JP5151021B2 - 電力用半導体素子の異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置等に用いられる電力用半導体素子を熱疲労による破壊から保護するための異常検出装置に関するものである。

図６は、電力変換装置の一例として直流−交流変換を行うインバータの主回路構成を示している。
図６において、１は直流電源、２は電動機等の負荷、３は直流電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換するインバータ部である。なお、図示されていないが、直流電源１は、一般的に、交流電源電圧をダイオード整流器と大容量の電解コンデンサとにより整流、平滑して構成される。

上記インバータ部３において、４は電力用半導体素子としてのＩＧＢＴ、５はＩＧＢＴ４に逆並列接続された環流ダイオードであり、これらが三相の上下アームに合計６個接続されている。
６はＩＧＢＴ４の駆動・保護回路であり、一般にＩＧＢＴ４，環流ダイオード５及び駆動・保護回路６を一体化したモジュールをＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）と呼んでいる。なお、２０は上記駆動・保護回路６との間で信号を授受して各ＩＧＢＴ４をオンオフ制御する制御回路である。
ここで、駆動・保護回路６は、ＩＧＢＴ４を駆動するだけでなく、ＩＧＢＴ４を過電流や過熱から保護する保護動作も行っている。

図７は、過電流保護及び過熱保護機能を有する駆動・保護回路６の内部構成図である。なお、７は過電流保護用にＩＧＢＴ４の電流を検出する電流検出用端子としてのセンスエミッタ端子であり（この場合のＩＧＢＴ４をセンス機能付きＩＧＢＴとも呼ぶ）、このセンスエミッタ端子７はＩＧＢＴチップ４Ｃ内に形成されている。

駆動・保護回路６において、８はゲート駆動回路であり、前記制御回路２０からの制御信号を受けてＩＧＢＴ４をオン、オフするためのものである。
９はセンスエミッタ端子７に直列に接続された電流検出用の抵抗であり、この抵抗９の両端電圧が基準電圧１０以上になるとＩＧＢＴ４に過電流が流れていると判断し、コンパレータ１１を介して制御回路２０にアラーム信号を出力すると共に、ゲート駆動回路８を介してＩＧＢＴ４の強制遮断を実行する。上記アラーム信号が出力された場合には、制御回路２０側でも装置の強制停止を行うのが一般的である。

なお、駆動・保護回路６の基準電位（グラウンド）は、ＩＧＢＴチップ４Ｃのおもて面に形成されたエミッタ電極の電位に保たれるのが一般的である。
ここで、ＩＰＭの内部構成については、例えば後述する非特許文献１に記載されている。

次に、図８は、上述したＩＧＢＴ４及び駆動・保護回路６を一体化したＩＰＭの概略平面図である。
図８において、１３１は銅ベース、１３２は絶縁材、１３３〜１３６は銅箔パターン（絶縁材１３２及び銅箔パターン１３３〜１３６をまとめて絶縁基板という）であり、ＩＧＢＴチップ４１Ｃ，４２Ｃ，４３Ｃ，４４Ｃ，４５Ｃ，４６Ｃ及び環流ダイオードチップ５１Ｃ，５２Ｃ，５３Ｃ，５４Ｃ，５５Ｃ，５６Ｃは銅箔パターン１３３〜１３６上にそれぞれ半田付けされている。ここで、ＩＧＢＴチップ４１Ｃ，４２Ｃ，４３Ｃ，４４Ｃ，４５Ｃ，４６Ｃは、それぞれ図７におけるＩＧＢＴチップ４Ｃと実質的に同一のものであり、また、環流ダイオードチップ５１Ｃ，５２Ｃ，５３Ｃ，５４Ｃ，５５Ｃ，５６Ｃは、図６における環流ダイオード５を有するチップである。

図８において、６１Ｃ，６２Ｃ，６３Ｃ，６４Ｃ，６５Ｃ，６６Ｃは、図６、図７における駆動・保護回路６に相当する駆動用ＩＣであり、ＩＧＢＴチップ４１Ｃ，４２Ｃ，４３Ｃ，４４Ｃ，４５Ｃ，４６Ｃとの間でワイヤによる配線（ゲート信号線やセンサ信号線など）が行われている。
更に、下アーム側のＩＧＢＴチップ４１Ｃ，４２Ｃ，４３Ｃのエミッタ側と下アーム側の環流ダイオードチップ５１Ｃ，５２Ｃ，５３Ｃのアノード側とは、それぞれワイヤによって同電位の銅箔パターン１２１に接続されている。また、上アーム側のＩＧＢＴチップ４４Ｃ，４５Ｃ，４６Ｃのエミッタ側と上アーム側の環流ダイオードチップ５４Ｃ，５５Ｃ，５６Ｃのアノード側とは、それぞれワイヤによって銅箔パターン１２２，１２３，１２４に接続されている。

なお、実際のＩＰＭでは同電位となる銅箔パターン間に配線が行われていると共に、直流の正側電位用銅箔パターン、負側電位用銅箔パターン、三相出力電位用銅箔パターンには外部と接続するための電極が接続されるが、図４ではこれらを省略してある。

図９は、一例として図８のＩＧＢＴチップ４１Ｃと銅箔パターン１２１とを接続するワイヤ１３７の接合状態を示すＩＰＭの要部側面図であり、ワイヤ１３７は通常、超音波ボンディングによりチップ４１Ｃの上面に接合されている。ここで、１３８は半田層である。

「中大容量ＲシリーズＩＧＢＴ−ＩＰＭ」，富士時報，１９９８年，Ｖｏｌ．７１，ＮＯ．２，ｐ．１０１−１０５

さて、一般にＩＰＭが長期にわたって使用されると、ＩＧＢＴチップ４１Ｃとワイヤ１３７との熱膨張率の相違によってワイヤ１３７の接合部分が熱疲労を起こし、その結果、図１０に示すようにクラック１３９が入り始め、最終的には図１１に示すようにワイヤ１３７がチップ４１Ｃから剥がれてしまう。そして、ワイヤ１３７が剥がれる瞬間に、図１１に示す如くワイヤ１３７とチップ４１Ｃとの間にアークが飛び、局部的なチップの破壊を引き起こす。１４０はアークによる破壊部である。
実際には、ワイヤ１３７にクラック１３９が入り始めても直ちにワイヤ１３７が剥がれるおそれは少ないが、基本的にはＩＰＭが寿命に近付いているため、電力変換装置としては早期にＩＰＭを交換する必要がある。

図７に示した従来の駆動・保護回路６では、上述したワイヤの接合部分のクラック発生を検出することが困難であり、これを確実に検出することが望まれていた。

そこで、本発明の解決課題は、前記接合部分におけるクラック発生等の異常を確実に検出してアラーム出力等の保護動作を可能にした電力用半導体素子の異常検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電極がワイヤ、リードフレーム等の配線部材を介して外部に接続される電力用半導体素子の異常検出装置において、
前記半導体素子のセンスエミッタ端子を流れる電流を抵抗の両端電圧に変換して検出する電流検出手段と、
前記両端電圧が第１の設定値以下であることを判定する第１の判定手段と、
前記電極と前記配線部材間に発生している電圧相当値を検出する手段と、
この電圧検出手段により検出した前記電圧相当値が第２の設定値以下であることを判定する第２の判定手段と、
第１及び第２の判定手段の出力に基づいて、前記配線部材の前記電極との接合部分の異常を検出する手段と、を備え、
前記配線部材に接続される前記半導体素子の電極の電位を、前記第１の設定値及び前記第２の設定値の基準電位としたものである。

請求項２に記載した発明は、電極がワイヤ、リードフレーム等の配線部材を介して外部に接続される電力用半導体素子の異常検出装置において、
前記半導体素子のセンスエミッタ端子を流れる電流を抵抗の両端電圧に変換して検出する電流検出手段と、
前記両端電圧が第１の設定値以下であることを判定する第１の判定手段と、
前記電極と前記配線部材間に発生している電圧相当値を検出する手段と、
この電圧検出手段により検出した前記電圧相当値が第２の設定値以上であることを判定する第２の判定手段と、
第１及び第２の判定手段の出力に基づいて、前記配線部材の前記電極との接合部分の異常を検出する手段と、を備え、
前記接合部分と外部とを接続する配線経路に中継点を設け、この中継点の電位を、前記第１の設定値及び前記第２の設定値の基準電位としたものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した電力用半導体素子の異常検出装置において、前記接合部分の異常を検出する手段は、前記接合部分の熱疲労によるクラックの発生を検出するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力用半導体素子の保護装置において、前記接合部分の異常を検出した際に、外部へアラーム信号を出力するものである。

本発明によれば、ワイヤ等の配線部材の接合部分におけるクラック発生を確実に検出し、この配線部材の剥離や放電によるチップの破壊に至る前段階でアラーム出力等を行うことにより、電力用半導体素子を保護することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る駆動・保護回路６０Ａの構成図であり、その主要部が本発明の異常検出装置を構成している。
この駆動・保護回路６０Ａは、ＩＧＢＴ４を駆動するゲート駆動回路８を備え、更に、以下に述べるごとくワイヤのＩＧＢＴチップ４Ｃとの接合部分のクラック発生を検出する手段を備えている。

すなわち、ＩＧＢＴチップ４Ｃ内のＩＧＢＴ４のエミッタ電極とワイヤ６１２間の電圧を検出し、その電圧検出値ａがフィルタ６０１を介して第２の判定手段としてのコンパレータ６０３の反転入力端子に入力されている。上記フィルタ６０１は、ＩＧＢＴ４のスイッチング時などに過渡的に発生する高電圧を除去するものである。
また、前記コンパレータ６０３の非反転入力端子には、第２の設定値として負の基準電圧６０２が入力されている。

コンパレータ６０３は、フィルタ６０１から出力される電圧検出値ａを基準電圧６０２と比較し、電圧検出値ａが基準電圧６０２より負電圧として大きい場合（図１ではＩＧＢＴ４のエミッタの電位を駆動・保護回路６０Ａの基準電位としているため、電圧検出値ａは負電圧の信号となる）に、「High」レベルの信号ｂを出力する。すなわち、ワイヤ６１２のＩＧＢＴ４との接合部分の抵抗は平常時には非常に小さいが、この接合部分に熱疲労等によりクラックが発生するとその部分の抵抗値が増加して電圧降下が大きくなり、電圧検出値ａが負方向に増加するので、コンパレータ６０３の出力信号ｂは「High」レベルとなる。

一方、ＩＧＢＴ４のセンスエミッタ端子７には抵抗６０５が接続されており、その両端電圧が第１の設定値としての正の基準電圧６０６以下である場合に、第１の判定手段としてのコンパレータ６０７から「High」レベルの信号ｃが出力される。つまり、ＩＧＢＴ４に流れている電流が第１の設定値以下の場合にのみ、コンパレータ６０７から「High」レベルの信号ｃが出力されるものである。

信号ｂ，ｃが共に「High」レベルになると、ＩＧＢＴ４に流れている電流が第１の設定値以下の状態でワイヤ６１２の接合部分の電圧が第２の設定値以上になったことになり、アンドゲート６０４からは、上記接合部分におけるクラック発生を示す「High」レベルのアラーム信号ｄが出力される。このアラーム信号ｄは制御回路２０に送られ、ＩＧＢＴ４のゲート遮断や電力変換装置の運転停止が行われると共に、ＩＰＭの交換が実行される。
なお、図１において、６０８，６０９は前記基準電圧６０２，６０６を生成するための正負の直流電源である。

図２は、この実施形態が適用されるＩＰＭの概略平面図であり、６１Ｃ１，６２Ｃ１，６３Ｃ１，６４Ｃ１，６５Ｃ１，６６Ｃ１は、図１における駆動・保護回路６０Ａに相当する駆動用ＩＣである。また、図２における６１１は銅箔パターン１２１〜１２４と駆動用ＩＣ ６１Ｃ１，６２Ｃ１，６３Ｃ１，６４Ｃ１，６５Ｃ１，６６Ｃ１とを接続するためのワイヤ、６１２は前述のようにＩＧＢＴチップ４１Ｃ，４２Ｃ，４３Ｃ，４４Ｃ，４５Ｃ，４６Ｃと銅箔パターン１２１〜１２４とを接続するためのワイヤである。その他の部材については図８と同一の番号を付して説明を省略する。

前述したように、この実施形態によれば、例えば図２におけるワイヤ６１２のＩＧＢＴチップ４１Ｃとの接合部分におけるクラック発生を確実に検出してアラーム信号ｄを出力することができ、ＩＰＭや電力変換装置の運転停止、ＩＰＭの交換等の保護動作を速やかに実行することが可能になる。

図３は、この実施形態における制御アルゴリズムの説明図である。
インバータ部を有する電力変換装置の運転指令ｅに対して、前述したアラーム信号ｄがない場合（アラーム信号ｄが「Low」レベルの場合）には、アンドゲート７０１を介して通常時アルゴリズム７０３を有効とし、このアルゴリズム７０３をオアゲート７０５を介して実行させる。
一方、アラーム信号ｄが発生した場合（アラーム信号ｄが「High」レベルの場合）には、アンドゲート７０２を介してワイヤクラック発生時アルゴリズム７０４を有効とし、このアルゴリズム７０４をオアゲート７０５を介して実行させる。

ここで、通常時アルゴリズム７０３は、電力変換装置から所定の大きさ及び周波数の電圧を出力させるために各ＩＧＢＴをオンオフする制御動作に必要なアルゴリズムであり、ワイヤクラック発生時アルゴリズム７０４は、各ＩＧＢＴの全ゲートオフ動作により電力変換装置の運転を直ちに停止させるようなアルゴリズムを意味する。
但し、場合によっては、接合部分にクラックが発生していても、ＩＧＢＴチップの温度が絶対最大定格温度以下であれば即破壊に至るおそれは少ないため、ある設定された所定の運転シーケンスの実行後に電力変換装置の運転を停止させても良い。

次に、図４は本発明の第２実施形態を示す駆動・保護回路６０Ｂの構成図である。
第１実施形態では、電圧検出値ａが負電圧になり、両コンパレータ６０３，６０７の正負の基準電圧６０２，６０６を作成するために正負の直流電源６０８，６０９が必要になる。そこで、第２実施形態では、駆動・保護回路６０Ｂを正の直流電源６０８のみで動作可能としたものである。

図４において、６１２ａ，６１２ｂは図１におけるワイヤ６１２を二分したワイヤであり、これらのワイヤ６１２ａ，６１２ｂの中継点の電位が駆動・保護回路６０Ｂの基準電位となっている。
電圧検出値ａはＩＧＢＴ４のエミッタから直接検出され、フィルタ６０１を介してコンパレータ６０３の非反転入力端子に入力されている。また、このコンパレータ６０３の反転入力端子には正の基準電圧６１０が加えられている。

このように構成すれば電圧検出値ａは正電圧の信号となり、コンパレータ６０３は電圧検出値ａが正の基準電圧６１０以上になったときに信号ｂを出力するように構成できるので、駆動・保護回路６０Ｂを正の直流電源６０８のみによって動作させることが可能になる。
コンパレータ６０３以降の構成及び動作は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図５は、上記第２実施形態が適用されるＩＰＭの概略平面図であり、一例として、図２におけるＩＧＢＴチップ４６Ｃの周辺の配線構造を示したものである。前述したように、二分されたワイヤ６１２ａ，６１２ｂの中継点が銅箔パターン１２５となっており、ＩＧＢＴチップ４６Ｃのエミッタはワイヤ６１２ａを介して銅箔パターン１２５に接続され、銅箔パターン１２５の電位がワイヤ６１２ｃを介して駆動用ＩＣ ６６Ｃ１に基準電位として取り込まれている。
図示しないが、図２における他のＩＧＢＴチップの周辺の配線構造も、図５と同様に構成することができる。

なお、本発明の実施形態では、クラック発生の検出をＩＰＭ内の駆動・保護回路６０Ａまたは６０Ｂにより行うものとしているが、電力変換装置の制御回路２０内で行っても良いのは勿論である。
また、配線部材としてワイヤ以外にリードフレームを用いても良い。
更に、電力用半導体素子としてＩＧＢＴを使用した場合について説明したが、本発明は、他のスイッチング素子を備えたチップに接合される配線部材のクラック発生の検出にも適用可能である。

本発明の第１実施形態を示す駆動・保護回路の構成図である。 第１実施形態が適用されるＩＰＭの概略平面図である。 本発明の実施形態における制御アルゴリズムの説明図である。 本発明の第２実施形態を示す駆動・保護回路の構成図である。 第２実施形態が適用されるＩＰＭの概略平面図である。 インバータの主回路構成図である。 図６における駆動・保護回路の内部構成図である。 ＩＰＭの概略平面図である。 ＩＰＭの要部側面図である。 ＩＰＭの要部側面図である。 ＩＰＭの要部側面図である。

符号の説明

４：ＩＧＢＴ
４Ｃ：ＩＧＢＴチップ
７：センスエミッタ端子
８：ゲート駆動回路
２０：制御回路
４１Ｃ，４２Ｃ，４３Ｃ，４４Ｃ，４５Ｃ，４６Ｃ：ＩＧＢＴチップ
５１Ｃ，５２Ｃ，５３Ｃ，５４Ｃ，５５Ｃ，５６Ｃ：環流ダイオードチップ
１２１〜１２５，１３３〜１３６：銅箔パターン
６０Ａ，６０Ｂ：駆動・保護回路
６１Ｃ１，６２Ｃ１，６３Ｃ１，６４Ｃ１，６５Ｃ１，６６Ｃ１：駆動用ＩＣ
６０１：フィルタ
６０２，６０６，６１０：基準電圧
６０３，６０７：コンパレータ
６０４：アンドゲート
６０５：抵抗
６０８，６０９：直流電源
６１１，６１２，６１２ａ，６１２ｂ：ワイヤ
７０１，７０２：アンドゲート
７０３：通常時アルゴリズム
７０４：ワイヤクラック発生時アルゴリズム
７０５：オアゲート

Claims (4)

1. 電極がワイヤ、リードフレーム等の配線部材を介して外部に接続される電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記半導体素子のセンスエミッタ端子を流れる電流を抵抗の両端電圧に変換して検出する電流検出手段と、
   前記両端電圧が第１の設定値以下であることを判定する第１の判定手段と、
   前記電極と前記配線部材間に発生している電圧相当値を検出する手段と、
   この電圧検出手段により検出した前記電圧相当値が第２の設定値以下であることを判定する第２の判定手段と、
   第１及び第２の判定手段の出力に基づいて、前記配線部材の前記電極との接合部分の異常を検出する手段と、
   を備え、
   前記配線部材に接続される前記半導体素子の電極の電位を、前記第１の設定値及び前記第２の設定値の基準電位としたことを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
2. 電極がワイヤ、リードフレーム等の配線部材を介して外部に接続される電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記半導体素子のセンスエミッタ端子を流れる電流を抵抗の両端電圧に変換して検出する電流検出手段と、
   前記両端電圧が第１の設定値以下であることを判定する第１の判定手段と、
   前記電極と前記配線部材間に発生している電圧相当値を検出する手段と、
   この電圧検出手段により検出した前記電圧相当値が第２の設定値以上であることを判定する第２の判定手段と、
   第１及び第２の判定手段の出力に基づいて、前記配線部材の前記電極との接合部分の異常を検出する手段と、
   を備え、
   前記接合部分と外部とを接続する配線経路に中継点を設け、この中継点の電位を、前記第１の設定値及び前記第２の設定値の基準電位としたことを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
   
3. 請求項１または２に記載した電力用半導体素子の異常検出装置において、
   前記接合部分の異常を検出する手段は、前記接合部分の熱疲労によるクラックの発生を検出することを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した電力用半導体素子の保護装置において、
   前記接合部分の異常を検出した際に、外部へアラーム信号を出力することを特徴とする電力用半導体素子の異常検出装置。
   

Images