JP3668708B2 - 故障検知システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体モジュール、特にインバータ等の故障または劣化を検知する故障検知システムおよび複数のインバータを備えたインバータシステムの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータは、例えば、動力車の電力システムの省エネルギー化や高機能化を図るために、近年広く使われてきている。インバータの重要な課題の一つに、主回路部を構成する半導体モジュールの信頼性確保がある。従来は、信頼性を確保するために、疲労試験等で十分に性能を評価して、システムの使用期間中に半導体モジュールが破壊しないようにしていた。ところが、半導体モジュールの寿命は使用条件によっても大きく変わり、また個々の半導体モジュールによるばらつきも大きい。このため、システムの運転中に突如半導体モジュールが破壊し、システムが停止するといった問題が発生している。
【０００３】
半導体モジュールの主要な故障モードの一つに、長期間にわたる熱疲労によって半導体チップを放熱フィンに取りつけるためのハンダ層にクラックが生じて取りつけ不良となり、放熱不足により半導体チップが破壊するというものがある。また同様の問題が、近年処理能力が飛躍的に向上しその発熱が問題となってきているＣＰＵ等の集積回路の半導体モジュールにおいても発生している。
【０００４】
これらの問題を解決するために、特開平７−１４９４８号公報には半導体モジュールを構成する各部材間の温度上昇を検知しその経時変化から劣化を検知する劣化検知手段が提案され、特開平８−１２６３３７号公報には半導体モジュールに温度センサを取り付け、実際に加えられた熱ストレスを積算し、その値から寿命を推定する寿命推定方法が提案されている。
【０００５】
特開平７−１４９４８号公報に記載された方式では、複数の温度センサが必要であり、複数の半導体モジュールを用いて構成するインバータ装置では検出手段が、高価で複雑になってしまうという問題がある。
【０００６】
また、特開平８−１２６３３７号公報に記載された方式では、ハンダ層のクラックの原因となる熱履歴は分かるが、それによりどれだけ劣化が進行したかは判断することができない。そして、半導体モジュールの劣化はばらつきが大きいため、上限値として設定した熱ストレスに達する前に破壊することがある一方、これとは逆に熱ストレスが上限値に達しても全く劣化が進行しない場合があり、このような半導体モジュールを推定寿命で交換することは、半導体モジュールの能力を十分に活かしきれないといったことが起こる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多くの検出手段を用いずに半導体モジュールの劣化を直接検知する簡単な構造を有する故障検知システムを安価に提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明による故障検知システムは、半導体モジュールに設置した温度センサにより、損失が発生した際の温度上昇率を検知し、損失と温度上昇率の関係が所定の範囲を越えた場合に、半導体モジュールが劣化あるいは故障したと検知するを有することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、半導体モジュールの故障検知システムを、半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、前記温度計測手段により計測した温度と半導体モジュールへの運転指令から前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えて構成した。
【００１０】
また、本発明は、半導体モジュールの故障検知システムを、半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、前記温度計測手段により計測した温度から温度上昇率を演算する温度上昇率検出手段と、半導体モジュールで発生する損失を演算する損失演算手段と、前記温度上昇率と前記損失から前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えて構成した。
【００１１】
本発明は、上記、半導体モジュールの故障検知システムにおいて、前記損失に対する前記温度上昇が所定の範囲より大きいあるいは小さい場合に異常と判定するようにした。
【００１２】
さらに、本発明は、半導体モジュールの故障検知システムにおいて、半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、半導体モジュールで発生する損失を演算する損失演算手段と、損失から半導体モジュールの温度を推定する温度推定手段と、推定温度と測定温度から前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えて構成した。
【００１３】
本発明は、上記半導体モジュールの故障検知システムにおいて、前記損失に対して前記推定温度と前記測定温度の差の絶対値が所定の範囲より大きい場合に異常と判定するようにした。
【００１４】
本発明は、上記半導体モジュールの故障検知システムにおいて、前記温度検出手段を半導体モジュールの冷却フィンに取り付けた。
【００１５】
本発明は、複数台のインバータを備えたインバータシステムにおいて、複数台のインバータと、前記インバータを制御する演算装置と、前記インバータおよび前記演算装置を繋ぐ情報伝送線からインバータシステムを構成し、前記インバータのそれぞれが上記半導体モジュールの故障検知システムを持ち、演算装置は各インバータを構成する半導体モジュールの劣化もしくは故障具合に応じて各インバータへの指令値を変えるようにした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２を用いて、本発明にかかる半導体モジュールの故障検知システムをインバータに適用した場合の第１の実施例の構成を説明する。この実施例にかかるインバータ１は、パワーモジュール（ＰＭ）として構成される６個の半導体モジュール１１−１〜１１−６と、ゲート駆動回路（ＧＤ）１２−１〜１２−６と、制御回路１３と、コンデンサ１４とを有して構成され、直流電源４の電力を三相交流に変換してモータ３を駆動している。
【００１７】
半導体モジュール１１は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１１１とダイオード１１２で構成されており、Ｃはコレクタ端子、Ｅはエミッタ端子、Ｇはゲート端子である。そして半導体モジュール１１には、温度センス素子１５が取り付けられている。半導体モジュール１１−２〜１１−６は、省略して示されているが、半導体モジュール１１−１と同様な構成とされている。
【００１８】
ゲート駆動回路（ＧＤ）１２は、半導体モジュール１１のＩＧＢＴ１１１を駆動する駆動回路１２１と、温度計測回路１２２と、保護回路１２３とを有して構成される。ゲートドライブ回路１２−２〜１２−６は、省略して示されているが、ゲートドライブ回路１２−１と同様な構成とされている。
【００１９】
駆動回路１２１は、ＩＧＢＴ１１１のゲート端子Ｇの電圧を制御してＩＧＢＴ１１１をオンあるいはオフに制御する回路である。温度計測回路１２２は、温度センス素子１５の信号から温度を計測する回路である。保護回路１２３は、ＩＧＢＴ１１１の過電流や過熱あるいは制御電圧の低下といった異常時にＩＧＢＴ１１１をオフして保護する回路である。
【００２０】
制御回路１３は、モータ制御部１３１と、劣化判定部１３２とを有して構成され、各ゲート駆動回路１２を制御して、モータ３の速度や駆動トルクを制御する回路である。
【００２１】
モータ制御部１３１は、モータが適切に動くようにＩＧＢＴ１１１がオンあるいはオンするタイミングの信号をゲート駆動回路１２へ与える回路である。そして劣化判定部１３２は、以下に詳細に述べるが、計測した温度およびＩＧＢＴ１１１への駆動指令から半導体モジュール１１の劣化や故障を診断する回路である。
【００２２】
コンデンサ１４は、入力される直流電源４の直流電圧を一定に保つ働きをする。
【００２３】
図３を用いて、半導体モジュール１１の構成を説明する。半導体モジュール１１は、半導体チップ１１１（ＩＧＢＴ）を、ハンダ層１１５により絶縁板１１７へ接着し、この絶縁板１１７をハンダ層１１０を介して冷却フィン１１９に接する金属板１１８に接着して構成される。
【００２４】
また、半導体チップ１１１は、ワイヤ１１６およびハンダ層１１５により絶縁板１１７に接続された電極板１１３を経由してエミッタ電極Ｅ、ゲート電極Ｇに接続され、ワイヤ１１６およびハンダ層１１５により絶縁板１１７に接続された電極板１１４を経由してコレクタ電極Ｃに接続されている。
【００２５】
絶縁板１１７上の半導体チップ１１１に近い位置に、温度センス素子１５が取り付けられている。ここでは温度センス素子１５として温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタを用いたが、温度センス素子１５は、サーミスタ以外のものでも、温度によって測定可能な特性が変化するものであればよい。具体的な例としては熱電対等がある。
【００２６】
図４を用いて、サーミスタ１５を用いた温度計測回路１２２の構成を説明する。温度計測回路１２は、抵抗１２２１と、電圧源１２２２と、抵抗１２２３と、コンデンサ１２２４と、ＡＤ変換器１２２５と、出力端子１２２６とを有して構成される。
【００２７】
電圧源１２２２と抵抗１２２１とサーミスタ１５が直列接続され、温度が変化してサーミスタ１５の抵抗値が変化すると、抵抗１２２１とサーミスタ１５の接続点の電圧が変化して温度変化を検出できる。抵抗１２２３とコンデンサ１２２４はＣＲフィルタであり、電圧信号に重畳したノイズを除去する回路である。ＡＤ変換器１２２５は、この電圧信号をアナログ値からデジタル値に変換する。この実施例では、ここに示した温度計測回路１２２は、サーミスタ１５を除きゲート駆動回路１２内に設けている。
【００２８】
当然のことではあるが、温度計測回路１２２や温度信号への変換は別の所に設けられてもよい。ここで温度計測回路１２２の設置場所としてゲート駆動回路１２を選んだのは、半導体モジュール１１の近くに設置され、かつ必要となる電源等が既に存在するからである。ここで検出したデジタル化した電圧信号は、制御回路１３に伝送されて劣化判定に用いられる。
【００２９】
図５を用いて、半導体モジュール１１の熱等価回路を説明する。半導体チップ１１１の発熱は、電流源Ｐ１で模擬できる。各部材の熱抵抗は電気抵抗Ｒ１〜Ｒ６に置き換えられ、熱容量はコンデンサＣ１〜Ｃ６に置き換えられる。このときハンダ層１１０、１１５の熱容量は他の部材の熱容量に比べて非常に小さいので無視している。各部材の温度は、各点における電圧に相当する。半導体チップ１１１の発熱は、ハンダ層１１５、絶縁板１１７、ハンダ層１１０、金属板１１８、冷却フィン１１９の順に伝わっていく。
【００３０】
図６を用いて、半導体モジュール１１の、熱抵抗の変化率の熱サイクル数に対する依存性を説明する。このグラフは、半導体モジュールの熱サイクル試験結果から得られたものであり、縦軸に熱抵抗の変化率を％で、横軸に熱サイクル数を時間で示している。半導体チップ１１が発熱すると、各部材には熱膨張率の違いのために熱応力が発生する。半導体モジュール１１を長期間使用すると、この熱応力によりハンダ層１１０，１１５に徐々にクラック等が発生し熱抵抗が大きくなる。一度クラック等が発生し熱抵抗が増加すると、放熱が悪くなりより大きな熱応力が発生してハンダ層のクラックが増加していく。したがって、半導体モジュール１１の熱抵抗は、図６に曲線６０１として示すように、初めは徐々に増加し、やがては加速度的に増加していく。熱抵抗が増加すると、半導体チップの温度が上昇し、必要な電気的特性が得られなくなるか、場合によっては破壊してしまう。ここで用いた半導体モジュールでは、必要な電気的特性が得られる条件から、熱抵抗の上昇率の上限は５０％とした。この上限は図６のカーブの急速に立ち上がる点から実験的に求めても良い。
【００３１】
図７を用いて、半導体モジュール１１に一定の損失（Ｐ１）７０４を発生させた場合に温度センス素子１５が検出する温度の関係を説明する。縦軸には損失と温度を、横軸には時間を示している。曲線７０２は、正常時の温度変化を示している。正常時には、損失Ｐ１が発生すると一定値Ｔ７ａまで徐々に温度が上昇した後一定値Ｔ７ａとなり、損失がなくなると温度は徐々に元の値まで下がっていく。
【００３２】
曲線７０１は、ハンダ層１１５が劣化し抵抗Ｒ２が大きくなった場合の温度変化である。抵抗Ｒ２が大きいと半導体チップ１１１の発熱が温度センス素子１５に達するまでに時間がかかるため、曲線７０１は正常時の曲線７０２より上昇率が緩やかになる。また定常状態となった時の温度Ｔ７ａは正常の場合と同じである。これは温度が抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の和に、発生する損失Ｐ１をかけたものになるためである。
【００３３】
曲線７０３は、ハンダ層１１０が劣化し抵抗Ｒ４が大きくなった場合の温度変化を示す。この場合には温度センス素子１５の部分から冷却フィン１１９へ熱が伝わりにくくなるため、曲線７０３は正常時の曲線７０２より上昇率が急になる。定常状態となった時の温度Ｔ７ｂは、Ｔ７ａより大きくなる。
【００３４】
また、半導体チップ１１１の発熱（損失）Ｐ１がなんらかの異常により想定していた値より小さい場合には曲線７０１、大きくなった場合には曲線７０３のように温度が変化する。損失が大きくなるのは例えば、指令値がオフにもかかわらず誤動作によりオンした場合や、制御電圧が低下したことによりＩＧＢＴのオン電圧が大きくなり損失が増加する場合等がある。逆に損失が小さくなるのは、指令値がオンにもかかわらず誤動作によりオフしている場合等がある。
【００３５】
したがって、損失が発生した時刻ｔ７０からの温度上昇率ΔＴ／Δｔを検出することにより劣化や誤動作を検知することができる。このとき温度上昇率が小さければ、温度センス素子１５より半導体チップ側にあるハンダ層が劣化したか、損失が想定した値より小さくなっている。逆に温度上昇率が大きければ、温度センス素子１５より冷却フィン側にあるハンダ層が劣化したか、損失が想定した値より大きくなっている。
【００３６】
図１を用いて、劣化検知に用いるグラフを説明する。横軸は運転指令から推定した損失であり、縦軸は温度上昇率である。半導体モジュール１１の主な損失はオン損失とスイッチング損失とオン損失である。図９に、ＩＧＢＴのコレクタ電流とオン電圧の関係の一例を曲線９０１として示す。ＩＧＢＴの通電中の損失はこのグラフのコレクタ電流とオン電圧をかけたものである。図１０に、スイッチング損失のコレクタ電流依存性の一例を曲線１００１として示す。これはスイッチング一回当たりの損失を示している。
【００３７】
ところで、損失による温度上昇は、秒オーダーの現象であるのに対し、スイッチングの周期は通常ミリ秒オーダーである。そのため、損失は瞬時値ではなく時間平均を求めれば良い。ここではインバータの出力電圧の１サイクルにおける損失を求めている。１サイクル期間中にはＩＧＢＴはオンオフをくり返すため、通電時には図９から求めた損失に通電時間をかけた値を加えていき、スイッチング毎に図１０から求めた損失を加え、最後にこれを１サイクルの時間で割れば良い。このため半導体モジュール１１への指令から、コレクタ電流、通電時間やスイッチング周波数を求めれば、発生する損失を算出することが可能である。もちろんコレクタ電流値は実測値を用いてもよいし、損失を実測しても良い。
【００３８】
図７を用いて説明したように、温度センス素子１５より発熱源に近いハンダ層が劣化した場合には温度上昇率が低下する。逆に発熱源から遠いハンダ層が劣化した場合や損失がなんらかの異常により大きくなった場合には温度上昇率が増加する。図６の熱抵抗の上限から図１の温度上昇率の上限曲線１０１および下限曲線１０２が決まる。測定した温度上昇率が２つの曲線の間にあれば正常であり、線の外なら異常である。正常な範囲でも上限、下限に対する近付き具合から劣化の進行の程度を判断することができる。
【００３９】
先に述べたように、ハンダ層の劣化以外でも、損失が想定値と異なる場合にも温度上昇率が変化する。ハンダ層の劣化は図６に示したように、半導体モジュールの使用期間である数年あるいは数十年といった時間の中で、徐々に進行していく。一方損失が大きくなるのは、半導体モジュール１１の駆動回路１２の故障等で、指令値通りに動作しない場合や、駆動回路の電圧が低下した場合等であり、これらは電子部品の故障等により突然発生する。したがって徐々に温度上昇率が上がるのは前者であり、突然大きくなるのは後者であり、劣化と故障を容易に区別することが可能である。
【００４０】
図８を用いて、損失が続けて発生した場合の温度上昇について説明する。損失８０１だけが発生した場合の温度の変化は曲線８０３で表され、損失８０２だけが発生した場合の温度の変化は曲線８０４で表される。損失が続けて発生した場合には、実際の温度の変化は曲線８０３と曲線８０４の和となり曲線８０５で表される。このため、時刻ｔ８２から温度上昇率を計測すると以前の損失８０１の影響により誤差が生じる。従って温度上昇率を測定するには、損失がなくまた温度が変化していない状態、例えば時刻ｔ８０から計測する必要がある。
【００４１】
図１１を用いて、温度を測定して異常の発生を判断する手順を説明する。測定がスタートする（Ｓ１）と、初めに、以前の損失の影響が有るか否かを示すＭＯＤＥを“０”にする（Ｓ２）。この場合のＭＯＤＥは、測定開始時には、以前の損失の影響が有るか否かが不明であるため、影響がある場合と同じ“０”としている。次に、前述の手法によって損失を算出し（Ｓ３）、温度上昇率（ΔＴ／Δｔ）を算出する（Ｓ４）。次いで、ＭＯＤＥが以前の損失の影響を受ける“０”であるか以前の損失の影響を受けない“１”であるかを判定する（Ｓ５）。初めは、ＭＯＤＥは“０”に設定されているので、ステップＳ６に分岐し、損失Ｐがほぼ０でかつ温度上昇率がほぼ０であるかを判定する（Ｓ６）。これは、以前に発生した損失の影響が無いかどうかを判定するための処理である。ここで以前の影響があればＮｏとなりステップＳ３に戻る。以前の損失の影響が無ければＭＯＤＥを“１”として（Ｓ７）、ステップＳ３に戻る。ＭＯＤＥが“１”となった後は、ステップＳ５においてステップＳ８に分岐し、損失Ｐが有るか否かを判定する（Ｓ８）。損失Ｐが無い場合（Ｐ＝０）には温度変化も無いので再びステップＳ３に戻る。損失がある場合には図１を用いて損失に対応する温度変化率が正常の範囲内に収まっているか否かによって異常判定を実行する（Ｓ９）。その後は、またスタート（Ｓ１）に戻り計測を始める。
【００４２】
このように、本発明では温度上昇率と損失の関係からハンダ層の劣化具合を検知することが可能である。これにより半導体モジュール１１が破壊する前に劣化を検知して修理や交換を行うことが可能になり、システムの信頼性を向上することができる。
【００４３】
図１２を用いて、本発明にかかる故障検知システムの第２の実施例における故障検知処理の概要を説明する。半導体モジュール１１は、本発明の第１の実施例とおなじである。したがって図１から図１０は本実施例にもあてはまる。また図１１のステップＳ１からステップＳ８は、図１１のそれと同じである。本実施例ではステップＳ８で損失が発生していた場合には、後述する方法で半導体モジュール１１の温度Ｔｃを推定する（Ｓ１１）。次に、実際の温度Ｔｍを温度センス素子１５により測定する（Ｓ１２）。そして、推定温度Ｔｃと実際の温度Ｔｍを比較して異常を判定する（Ｓ１３）。図７で述べたように異常があれば、温度上昇率が変化し、適当な時間Δｔたった後の温度が正常時より高くなるか低くなるので異常が分かる。
【００４４】
その後は、再びステップＳ１１に戻り温度の推定、測定、判定をくり返す。ただし、長時間このサイクルをくり返すと推定温度に誤差が蓄積してしまうため、ある程度時間がたった後は再びステップＳ１に戻るとよい。このときの時間間隔は、ステップＳ１１の温度推定の精度から、誤差が蓄積しない程度の間隔とすればよい。
【００４５】
次に、温度の推定方法について図１３を用いて説明する。図１３は、温度センサ取り付け部における過渡熱抵抗を示すグラフである。これは一定損失をあたえた場合の温度センサの測定値を損失で割ることにより得られる。図１４には損失が発生した場合の温度の変化を曲線１４０１として示す。この時の各時刻における温度は、図１３の過渡熱抵抗Ｒ（ｔ）を用いて次の式（１式〜４式）ように求めることができる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここで、Ｔｏは時刻ｔ１４０における温度である。
【００４８】
Ｒ（ｔ）は、十分に時間が立つと一定値となる。このため、発生から十分に時間がたった損失分については考慮しなくてもよい。例えばｔ１４１から十分に時間が経過したのちはＰａからの寄与は０としてよい。通常この時間は数秒から数十秒であり、過渡熱抵抗曲線１３０１から決定できる。このように本実施例では、常に温度を推定することが可能である。そのため第１の実施例とことなり、どのようなタイミングでも劣化を検知することが可能となる。
【００４９】
ここでは、過渡熱抵抗から温度を推定したが、図５の回路から微分方程式をたてて求めても良い。この場合より高い精度で温度を推定することができる。
【００５０】
このように、本発明では温度上昇率と損失の関係からハンダ層の劣化具合を検知することが可能である。これにより半導体モジュールが破壊する前に劣化を検知し修理や交換することが可能になり、システムの信頼性を向上させることができる。
【００５１】
図１５〜図１７を用いて、本発明の第３の実施例にかかるこしょう検知システムを説明する。図１５は、本発明の第３の実施例にかかる故障検知システムにおける異常判定のためのグラフである。図１６は、第３の実施例にかかる半導体モジュールの構成図である。図１７は、損失が発生した際の温度上昇を示すグラフである。図１６に示すように、第３の実施例は、本発明の第１の実施例である図３と、温度センス素子１５を配置する位置が異なっており、冷却フィン１１９に取り付けている。これ以外の構成は第１の実施例と同じであり、図２、図４、図６、図９、図１０、図１１は本実施例にもあてはまる。また図５の等価回路も温度センス素子１５の位置以外は同様である。
【００５２】
図１７には、損失が発生した際の温度上昇を示す。この実施例では図１の場合とくらべて温度センス素子１５の位置が発熱源である半導体チップ１１１から離れている。このため温度変化は第１の実施例の場合の図７とくらべると小さくなる。しかし傾向は全く同じであり、まったく同様の方法で劣化の検知が可能である。この場合には劣化するハンダ層はすべて温度センス素子１５より発熱源側にあるので劣化が進むと温度上昇率が小さくなる。したがって、温度上昇率が大きくなった場合は全て動作異常により損失が大きくなった場合である。当然実施例２で述べた方法で劣化を検知してもよい。実施例１および実施例２では温度センサを内臓した半導体モジュールを用意する必要があった。しかし本実施例では温度センサの内臓されていない半導体モジュールの冷却フィンに温度センサを外付けすればよい。このためより低コストで実現することが可能である。
【００５３】
以上説明した第１の実施例では絶縁基板１１７に、第３の実施例では冷却フィン１１９に温度センス素子１５を取り付けている。しかし温度センス素子１５の取り付け位置はこれらに限定されるものではなく、半導体チップの放熱経路のいずれかに取り付ければ良い。例えば金属板１１８や半導体チップ１１１に取り付けても良い。ただし、半導体チップ１１１には高電圧がかかるため、温度センス素子１５の絶縁に注意する必要がある。この場合には、例えば半導体チップに温度センス用のダイオードを設けて、このダイオードのオン電圧の温度依存性から温度を検出する方法もある。また、構造についても図３や図１６に示した構造に限定されるものではなく、発熱源があり、その放熱経路にハンダ層のような熱疲労により熱抵抗が変化するようなものが存在する場合にはすべて摘要することが可能である。さらに、本発明にかかる故障検知システムは、ここにあげたパワー半導体モジュール以外の集積回路等にも適用することが可能である。
【００５４】
図１８を用いて、本発明の第４の実施例にかかるインバータ１の構成を説明する。第４の実施例のインバータ１が第１の実施例のインバータと異なる点は、劣化判定部１３２を制御回路１３ではなくゲート駆動回路１６においた点である。図１および図３から図１１は本実施例にもあてはまる。第１の実施例では制御回路１３で６個の半導体モジュール１１−１〜１１−６の劣化を判断していたため、制御回路１３に高い処理能力が必要である。モータ制御自体も比較的高い処理能力を必要とするため、制御回路１３のハードウエアの性能を高くできない場合には本実施例が有効である。この場合、ゲート駆動回路１６は実施例１のゲート駆動回路１２より高度な性能が必要になる。
【００５５】
図１９を用いて、本発明の第５の実施例にかかるインバータ１の構造を説明する。第１の実施例と異なるのは、温度センス素子１５を一つの半導体モジュール１１−１にのみ設け、温度計測を制御回路１３’で行っている点および、ゲート駆動回路が駆動回路１２１と保護回路１２３から構成されるゲート駆動回路１７とされている点である。図１および図３から図１１は本実施例にもあてはまる。半導体モジュール１１−１以外の半導体モジュール１１−２〜１１―６は、半導体モジュール１１−１から温度センス素子１５を取り除いたものである。もちろん２種類の半導体モジュールを用意しなくても、すべて温度センス素子１５を取り付けて、１つ以外は温度センス素子を使わないようにしても良い。温度センス素子１５を取り付けるのは、直列接続された２つの半導体モジュールの下側とした。これは上側が高電位となり絶縁が難しいのに対し、下側は比較的容易に絶縁可能であるからである。
【００５６】
温度計測回路１２２および劣化判定回路１３２は、制御回路１３’で行っている。たとえば、ゲート駆動回路１７−１に温度計測機能や劣化判定機能を持たせた場合には、その機能の有るものと無いものの２種類のゲート駆動回路を用意する必要がある。あるいは、全てのゲート駆動回路１７にそれらの機能をもたせて、使用するのは１つだけとなる。これらの手法は非効率的であるため、制御回路１３’にこれらの機能を設けた。また、もう一つの理由は、制御回路１３’が、もともとモータ制御のために高い処理能力をもっているためである。
【００５７】
本実施例では、６個の半導体モジュール１１のうち１つだけ劣化判定をしている。同じインバータを構成する半導体モジュール１１−１〜１１−６は、使用期間中にほぼ似たような熱履歴をうける。このため１つの半導体モジュールの劣化を検知すれば、他の半導体モジュールの劣化も同程度と推測することができる。また温度計測や劣化判定のための回路や処理が第１の実施例と比べて約１／６ですむためより簡単な構成となる。しかしながら、個々の半導体モジュールのばらつきにより早く劣化する半導体モジュールも有るため、劣化を検知していない半導体モジュールが破壊にいたる場合もあり得る。
【００５８】
図２０を用いて、本発明の第６の実施例にかかるインバータ１の構成を説明する。第６の実施例にかかるインバータ１が第１の実施例にかかるインバータ１と異なる点は、半導体モジュールとゲート駆動回路を一体とした、高機能型半導体モジュール（ＩＰＭ）１８を用いている点である。高機能型半導体モジュール１８は、ＩＧＢＴ１１１と、ダイオード１１２と、温度センス素子１５と、駆動回路１２１と、温度計測回路１２２と、保護回路１２３とが搭載されている。高機能型半導体モジュール１８−２〜１８−６は、省略して示されているが、高機能型半導体モジュール１８−１と同様な構成とされている。
【００５９】
図２１に、高機能型半導体モジュール（ＩＰＭ）１８の外観図を示す。高機能型半導体モジュール１８は、主端子であるコレクタＣおよびエミッタＥが中央に配置され、脇におかれた端子台には制御用の端子が配置されている。制御用の端子は、制御回路からのオンオフ指令を入力する駆動信号入力端子１８１、温度や保護情報を出力する状態出力端子１８２、制御用電源入力１８３および、グランド端子ＧＮＤの４つで構成されている。状態出力端子１８２からは内部で計測した温度や、保護回路の動作状態を示す信号がシリアル信号として出力される。制御回路１３ではこの信号を元に劣化を判断している。
【００６０】
図２２を用いて、本発明の第７の実施例にかかるインバータ１の構成を示す。インバータ１を構成する６個の半導体モジュール１１’−１〜１１’−６は、ＩＧＢＴとダイオードが搭載されるだけで温度センス素子１５が搭載されておらず、温度センス素子１５が搭載された冷却装置１００に取り付けられている。また、温度計測回路１２２は、ゲート駆動回路１７’から独立して設けられている。
【００６１】
図２３に、この半導体モジュール１１’と冷却装置１００の外観図を示す。それぞれの半導体モジュール１１’で発生した熱は、冷却装置１００により空気中に放散されていく。冷却装置１００には温度センス素子１５が取り付けられている。温度計測装置１２２は、温度センス素子１５の信号から温度を計測している。制御回路１３ではこの温度情報をもとに劣化を判断している。この実施例では６個の半導体モジュール１１’のいずれが劣化しても、その温度上昇率が変わるため劣化を検知することが可能である。ただし、温度センス素子１５から離れたところにある半導体モジュールの劣化による温度上昇率は近くにある物のそれより小さくなるため、温度センス素子１５、温度計測回路１２２ともに精度の高い物を使用することが望ましい。
【００６２】
図２４を用いて、上記した故障検知システムを用いたインバータシステムの構成を説明する。この発明は、上記故障検知システムを備えたインバータを列車５に適用した例であり、複数のインバータ１−１〜１−３がそれぞれモータ３−１〜３−３を駆動して、全体として列車５を走らせている。個々のインバータは実施例１から実施例７に記載したものである。全てのインバータはネットワーク５２を介して演算装置５１に繋がっている。
【００６３】
図２５を用いて、演算装置５１における故障検知処理および出力再配分処理を説明する。まず、実施例１から実施例７で説明した方法により検知した各インバータの故障や劣化状態を、ネットワーク５２を介して収集する（Ｓ２２）。その結果を用いて劣化具合の偏差を演算し（Ｓ２３）、それを元に各インバーたの出力を再分配する（Ｓ２４）。このとき劣化が進んだインバータには出力を減らし、残りのインバータの出力は増加させる。これにより全体としての必要な出力が得られるとともに、劣化が進んだインバータは出力が押さえられるので劣化の進行を抑えることができる。その結果として、システム全体の寿命を大幅に延ばすことができる。またこの時極端に劣化したインバータや正常動作しないインバータがあれば、そのインバータの運転を停止して残りのインバータで列車を動かすことが可能である。
【００６４】
この実施例では、各インバータにおいて半導体モジュールの劣化および故障を検知している。しかし各インバータで劣化および故障を検知する必要はなく、例えば各半導体モジュールの温度をネットワーク５２により演算装置５１に伝送し、演算装置５２で劣化や故障を判断してもよい。
【００６５】
このように、本発明では個々のインバータの劣化具合により出力を調整している。このため劣化が進んだインバータの劣化の進行を遅らせることができ、システムの寿命を延ばすことができる。また、劣化が進んだインバータが動作不能になる前に、劣化の進行を検知することが可能であり、システムの信頼性を向上することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上図面を用いて説明したように、本発明によれば、半導体モジュールを用いた装置において、駆動回路の誤動作による損失の増加や、パワーモジュールのハンダ層のクラックによる熱抵抗の増加を検知することができる。それによりシステムの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例にかかるインバータにおける損失と温度変化率の関係を説明する図。
【図２】本発明の第１の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図３】本発明の第１の実施例における半導体モジュールの構成を説明する図。
【図４】本発明の第１の実施例における温度計測回路の構成を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施例における半導体モジュールの熱等価回路図。
【図６】本発明の第１の実施例における熱抵抗の変化率の熱サイクル依存性を説明する図。
【図７】本発明の第１の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図８】本発明の第１の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図９】本発明の第１の実施例におけるコレクタ電流とオン電圧の関係を説明する図。
【図１０】本発明の第１の実施例におけるスイッチング損失のコレクタ電流依存性を説明する図。
【図１１】本発明の第１の実施例における異常判定のフローチャート。
【図１２】本発明の第２の実施例における異常判定のフローチャート。
【図１３】本発明の第２の実施例における過渡熱抵抗特性を説明する図。
【図１４】本発明の第２の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図１５】本発明の第３の実施例における損失と温度変化率の関係を説明する図。
【図１６】本発明の第３の実施例における半導体モジュールの構成を説明する図。
【図１７】本発明の第３の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図１８】本発明の第４の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図１９】本発明の第５の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図２０】本発明の第６の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図２１】本発明の第６の実施例における半導体モジュールの外観図。
【図２２】本発明の第７の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図２３】本発明の第７の実施例におけるインバータの外観図。
【図２４】本発明の第８の実施例におけるインバータシステムの構成を説明する図。
【図２５】本発明の第８の実施例における出力調整のフローチャート。
【符号の説明】
１ インバータ
１００ 冷却装置
１１、 半導体モジュール
１１０ ハンダ層
１１１ ＩＧＢＴ、半導体チップ
１１２ ダイオード
１１３、１１４ 電極板
１１５ ハンダ層
１１６ ワイヤ
１１７ 絶縁板
１１８ 金属板
１１９ 冷却フィン
１２ ゲート駆動回路
１２１ 駆動回路
１２２ 温度計測回路
１２２１、１２２３ 抵抗
１２２２ 直流電源
１２２４ コンデンサ
１２２５ ＡＤコンバータ
１３ 制御回路
１３１ モータ制御部
１３２ 劣化判定部
１４ コンデンサ
１５ 温度センス素子
１６、１７ ゲート駆動回路
１８ 高機能型半導体モジュール
３ モータ
４ 直流電源
５ 列車
５２ ネットワーク
５１ 演算装置
Ｒ１〜Ｒ６ 抵抗
Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６ コンデンサ
Ｐ１ 電流源
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体モジュール、特にインバータ等の故障または劣化を検知する故障検知システムおよび複数のインバータを備えたインバータシステムの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータは、例えば、動力車の電力システムの省エネルギー化や高機能化を図るために、近年広く使われてきている。インバータの重要な課題の一つに、主回路部を構成する半導体モジュールの信頼性確保がある。従来は、信頼性を確保するために、疲労試験等で十分に性能を評価して、システムの使用期間中に半導体モジュールが破壊しないようにしていた。ところが、半導体モジュールの寿命は使用条件によっても大きく変わり、また個々の半導体モジュールによるばらつきも大きい。このため、システムの運転中に突如半導体モジュールが破壊し、システムが停止するといった問題が発生している。
【０００３】
半導体モジュールの主要な故障モードの一つに、長期間にわたる熱疲労によって半導体チップを放熱フィンに取りつけるためのハンダ層にクラックが生じて取りつけ不良となり、放熱不足により半導体チップが破壊するというものがある。また同様の問題が、近年処理能力が飛躍的に向上しその発熱が問題となってきているＣＰＵ等の集積回路の半導体モジュールにおいても発生している。
【０００４】
これらの問題を解決するために、特開平７−１４９４８号公報には半導体モジュールを構成する各部材間の温度上昇を検知しその経時変化から劣化を検知する劣化検知手段が提案され、特開平８−１２６３３７号公報には半導体モジュールに温度センサを取り付け、実際に加えられた熱ストレスを積算し、その値から寿命を推定する寿命推定方法が提案されている。
【０００５】
特開平７−１４９４８号公報に記載された方式では、複数の温度センサが必要であり、複数の半導体モジュールを用いて構成するインバータ装置では検出手段が、高価で複雑になってしまうという問題がある。
【０００６】
また、特開平８−１２６３３７号公報に記載された方式では、ハンダ層のクラックの原因となる熱履歴は分かるが、それによりどれだけ劣化が進行したかは判断することができない。そして、半導体モジュールの劣化はばらつきが大きいため、上限値として設定した熱ストレスに達する前に破壊することがある一方、これとは逆に熱ストレスが上限値に達しても全く劣化が進行しない場合があり、このような半導体モジュールを推定寿命で交換することは、半導体モジュールの能力を十分に活かしきれないといったことが起こる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多くの検出手段を用いずに半導体モジュールの劣化を直接検知する簡単な構造を有する故障検知システムを安価に提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明による故障検知システムは、半導体モジュールに設置した温度センサにより、損失が発生した際の温度上昇率を検知し、損失と温度上昇率の関係が所定の範囲を越えた場合に、半導体モジュールが劣化あるいは故障したと検知するを有することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、半導体モジュールの故障検知システムを、半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、前記温度計測手段により計測した温度と半導体モジュールへの運転指令から前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えて構成した。
【００１０】
また、本発明は、半導体モジュールの故障検知システムを、半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、前記温度計測手段により計測した温度から温度上昇率を演算する温度上昇率検出手段と、半導体モジュールで発生する損失を演算する損失演算手段と、前記温度上昇率と前記損失から前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えて構成した。
【００１１】
本発明は、上記、半導体モジュールの故障検知システムにおいて、前記損失に対する前記温度上昇が所定の範囲より大きいあるいは小さい場合に異常と判定するようにした。
【００１２】
さらに、本発明は、半導体モジュールの故障検知システムにおいて、半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、半導体モジュールで発生する損失を演算する損失演算手段と、損失から半導体モジュールの温度を推定する温度推定手段と、推定温度と測定温度から前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えて構成した。
【００１３】
本発明は、上記半導体モジュールの故障検知システムにおいて、前記損失に対して前記推定温度と前記測定温度の差の絶対値が所定の範囲より大きい場合に異常と判定するようにした。
【００１４】
本発明は、上記半導体モジュールの故障検知システムにおいて、前記温度検出手段を半導体モジュールの冷却フィンに取り付けた。
【００１５】
本発明は、複数台のインバータを備えたインバータシステムにおいて、複数台のインバータと、前記インバータを制御する演算装置と、前記インバータおよび前記演算装置を繋ぐ情報伝送線からインバータシステムを構成し、前記インバータのそれぞれが上記半導体モジュールの故障検知システムを持ち、演算装置は各インバータを構成する半導体モジュールの劣化もしくは故障具合に応じて各インバータへの指令値を変えるようにした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２を用いて、本発明にかかる半導体モジュールの故障検知システムをインバータに適用した場合の第１の実施例の構成を説明する。この実施例にかかるインバータ１は、パワーモジュール（ＰＭ）として構成される６個の半導体モジュール１１−１〜１１−６と、ゲート駆動回路（ＧＤ）１２−１〜１２−６と、制御回路１３と、コンデンサ１４とを有して構成され、直流電源４の電力を三相交流に変換してモータ３を駆動している。
【００１７】
半導体モジュール１１は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１１１とダイオード１１２で構成されており、Ｃはコレクタ端子、Ｅはエミッタ端子、Ｇはゲート端子である。そして半導体モジュール１１には、温度センス素子１５が取り付けられている。半導体モジュール１１−２〜１１−６は、省略して示されているが、半導体モジュール１１−１と同様な構成とされている。
【００１８】
ゲート駆動回路（ＧＤ）１２は、半導体モジュール１１のＩＧＢＴ１１１を駆動する駆動回路１２１と、温度計測回路１２２と、保護回路１２３とを有して構成される。ゲートドライブ回路１２−２〜１２−６は、省略して示されているが、ゲートドライブ回路１２−１と同様な構成とされている。
【００１９】
駆動回路１２１は、ＩＧＢＴ１１１のゲート端子Ｇの電圧を制御してＩＧＢＴ１１１をオンあるいはオフに制御する回路である。温度計測回路１２２は、温度センス素子１５の信号から温度を計測する回路である。保護回路１２３は、ＩＧＢＴ１１１の過電流や過熱あるいは制御電圧の低下といった異常時にＩＧＢＴ１１１をオフして保護する回路である。
【００２０】
制御回路１３は、モータ制御部１３１と、劣化判定部１３２とを有して構成され、各ゲート駆動回路１２を制御して、モータ３の速度や駆動トルクを制御する回路である。
【００２１】
モータ制御部１３１は、モータが適切に動くようにＩＧＢＴ１１１がオンあるいはオンするタイミングの信号をゲート駆動回路１２へ与える回路である。そして劣化判定部１３２は、以下に詳細に述べるが、計測した温度およびＩＧＢＴ１１１への駆動指令から半導体モジュール１１の劣化や故障を診断する回路である。
【００２２】
コンデンサ１４は、入力される直流電源４の直流電圧を一定に保つ働きをする。
【００２３】
図３を用いて、半導体モジュール１１の構成を説明する。半導体モジュール１１は、半導体チップ１１１（ＩＧＢＴ）を、ハンダ層１１５により絶縁板１１７へ接着し、この絶縁板１１７をハンダ層１１０を介して冷却フィン１１９に接する金属板１１８に接着して構成される。
【００２４】
また、半導体チップ１１１は、ワイヤ１１６およびハンダ層１１５により絶縁板１１７に接続された電極板１１３を経由してエミッタ電極Ｅ、ゲート電極Ｇに接続され、ワイヤ１１６およびハンダ層１１５により絶縁板１１７に接続された電極板１１４を経由してコレクタ電極Ｃに接続されている。
【００２５】
絶縁板１１７上の半導体チップ１１１に近い位置に、温度センス素子１５が取り付けられている。ここでは温度センス素子１５として温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタを用いたが、温度センス素子１５は、サーミスタ以外のものでも、温度によって測定可能な特性が変化するものであればよい。具体的な例としては熱電対等がある。
【００２６】
図４を用いて、サーミスタ１５を用いた温度計測回路１２２の構成を説明する。温度計測回路１２は、抵抗１２２１と、電圧源１２２２と、抵抗１２２３と、コンデンサ１２２４と、ＡＤ変換器１２２５と、出力端子１２２６とを有して構成される。
【００２７】
電圧源１２２２と抵抗１２２１とサーミスタ１５が直列接続され、温度が変化してサーミスタ１５の抵抗値が変化すると、抵抗１２２１とサーミスタ１５の接続点の電圧が変化して温度変化を検出できる。抵抗１２２３とコンデンサ１２２４はＣＲフィルタであり、電圧信号に重畳したノイズを除去する回路である。ＡＤ変換器１２２５は、この電圧信号をアナログ値からデジタル値に変換する。この実施例では、ここに示した温度計測回路１２２は、サーミスタ１５を除きゲート駆動回路１２内に設けている。
【００２８】
当然のことではあるが、温度計測回路１２２や温度信号への変換は別の所に設けられてもよい。ここで温度計測回路１２２の設置場所としてゲート駆動回路１２を選んだのは、半導体モジュール１１の近くに設置され、かつ必要となる電源等が既に存在するからである。ここで検出したデジタル化した電圧信号は、制御回路１３に伝送されて劣化判定に用いられる。
【００２９】
図５を用いて、半導体モジュール１１の熱等価回路を説明する。半導体チップ１１１の発熱は、電流源Ｐ１で模擬できる。各部材の熱抵抗は電気抵抗Ｒ１〜Ｒ６に置き換えられ、熱容量はコンデンサＣ１〜Ｃ６に置き換えられる。このときハンダ層１１０、１１５の熱容量は他の部材の熱容量に比べて非常に小さいので無視している。各部材の温度は、各点における電圧に相当する。半導体チップ１１１の発熱は、ハンダ層１１５、絶縁板１１７、ハンダ層１１０、金属板１１８、冷却フィン１１９の順に伝わっていく。
【００３０】
図６を用いて、半導体モジュール１１の、熱抵抗の変化率の熱サイクル数に対する依存性を説明する。このグラフは、半導体モジュールの熱サイクル試験結果から得られたものであり、縦軸に熱抵抗の変化率を％で、横軸に熱サイクル数を時間で示している。半導体チップ１１が発熱すると、各部材には熱膨張率の違いのために熱応力が発生する。半導体モジュール１１を長期間使用すると、この熱応力によりハンダ層１１０，１１５に徐々にクラック等が発生し熱抵抗が大きくなる。一度クラック等が発生し熱抵抗が増加すると、放熱が悪くなりより大きな熱応力が発生してハンダ層のクラックが増加していく。したがって、半導体モジュール１１の熱抵抗は、図６に曲線６０１として示すように、初めは徐々に増加し、やがては加速度的に増加していく。熱抵抗が増加すると、半導体チップの温度が上昇し、必要な電気的特性が得られなくなるか、場合によっては破壊してしまう。ここで用いた半導体モジュールでは、必要な電気的特性が得られる条件から、熱抵抗の上昇率の上限は５０％とした。この上限は図６のカーブの急速に立ち上がる点から実験的に求めても良い。
【００３１】
図７を用いて、半導体モジュール１１に一定の損失（Ｐ１）７０４を発生させた場合に温度センス素子１５が検出する温度の関係を説明する。縦軸には損失と温度を、横軸には時間を示している。曲線７０２は、正常時の温度変化を示している。正常時には、損失Ｐ１が発生すると一定値Ｔ７ａまで徐々に温度が上昇した後一定値Ｔ７ａとなり、損失がなくなると温度は徐々に元の値まで下がっていく。
【００３２】
曲線７０１は、ハンダ層１１５が劣化し抵抗Ｒ２が大きくなった場合の温度変化である。抵抗Ｒ２が大きいと半導体チップ１１１の発熱が温度センス素子１５に達するまでに時間がかかるため、曲線７０１は正常時の曲線７０２より上昇率が緩やかになる。また定常状態となった時の温度Ｔ７ａは正常の場合と同じである。これは温度が抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の和に、発生する損失Ｐ１をかけたものになるためである。
【００３３】
曲線７０３は、ハンダ層１１０が劣化し抵抗Ｒ４が大きくなった場合の温度変化を示す。この場合には温度センス素子１５の部分から冷却フィン１１９へ熱が伝わりにくくなるため、曲線７０３は正常時の曲線７０２より上昇率が急になる。定常状態となった時の温度Ｔ７ｂは、Ｔ７ａより大きくなる。
【００３４】
また、半導体チップ１１１の発熱（損失）Ｐ１がなんらかの異常により想定していた値より小さい場合には曲線７０１、大きくなった場合には曲線７０３のように温度が変化する。損失が大きくなるのは例えば、指令値がオフにもかかわらず誤動作によりオンした場合や、制御電圧が低下したことによりＩＧＢＴのオン電圧が大きくなり損失が増加する場合等がある。逆に損失が小さくなるのは、指令値がオンにもかかわらず誤動作によりオフしている場合等がある。
【００３５】
したがって、損失が発生した時刻ｔ７０からの温度上昇率ΔＴ／Δｔを検出することにより劣化や誤動作を検知することができる。このとき温度上昇率が小さければ、温度センス素子１５より半導体チップ側にあるハンダ層が劣化したか、損失が想定した値より小さくなっている。逆に温度上昇率が大きければ、温度センス素子１５より冷却フィン側にあるハンダ層が劣化したか、損失が想定した値より大きくなっている。
【００３６】
図１を用いて、劣化検知に用いるグラフを説明する。横軸は運転指令から推定した損失であり、縦軸は温度上昇率である。半導体モジュール１１の主な損失はオン損失とスイッチング損失とオン損失である。図９に、ＩＧＢＴのコレクタ電流とオン電圧の関係の一例を曲線９０１として示す。ＩＧＢＴの通電中の損失はこのグラフのコレクタ電流とオン電圧をかけたものである。図１０に、スイッチング損失のコレクタ電流依存性の一例を曲線１００１として示す。これはスイッチング一回当たりの損失を示している。
【００３７】
ところで、損失による温度上昇は、秒オーダーの現象であるのに対し、スイッチングの周期は通常ミリ秒オーダーである。そのため、損失は瞬時値ではなく時間平均を求めれば良い。ここではインバータの出力電圧の１サイクルにおける損失を求めている。１サイクル期間中にはＩＧＢＴはオンオフをくり返すため、通電時には図９から求めた損失に通電時間をかけた値を加えていき、スイッチング毎に図１０から求めた損失を加え、最後にこれを１サイクルの時間で割れば良い。このため半導体モジュール１１への指令から、コレクタ電流、通電時間やスイッチング周波数を求めれば、発生する損失を算出することが可能である。もちろんコレクタ電流値は実測値を用いてもよいし、損失を実測しても良い。
【００３８】
図７を用いて説明したように、温度センス素子１５より発熱源に近いハンダ層が劣化した場合には温度上昇率が低下する。逆に発熱源から遠いハンダ層が劣化した場合や損失がなんらかの異常により大きくなった場合には温度上昇率が増加する。図６の熱抵抗の上限から図１の温度上昇率の上限曲線１０１および下限曲線１０２が決まる。測定した温度上昇率が２つの曲線の間にあれば正常であり、線の外なら異常である。正常な範囲でも上限、下限に対する近付き具合から劣化の進行の程度を判断することができる。
【００３９】
先に述べたように、ハンダ層の劣化以外でも、損失が想定値と異なる場合にも温度上昇率が変化する。ハンダ層の劣化は図６に示したように、半導体モジュールの使用期間である数年あるいは数十年といった時間の中で、徐々に進行していく。一方損失が大きくなるのは、半導体モジュール１１の駆動回路１２の故障等で、指令値通りに動作しない場合や、駆動回路の電圧が低下した場合等であり、これらは電子部品の故障等により突然発生する。したがって徐々に温度上昇率が上がるのは前者であり、突然大きくなるのは後者であり、劣化と故障を容易に区別することが可能である。
【００４０】
図８を用いて、損失が続けて発生した場合の温度上昇について説明する。損失８０１だけが発生した場合の温度の変化は曲線８０３で表され、損失８０２だけが発生した場合の温度の変化は曲線８０４で表される。損失が続けて発生した場合には、実際の温度の変化は曲線８０３と曲線８０４の和となり曲線８０５で表される。このため、時刻ｔ８２から温度上昇率を計測すると以前の損失８０１の影響により誤差が生じる。従って温度上昇率を測定するには、損失がなくまた温度が変化していない状態、例えば時刻ｔ８０から計測する必要がある。
【００４１】
図１１を用いて、温度を測定して異常の発生を判断する手順を説明する。測定がスタートする（Ｓ１）と、初めに、以前の損失の影響が有るか否かを示すＭＯＤＥを“０”にする（Ｓ２）。この場合のＭＯＤＥは、測定開始時には、以前の損失の影響が有るか否かが不明であるため、影響がある場合と同じ“０”としている。次に、前述の手法によって損失を算出し（Ｓ３）、温度上昇率（ΔＴ／Δｔ）を算出する（Ｓ４）。次いで、ＭＯＤＥが以前の損失の影響を受ける“０”であるか以前の損失の影響を受けない“１”であるかを判定する（Ｓ５）。初めは、ＭＯＤＥは“０”に設定されているので、ステップＳ６に分岐し、損失Ｐがほぼ０でかつ温度上昇率がほぼ０であるかを判定する（Ｓ６）。これは、以前に発生した損失の影響が無いかどうかを判定するための処理である。ここで以前の影響があればＮｏとなりステップＳ３に戻る。以前の損失の影響が無ければＭＯＤＥを“１”として（Ｓ７）、ステップＳ３に戻る。ＭＯＤＥが“１”となった後は、ステップＳ５においてステップＳ８に分岐し、損失Ｐが有るか否かを判定する（Ｓ８）。損失Ｐが無い場合（Ｐ＝０）には温度変化も無いので再びステップＳ３に戻る。損失がある場合には図１を用いて損失に対応する温度変化率が正常の範囲内に収まっているか否かによって異常判定を実行する（Ｓ９）。その後は、またスタート（Ｓ１）に戻り計測を始める。
【００４２】
このように、本発明では温度上昇率と損失の関係からハンダ層の劣化具合を検知することが可能である。これにより半導体モジュール１１が破壊する前に劣化を検知して修理や交換を行うことが可能になり、システムの信頼性を向上することができる。
【００４３】
図１２を用いて、本発明にかかる故障検知システムの第２の実施例における故障検知処理の概要を説明する。半導体モジュール１１は、本発明の第１の実施例とおなじである。したがって図１から図１０は本実施例にもあてはまる。また図１１のステップＳ１からステップＳ８は、図１１のそれと同じである。本実施例ではステップＳ８で損失が発生していた場合には、後述する方法で半導体モジュール１１の温度Ｔｃを推定する（Ｓ１１）。次に、実際の温度Ｔｍを温度センス素子１５により測定する（Ｓ１２）。そして、推定温度Ｔｃと実際の温度Ｔｍを比較して異常を判定する（Ｓ１３）。図７で述べたように異常があれば、温度上昇率が変化し、適当な時間Δｔたった後の温度が正常時より高くなるか低くなるので異常が分かる。
【００４４】
その後は、再びステップＳ１１に戻り温度の推定、測定、判定をくり返す。ただし、長時間このサイクルをくり返すと推定温度に誤差が蓄積してしまうため、ある程度時間がたった後は再びステップＳ１に戻るとよい。このときの時間間隔は、ステップＳ１１の温度推定の精度から、誤差が蓄積しない程度の間隔とすればよい。
【００４５】
次に、温度の推定方法について図１３を用いて説明する。図１３は、温度センサ取り付け部における過渡熱抵抗を示すグラフである。これは一定損失をあたえた場合の温度センサの測定値を損失で割ることにより得られる。図１４には損失が発生した場合の温度の変化を曲線１４０１として示す。この時の各時刻における温度は、図１３の過渡熱抵抗Ｒ（ｔ）を用いて次の式（１式〜４式）ように求めることができる。
【００４６】
【数１】
ここで、Ｔｏは時刻ｔ１４０における温度である。
【００４８】
Ｒ（ｔ）は、十分に時間が立つと一定値となる。このため、発生から十分に時間がたった損失分については考慮しなくてもよい。例えばｔ１４１から十分に時間が経過したのちはＰａからの寄与は０としてよい。通常この時間は数秒から数十秒であり、過渡熱抵抗曲線１３０１から決定できる。このように本実施例では、常に温度を推定することが可能である。そのため第１の実施例とことなり、どのようなタイミングでも劣化を検知することが可能となる。
【００４９】
ここでは、過渡熱抵抗から温度を推定したが、図５の回路から微分方程式をたてて求めても良い。この場合より高い精度で温度を推定することができる。
【００５０】
このように、本発明では温度上昇率と損失の関係からハンダ層の劣化具合を検知することが可能である。これにより半導体モジュールが破壊する前に劣化を検知し修理や交換することが可能になり、システムの信頼性を向上させることができる。
【００５１】
図１５〜図１７を用いて、本発明の第３の実施例にかかるこしょう検知システムを説明する。図１５は、本発明の第３の実施例にかかる故障検知システムにおける異常判定のためのグラフである。図１６は、第３の実施例にかかる半導体モジュールの構成図である。図１７は、損失が発生した際の温度上昇を示すグラフである。図１６に示すように、第３の実施例は、本発明の第１の実施例である図３と、温度センス素子１５を配置する位置が異なっており、冷却フィン１１９に取り付けている。これ以外の構成は第１の実施例と同じであり、図２、図４、図６、図９、図１０、図１１は本実施例にもあてはまる。また図５の等価回路も温度センス素子１５の位置以外は同様である。
【００５２】
図１７には、損失が発生した際の温度上昇を示す。この実施例では図１の場合とくらべて温度センス素子１５の位置が発熱源である半導体チップ１１１から離れている。このため温度変化は第１の実施例の場合の図７とくらべると小さくなる。しかし傾向は全く同じであり、まったく同様の方法で劣化の検知が可能である。この場合には劣化するハンダ層はすべて温度センス素子１５より発熱源側にあるので劣化が進むと温度上昇率が小さくなる。したがって、温度上昇率が大きくなった場合は全て動作異常により損失が大きくなった場合である。当然実施例２で述べた方法で劣化を検知してもよい。実施例１および実施例２では温度センサを内臓した半導体モジュールを用意する必要があった。しかし本実施例では温度センサの内臓されていない半導体モジュールの冷却フィンに温度センサを外付けすればよい。このためより低コストで実現することが可能である。
【００５３】
以上説明した第１の実施例では絶縁基板１１７に、第３の実施例では冷却フィン１１９に温度センス素子１５を取り付けている。しかし温度センス素子１５の取り付け位置はこれらに限定されるものではなく、半導体チップの放熱経路のいずれかに取り付ければ良い。例えば金属板１１８や半導体チップ１１１に取り付けても良い。ただし、半導体チップ１１１には高電圧がかかるため、温度センス素子１５の絶縁に注意する必要がある。この場合には、例えば半導体チップに温度センス用のダイオードを設けて、このダイオードのオン電圧の温度依存性から温度を検出する方法もある。また、構造についても図３や図１６に示した構造に限定されるものではなく、発熱源があり、その放熱経路にハンダ層のような熱疲労により熱抵抗が変化するようなものが存在する場合にはすべて摘要することが可能である。さらに、本発明にかかる故障検知システムは、ここにあげたパワー半導体モジュール以外の集積回路等にも適用することが可能である。
【００５４】
図１８を用いて、本発明の第４の実施例にかかるインバータ１の構成を説明する。第４の実施例のインバータ１が第１の実施例のインバータと異なる点は、劣化判定部１３２を制御回路１３ではなくゲート駆動回路１６においた点である。図１および図３から図１１は本実施例にもあてはまる。第１の実施例では制御回路１３で６個の半導体モジュール１１−１〜１１−６の劣化を判断していたため、制御回路１３に高い処理能力が必要である。モータ制御自体も比較的高い処理能力を必要とするため、制御回路１３のハードウエアの性能を高くできない場合には本実施例が有効である。この場合、ゲート駆動回路１６は実施例１のゲート駆動回路１２より高度な性能が必要になる。
【００５５】
図１９を用いて、本発明の第５の実施例にかかるインバータ１の構造を説明する。第１の実施例と異なるのは、温度センス素子１５を一つの半導体モジュール１１−１にのみ設け、温度計測を制御回路１３’で行っている点および、ゲート駆動回路が駆動回路１２１と保護回路１２３から構成されるゲート駆動回路１７とされている点である。図１および図３から図１１は本実施例にもあてはまる。半導体モジュール１１−１以外の半導体モジュール１１−２〜１１―６は、半導体モジュール１１−１から温度センス素子１５を取り除いたものである。もちろん２種類の半導体モジュールを用意しなくても、すべて温度センス素子１５を取り付けて、１つ以外は温度センス素子を使わないようにしても良い。温度センス素子１５を取り付けるのは、直列接続された２つの半導体モジュールの下側とした。これは上側が高電位となり絶縁が難しいのに対し、下側は比較的容易に絶縁可能であるからである。
【００５６】
温度計測回路１２２および劣化判定回路１３２は、制御回路１３’で行っている。たとえば、ゲート駆動回路１７−１に温度計測機能や劣化判定機能を持たせた場合には、その機能の有るものと無いものの２種類のゲート駆動回路を用意する必要がある。あるいは、全てのゲート駆動回路１７にそれらの機能をもたせて、使用するのは１つだけとなる。これらの手法は非効率的であるため、制御回路１３’にこれらの機能を設けた。また、もう一つの理由は、制御回路１３’が、もともとモータ制御のために高い処理能力をもっているためである。
【００５７】
本実施例では、６個の半導体モジュール１１のうち１つだけ劣化判定をしている。同じインバータを構成する半導体モジュール１１−１〜１１−６は、使用期間中にほぼ似たような熱履歴をうける。このため１つの半導体モジュールの劣化を検知すれば、他の半導体モジュールの劣化も同程度と推測することができる。また温度計測や劣化判定のための回路や処理が第１の実施例と比べて約１／６ですむためより簡単な構成となる。しかしながら、個々の半導体モジュールのばらつきにより早く劣化する半導体モジュールも有るため、劣化を検知していない半導体モジュールが破壊にいたる場合もあり得る。
【００５８】
図２０を用いて、本発明の第６の実施例にかかるインバータ１の構成を説明する。第６の実施例にかかるインバータ１が第１の実施例にかかるインバータ１と異なる点は、半導体モジュールとゲート駆動回路を一体とした、高機能型半導体モジュール（ＩＰＭ）１８を用いている点である。高機能型半導体モジュール１８は、ＩＧＢＴ１１１と、ダイオード１１２と、温度センス素子１５と、駆動回路１２１と、温度計測回路１２２と、保護回路１２３とが搭載されている。高機能型半導体モジュール１８−２〜１８−６は、省略して示されているが、高機能型半導体モジュール１８−１と同様な構成とされている。
【００５９】
図２１に、高機能型半導体モジュール（ＩＰＭ）１８の外観図を示す。高機能型半導体モジュール１８は、主端子であるコレクタＣおよびエミッタＥが中央に配置され、脇におかれた端子台には制御用の端子が配置されている。制御用の端子は、制御回路からのオンオフ指令を入力する駆動信号入力端子１８１、温度や保護情報を出力する状態出力端子１８２、制御用電源入力１８３および、グランド端子ＧＮＤの４つで構成されている。状態出力端子１８２からは内部で計測した温度や、保護回路の動作状態を示す信号がシリアル信号として出力される。制御回路１３ではこの信号を元に劣化を判断している。
【００６０】
図２２を用いて、本発明の第７の実施例にかかるインバータ１の構成を示す。インバータ１を構成する６個の半導体モジュール１１’−１〜１１’−６は、ＩＧＢＴとダイオードが搭載されるだけで温度センス素子１５が搭載されておらず、温度センス素子１５が搭載された冷却装置１００に取り付けられている。また、温度計測回路１２２は、ゲート駆動回路１７’から独立して設けられている。
【００６１】
図２３に、この半導体モジュール１１’と冷却装置１００の外観図を示す。それぞれの半導体モジュール１１’で発生した熱は、冷却装置１００により空気中に放散されていく。冷却装置１００には温度センス素子１５が取り付けられている。温度計測装置１２２は、温度センス素子１５の信号から温度を計測している。制御回路１３ではこの温度情報をもとに劣化を判断している。この実施例では６個の半導体モジュール１１’のいずれが劣化しても、その温度上昇率が変わるため劣化を検知することが可能である。ただし、温度センス素子１５から離れたところにある半導体モジュールの劣化による温度上昇率は近くにある物のそれより小さくなるため、温度センス素子１５、温度計測回路１２２ともに精度の高い物を使用することが望ましい。
【００６２】
図２４を用いて、上記した故障検知システムを用いたインバータシステムの構成を説明する。この発明は、上記故障検知システムを備えたインバータを列車５に適用した例であり、複数のインバータ１−１〜１−３がそれぞれモータ３−１〜３−３を駆動して、全体として列車５を走らせている。個々のインバータは実施例１から実施例７に記載したものである。全てのインバータはネットワーク５２を介して演算装置５１に繋がっている。
【００６３】
図２５を用いて、演算装置５１における故障検知処理および出力再配分処理を説明する。まず、実施例１から実施例７で説明した方法により検知した各インバータの故障や劣化状態を、ネットワーク５２を介して収集する（Ｓ２２）。その結果を用いて劣化具合の偏差を演算し（Ｓ２３）、それを元に各インバーたの出力を再分配する（Ｓ２４）。このとき劣化が進んだインバータには出力を減らし、残りのインバータの出力は増加させる。これにより全体としての必要な出力が得られるとともに、劣化が進んだインバータは出力が押さえられるので劣化の進行を抑えることができる。その結果として、システム全体の寿命を大幅に延ばすことができる。またこの時極端に劣化したインバータや正常動作しないインバータがあれば、そのインバータの運転を停止して残りのインバータで列車を動かすことが可能である。
【００６４】
この実施例では、各インバータにおいて半導体モジュールの劣化および故障を検知している。しかし各インバータで劣化および故障を検知する必要はなく、例えば各半導体モジュールの温度をネットワーク５２により演算装置５１に伝送し、演算装置５２で劣化や故障を判断してもよい。
【００６５】
このように、本発明では個々のインバータの劣化具合により出力を調整している。このため劣化が進んだインバータの劣化の進行を遅らせることができ、システムの寿命を延ばすことができる。また、劣化が進んだインバータが動作不能になる前に、劣化の進行を検知することが可能であり、システムの信頼性を向上することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上図面を用いて説明したように、本発明によれば、半導体モジュールを用いた装置において、駆動回路の誤動作による損失の増加や、パワーモジュールのハンダ層のクラックによる熱抵抗の増加を検知することができる。それによりシステムの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例にかかるインバータにおける損失と温度変化率の関係を説明する図。
【図２】本発明の第１の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図３】本発明の第１の実施例における半導体モジュールの構成を説明する図。
【図４】本発明の第１の実施例における温度計測回路の構成を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施例における半導体モジュールの熱等価回路図。
【図６】本発明の第１の実施例における熱抵抗の変化率の熱サイクル依存性を説明する図。
【図７】本発明の第１の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図８】本発明の第１の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図９】本発明の第１の実施例におけるコレクタ電流とオン電圧の関係を説明する図。
【図１０】本発明の第１の実施例におけるスイッチング損失のコレクタ電流依存性を説明する図。
【図１１】本発明の第１の実施例における異常判定のフローチャート。
【図１２】本発明の第２の実施例における異常判定のフローチャート。
【図１３】本発明の第２の実施例における過渡熱抵抗特性を説明する図。
【図１４】本発明の第２の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図１５】本発明の第３の実施例における損失と温度変化率の関係を説明する図。
【図１６】本発明の第３の実施例における半導体モジュールの構成を説明する図。
【図１７】本発明の第３の実施例における損失と温度の時間変化を説明する図。
【図１８】本発明の第４の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図１９】本発明の第５の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図２０】本発明の第６の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図２１】本発明の第６の実施例における半導体モジュールの外観図。
【図２２】本発明の第７の実施例におけるインバータの構成を説明する図。
【図２３】本発明の第７の実施例におけるインバータの外観図。
【図２４】本発明の第８の実施例におけるインバータシステムの構成を説明する図。
【図２５】本発明の第８の実施例における出力調整のフローチャート。
【符号の説明】
１ インバータ
１００ 冷却装置
１１、 半導体モジュール
１１０ ハンダ層
１１１ ＩＧＢＴ、半導体チップ
１１２ ダイオード
１１３、１１４ 電極板
１１５ ハンダ層
１１６ ワイヤ
１１７ 絶縁板
１１８ 金属板
１１９ 冷却フィン
１２ ゲート駆動回路
１２１ 駆動回路
１２２ 温度計測回路
１２２１、１２２３ 抵抗
１２２２ 直流電源
１２２４ コンデンサ
１２２５ ＡＤコンバータ
１３ 制御回路
１３１ モータ制御部
１３２ 劣化判定部
１４ コンデンサ
１５ 温度センス素子
１６、１７ ゲート駆動回路
１８ 高機能型半導体モジュール
３ モータ
４ 直流電源
５ 列車
５２ ネットワーク
５１ 演算装置
Ｒ１〜Ｒ６ 抵抗
Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６ コンデンサ
Ｐ１ 電流源
Claims (5)
- 半導体モジュールと、前記半導体モジュールに設置された温度センス素子と、前記温度センス素子から温度を読みとる温度計測手段と、前記温度計測手段により計測した温度から温度上昇率を演算する温度上昇率検出手段と、半導体モジュールで発生する損失を演算する損失演算手段と、前記温度上昇率と前記損失と前記半導体モジュールの熱抵抗の上昇率とから前記半導体モジュールの劣化あるいは故障を検知する故障検知手段とを備えたことを特徴とする故障検知システム。
- 請求項１記載の故障検知システムにおいて、
前記半導体モジュールの熱抵抗の上昇率の上限値は、前記半導体モジュールの電気的特性が得られる条件に基づいて設定され、前記熱抵抗の上昇率の上限値に基づいて温度上昇率の上限及び下限が設定されることを特徴とする故障検知システム。 - 請求項２に記載の故障検知システムにおいて、
前記半導体モジュールは前記損失演算手段で演算されたある損失に対する前記温度上昇率検出手段で演算された温度上昇率が、前記温度上昇率の上限及び下限の範囲内であれば正常であり、前記温度上昇率の上限及び下限の範囲外であれば劣化あるいは故障であると判断されることを特徴とする故障検知システム。 - 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の故障検知システムにおいて、
前記温度検出手段は、半導体モジュールの冷却フィンに取り付けられたことを特徴とする故障検知システム。 - 複数台のインバータと、前記インバータを制御する演算装置と、前記インバータおよび前記演算装置を繋ぐ情報伝送線を有するインバータシステムにおいて、
前記インバータの各々が請求項１ないし請求項４のいずれか１項の故障検知システムを有し、
前記演算装置は、各インバータを構成する半導体モジュールの劣化もしくは故障具合に応じて各インバータへの指令値を変えることを特徴とするインバータシステム。
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