記入力インターフェース(IT2)が複数の音響信号入力チャンネルを有するタイプのものであり、サンプリング手段も備えることを特徴とする、請求項3に記載の装置。
- 不良が検出されると、前記デジタル信号処理ユニット(SPU、SPU2)が監視下のパワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)について出力に不良信号(DI、DIABC)を与えることを特徴とする、請求項3または4に記載の装置。
- 不良が検出されると、前記デジタル信号処理ユニット(SPU)が不良アラート(WA)を出力に与え、前記不良アラート(WA)が照光通知、音声通知または不良タイプの指示を伴った、もしくは伴わない画面表示を備えることを特徴とする、請求項3から5のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも1つの超音波音響センサを備えることを特徴とする、請求項3から6のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも1つのパワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)と、付属の不良検出および保護のための装置(DEP、CAA、CAB、CAC、UC)とを備えるパワースイッチング電子アセンブリにおいて、前記付属の不良検出および保護のための装置(DEP、CAA、CAB、CAC、UC)が請求項3から6のいずれか一項に記載の装置であることを特徴とする、アセンブリ。
- 不良が検出されると、前記付属の不良検出および保護のための装置(DEP、CAA、CAB、CAC、UC)が前記パワースイッチング電子デバイス(PM、OT1、OT2)の動作の停止するよう、または低位モードで動作するよう操作することを特徴とする、請求項8に記載のアセンブリ。
- 前記パワースイッチング電子デバイス(PM2A)がパワーモジュール、コンバータまたはインバータの形をなし、音響センサ(CAA)が収められた少なくとも1つの空所(HO)を含むことを特徴とする、請求項8または9に記載のアセンブリ。
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