JP7041887B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は負荷駆動装置に関し、特に、パワーモジュールのスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体素子の寿命診断を行う機能を備えた負荷駆動装置に関する。

複数のパワー半導体素子がパッケージに封入されたパワーモジュールは、スイッチング素子として、民生用製品、業務用製品、産業用製品など、幅広い分野において利用されている。

図１６はパワーモジュールを用いた負荷駆動装置の一般的な構成を示す図である。
負荷駆動装置１００は、制御装置１０１と、ゲートドライバユニット１０２と、パワーモジュール１０３とを備えている。制御装置１０１は、パルス幅変調信号を発生してゲートドライバユニット１０２に供給する機能を有している。ゲートドライバユニット１０２は、制御装置１０１から供給されたパルス幅変調信号を駆動信号に変換してパワーモジュール１０３に供給する機能を有している。パワーモジュール１０３は、複数のパワー半導体素子がスイッチング素子としてパッケージに封入されており、それぞれのパワー半導体素子がゲートドライバユニット１０２から出力される駆動信号によってオン・オフ動作される。パワーモジュール１０３は、また、電源１１０および負荷１２０に接続されていて、パワーモジュール１０３のパワー半導体素子がオン制御されたときに、そのオン制御されたパワー半導体素子を介して電源１１０から負荷１２０にエネルギが供給される。

このようなパワーモジュール１０３のパワー半導体素子は、動作時間が長くなると不可避的に特性劣化が生じる。この特性が劣化したままパワー半導体素子を動作し続けていくと、重大な故障に至る可能性がある。このようなパワー半導体素子の寿命については、パワーサイクル耐量などを診断・予測する技術は、知られている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、このようなパワーモジュール１０３のパワー半導体素子として炭化珪素（ＳｉＣ）半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体を用いたものが注目されている。これは、ＳｉＣ半導体を用いたパワー半導体素子が珪素（Ｓｉ）半導体を用いたパワー半導体素子よりも高耐圧、低損失、高速スイッチング、高温動作などが可能になるためである。

特開２０１４－１７８２６４号公報

しかし、ＳｉＣ半導体を用いたパワー半導体素子においては、ゲート酸化膜の品質がＳｉ半導体を用いたパワー半導体素子と比較して低いことが知られている。このため、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）では、閾値電圧が変動することがある。閾値電圧は、パワー半導体素子では、オン状態とオフ状態との境目を示す電圧として重要なパラメータになっており、その変動は、ゲート酸化膜の劣化などによるものとされている。ここで、閾値電圧の変動が大きくなると、誤オンなどにより回路故障に至る危険性が高まり、パワー半導体素子の閾値電圧の変動に関する寿命が短くなる。閾値電圧の変動に関する寿命は、このパワー半導体素子を採用した電気機器の信頼性に直結するため、回路故障に至る前に知ることができれば、回路故障を未然に防ぐことができる。しかし、パワー半導体素子の閾値電圧の変動に関する寿命は、実際には、寿命が来る前に知ることはできなかった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワーモジュールのパワー半導体素子の閾値電圧の変動に関する寿命を事前に知ることができる負荷駆動装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、負荷を駆動するパワー半導体素子がパッケージに封入されたパワーモジュールと、パワー半導体素子をオン・オフ動作させるゲートドライブ回路を有するゲートドライバユニットと、パルス幅変調信号を発生してゲートドライブ回路に供給するパルス幅変調信号出力部を有する制御装置とを備えた負荷駆動装置が提供される。この負荷駆動装置において、ゲートドライバユニットは、パワー半導体素子のゲートに印加するゲート電圧を発生するゲート電圧発生回路と、パワー半導体素子の主端子間電圧を検出する端子間電圧検出回路と、端子間電圧検出回路が検出した主端子間電圧を基準電圧と比較する比較回路と、を有する。制御装置は、ゲート電圧の値を決めるような漸増する値を有する閾値電圧検出信号を発生してゲート電圧発生回路に供給する閾値電圧検出制御部と、主端子間電圧が基準電圧より低くなったことを比較回路が検出したときに閾値電圧検出制御部が発生していた閾値電圧検出信号を閾値電圧として記憶するとともにパワー半導体素子の稼働時間を記憶するデータ記憶部と、稼働時間をパラメータに含む関数である寿命予測式にデータ記憶部に記憶された閾値電圧の変動をフィッティングすることで閾値電圧の変動に関する寿命を予測する寿命予測計算部と、を有する。また、パワーモジュールは、データ記憶部に閾値電圧を記憶したときにパワー半導体素子の温度を検出する温度センサをさらに有し、制御装置は、データ記憶部に記憶されていた閾値電圧に対し、温度センサによって検出されてデータ記憶部に記憶されていた温度により温度補正を行う温度補正部をさらに有する。

また、本発明の負荷駆動装置において、ゲートドライバユニットは、パワー半導体素子がオン状態のときの主端子間電圧を検出する端子間電圧検出回路を有する。制御装置は、端子間電圧検出回路が検出した主端子間電圧を記憶するとともに主端子間電圧を記憶したときのパワー半導体素子の稼働時間を記憶するデータ記憶部と、データ記憶部に記憶された主端子間電圧の変動をパワー半導体素子の閾値電圧の変動に換算するデータ換算部と、稼働時間をパラメータに含む関数である寿命予測式にデータ換算部によって換算された閾値電圧の変動をフィッティングすることで閾値電圧の変動に関する寿命を予測する寿命予測計算部と、を有する。

上記構成の負荷駆動装置は、閾値電圧を検出して蓄積し、閾値電圧の変動の傾向から閾値電圧の変動が許容される最大の閾値電圧に達するまでの時間を求めることで、パワー半導体素子の閾値電圧の変動に関する寿命を事前に知ることができるという利点がある。

第１の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図である。 パワー半導体素子のゲート電圧および主端子間電圧の時間変化を示す図である。 制御装置のハードウェア構成例を示す図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 閾値電圧の変動の時間依存性を示す図である。 閾値電圧の変動の時間依存性から寿命の予測時間を定義することを示す図である。 第２の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図である。 閾値電圧の温度依存性を示す図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図である。 パワー半導体素子の閾値電圧の変動とオン時電圧との相関を示す図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 第４の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図である。 Ｖｏｎの温度依存性を示す図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 パワーモジュールを用いた負荷駆動装置の一般的な構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を部分的に組み合わせて実施することができる。

［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図、図２はパワー半導体素子のゲート電圧および主端子間電圧の時間変化を示す図、図３は制御装置のハードウェア構成例を示す図である。図４は制御装置の動作を示すフローチャート、図５は閾値電圧の変動の時間依存性を示す図、図６は閾値電圧の変動の時間依存性から寿命の予測時間を定義することを示す図である。

第１の実施の形態に係る負荷駆動装置１０は、この負荷駆動装置１０の全体の制御を行う制御装置２０と、ゲートドライバユニット３０と、パワーモジュール４０とを備えている。なお、パワーモジュール４０は、この実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴのパワー半導体素子４１がパッケージに封入されている。パワー半導体素子４１のドレインとソースとに逆並列に接続されているダイオード４２は、たとえばボディダイオードである。また、パワー半導体素子４１のドレインは、たとえば、電源に接続され、パワー半導体素子４１のソースは、たとえば、負荷に接続される。

制御装置２０は、通常動作部と閾値電圧（以下、閾値電圧を単にＶｔｈと言うことがある）検出・寿命予測部とを有している。通常動作部としては、通常モード時にパワーモジュール４０を動作させるためのパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号をゲートドライバユニット３０へ出力するＰＷＭ信号出力部２１を有している。

制御装置２０のＶｔｈ検出・寿命予測部としては、Ｖｔｈ検出制御部２２と、データ記憶部２３と、寿命予測計算部２４と、表示部２５とを有している。Ｖｔｈ検出制御部２２は、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１およびモード切替信号Ｓ２を発生してゲートドライバユニット３０に出力する。なお、Ｖｔｈ検出制御部２２は、請求項における閾値電圧検出制御部を構成する。

データ記憶部２３は、ゲートドライバユニット３０からパワーモジュール４０のパワー半導体素子４１がオフ状態からオン状態になったことを示すＶｄｓ変化検出信号Ｓ３を入力したタイミングでＶｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１の値をＶｔｈ検出制御部２２からＶｔｈとして読み込んで記憶する。

寿命予測計算部２４は、データ記憶部２３に記憶されたＶｔｈのデータに基づいて寿命を予測する。表示部２５は、寿命予測計算部２４が予測したＶｔｈの変動（ΔＶｔｈ）の寿命を時間で表示する。

ゲートドライバユニット３０では、通常動作部としてゲートドライブ回路３１を有し、このゲートドライブ回路３１を除く構成要素がＶｔｈ検出・寿命予測部を構成している。すなわち、ゲートドライバユニット３０のＶｔｈ検出・寿命予測部は、Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２と、ドレイン・ソース間電圧（Ｖｄｓまたは主端子間電圧）検出回路３３と、Ｖｄｓ比較回路３４と、スイッチ回路３５とを有している。

Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２は、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ：Digital to Analog Converter）３２ａを有している。ＤＡＣ３２ａの出力は、オペアンプ３２ｂの入力に接続され、オペアンプ３２ｂの出力は、スイッチＳＷ１の一方の端子に接続され、スイッチＳＷ１の他方の端子は、パワーモジュール４０のパワー半導体素子４１のゲートに接続されている。スイッチＳＷ１の制御端子には、モード切替信号Ｓ２が印加される。なお、Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２は、請求項におけるゲート電圧発生回路を構成する。

Ｖｄｓ検出回路３３は、定電流源３３ａと、ダイオード３３ｂと、抵抗３３ｃ，３３ｄとを有している。定電流源３３ａの出力は、ダイオード３３ｂのアノードと抵抗３３ｃの一方の端子とに接続され、ダイオード３３ｂのカソードは、パワーモジュール４０のパワー半導体素子４１のドレインに接続されている。抵抗３３ｃの他方の端子は、抵抗３３ｄの一方の端子とＶｄｓ比較回路３４とに接続されている。抵抗３３ｄの他方の端子は、パワーモジュール４０のパワー半導体素子４１のソースに接続されている。なお、Ｖｄｓ検出回路３３は、請求項において主端子間電圧を検出する端子間電圧検出回路を構成する。

Ｖｄｓ比較回路３４は、Ｖｄｓ検出回路３３が出力した信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）３４ａと、基準データを出力する基準データ出力部３４ｂと、Ｖｄｓ比較器３４ｃとを有している。Ｖｄｓ比較器３４ｃの出力端子は、制御装置２０のデータ記憶部２３に接続されている。なお、この実施の形態では、Ｖｄｓ検出回路３３の抵抗３３ｃ，３３ｄの接続点に現れる信号をデジタル信号に変換してから、Ｖｄｓ比較器３４ｃによるデジタル比較器によってパワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを基準データと比較している。しかし、抵抗３３ｃ，３３ｄの接続点に現れる信号をアナログ比較器で基準電圧と比較し、その比較結果である二値信号をＶｄｓ変化検出信号Ｓ３として制御装置２０のデータ記憶部２３に供給するようにしてもよい。なお、Ｖｄｓ比較回路３４は、請求項における比較回路を構成する。

スイッチ回路３５は、一方の端子が制御装置２０のＰＷＭ信号出力部２１の出力端子に接続され、他方の端子がゲートドライブ回路３１の入力端子に接続されたスイッチＳＷ２を有している。スイッチＳＷ２の制御端子は、インバータ３５ａの出力端子に接続され、インバータ３５ａの入力端子は、モード切替信号Ｓ２を出力する制御装置２０のＶｔｈ検出制御部２２に接続されている。

以上の構成の負荷駆動装置１０において、まず、通常の動作時には、スイッチ回路３５のスイッチＳＷ２が閉成（クローズ）されていてＰＷＭ信号出力部２１により発生されたＰＷＭ信号をゲートドライバユニット３０のゲートドライブ回路３１に供給する。ゲートドライブ回路３１は、ＰＷＭ信号を増幅してパワーモジュール４０のパワー半導体素子４１のゲートに供給する。これにより、パワー半導体素子４１は、オン・オフ動作され、たとえば、図示しない負荷にはＰＷＭ波形の電圧が供給される。

負荷駆動装置１０がＶｔｈ検出モードのとき、制御装置２０のＶｔｈ検出制御部２２は、モード切替信号Ｓ２を出力して、Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２のスイッチＳＷ１を閉成し、スイッチ回路３５のスイッチＳＷ２を開放（オープン）するように制御する。これにより、パワー半導体素子４１のゲートにゲート電圧を印加するのが阻止される。制御装置２０のＶｔｈ検出制御部２２は、また、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１を発生する。このＶｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１は、図２の上段に示したＶｔｈ検出用ゲート電圧に相当し、値が漸増するデジタル信号である。このＶｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１は、Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２に入力され、ＤＡＣ３２ａによってアナログ信号に変換され、オペアンプ３２ｂによって図２の上段に示したようなパワー半導体素子４１を駆動するＶｔｈ検出用ゲート電圧となる。このＶｔｈ検出用ゲート電圧は、スイッチＳＷ１を介してパワー半導体素子４１のゲートに印加される。

Ｖｔｈ検出用ゲート電圧は、最初は、値が小さいので、パワー半導体素子４１は、オフ状態にある。このとき、パワー半導体素子４１のドレインには、電源の高い電圧が印加されているので、Ｖｄｓ検出電圧は、図２の下段に示したように、高い電圧値を有している。Ｖｄｓ検出回路３３では、パワー半導体素子４１のドレインに印加されている高い電圧は、逆バイアス状態のダイオード３３ｂによって阻止されている。このとき、定電流源３３ａから供給される定電流は、直列接続された抵抗３３ｃ，３３ｄに流れ、定電流の値と抵抗３３ｄの値とによって決まる一定の電圧がＶｄｓ比較回路３４に出力される。この一定の電圧は、図２において、オフ状態のＶｄｓ検出電圧に相当する。

Ｖｔｈ検出用ゲート電圧が上昇して、パワー半導体素子４１をオフ状態からオン状態にする閾値電圧を超えると、パワー半導体素子４１は、オン状態になる。パワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは、パワー半導体素子４１のオン抵抗による電圧降下に相当する値になる。このため、Ｖｄｓ検出回路３３は、パワー半導体素子４１のオン抵抗による電圧降下とダイオード３３ｂの順方向電圧との和の電圧を抵抗３３ｃ，３３ｄで分圧して得られた電圧を出力し、この出力電圧は、Ｖｄｓ検出電圧としてＶｄｓ比較回路３４に供給される。

このとき、Ｖｄｓ比較回路３４では、Ｖｄｓ検出電圧と基準データ出力部３４ｂの基準データとを比較している。基準データは、図２に基準電圧として示した電圧値に相当する固定のデジタル値であり、オン状態のＶｄｓ検出電圧とオフ状態のＶｄｓ検出電圧との中間の値に設定されている。これにより、Ｖｄｓ比較器３４ｃは、Ｖｄｓ検出電圧が基準データの値を下回ると、Ｖｄｓ変化検出信号Ｓ３を出力する。

ここで、制御装置２０の機能を実現する制御装置２０のハードウェア構成例について説明する。制御装置２０は、図３に示したように、コンピュータの構成を有している。制御装置２０は、プロセッサ２０ａによって負荷駆動装置１０の全体が制御されている。プロセッサ２０ａには、バス２０ｆを介してメモリ２０ｂと、ハードディスク（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）２０ｃと、グラフィック処理部２０ｄと、入出力インタフェース２０ｅとが接続されている。

メモリ２０ｂは、制御装置２０の主記憶装置として使用される。メモリ２０ｂには、プロセッサ２０ａに実行させるＯＳ（Operating System）のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。また、メモリ２０ｂには、プロセッサ２０ａによる処理に必要な各種データが一時的に格納される。

ハードディスク２０ｃは、制御装置２０の補助記憶装置として使用される。ハードディスク２０ｃには、ＯＳのプログラム、寿命予測を行うアプリケーションプログラム、検出したＶｔｈなどの各種データが格納される。

グラフィック処理部２０ｄには、モニタ２５ａが接続されている。グラフィック処理部２０ｄは、プロセッサ２０ａからの命令に従って、画像をモニタ２５ａの画面に表示させる。モニタ２５ａは、制御装置２０の表示部２５に対応する。

入出力インタフェース２０ｅには、ゲートドライバユニット３０が接続されている。入出力インタフェース２０ｅは、ゲートドライバユニット３０にＰＷＭ信号、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１およびモード切替信号Ｓ２を送り、ゲートドライバユニット３０からは、Ｖｄｓ比較回路３４からＶｄｓ変化検出信号Ｓ３を受ける。

以上のようなハードウェア構成によって、第１の実施の形態の制御装置２０が処理する機能を実現することができる。
次に、制御装置２０の動作について、図４ないし図６を参照しながら詳細に説明する。まず、プロセッサ２０ａは、動作モードをＶｔｈ検出モードに切り替える（ステップＳ１）。この処理は、Ｖｔｈ検出制御部２２がモード切替信号Ｓ２を出力し、Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２のスイッチＳＷ１を閉成し、スイッチ回路３５のスイッチＳＷ２を開放することに相当する。スイッチＳＷ２の開放は、ＰＷＭ信号出力部２１から出力されるＰＷＭ信号がゲートドライブ回路３１に供給されることを阻止する。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｔｈ検出用ゲート電圧を発生させる（ステップＳ２）。これは、Ｖｔｈ検出制御部２２がある値のＶｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１を発生し、Ｖｔｈ検出用信号発生回路３２がある値のＶｔｈ検出用ゲート電圧を発生してパワー半導体素子４１のゲートに印加することに相当する。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｄｓ検出回路３３によりパワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを検出し（ステップＳ３）、Ｖｄｓ比較回路３４によりそのＶｄｓが基準電圧より低いかどうかを判断する（ステップＳ４）。Ｖｄｓ比較回路３４による比較の結果、基準データ出力部３４ｂが出力する基準電圧よりもＶｄｓが低くない場合、プロセッサ２０ａは、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１の値を高くしてＶｔｈ検出用ゲート電圧を上昇させ（ステップＳ５）、ステップＳ３に戻る。

Ｖｄｓが基準電圧より低い場合、プロセッサ２０ａは、ゲート電圧の値、すなわち、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１の値をＶｔｈと確定し（ステップＳ６）、確定されたＶｔｈを稼働時間とともにメモリ２０ｂに記憶する（ステップＳ７）。このようにして確定されたＶｔｈおよび稼働時間のデータは、Ｖｔｈ検出モードのたびにメモリ２０ｂに順次記憶され、蓄積されていく。

次に、プロセッサ２０ａは、メモリ２０ｂに蓄積されたＶｔｈのデータに寿命予測式
ΔＶｔｈ＝Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂ
を用いて、ＡとＢをフィッティングパラメータとしてフィッティングする（ステップＳ８）。すなわち、Ｖｔｈの変動（ΔＶｔｈ）は、図５に示したように、稼働時間を対数で表した場合、ほぼ線形的に変化する傾向を示しているので、実線で示すフィッティングラインに近似できる。このフィッティングラインは、傾きをＡ、図５の原点を通る縦軸と交わる値をＢ、稼働時間をｔとすると、Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂで表すことができる。この寿命予測式を用いることで、メモリ２０ｂに蓄積されたＶｔｈのデータの変動範囲の外側の値を予測することができる。たとえば、図５の縦軸の時間でのΔＶｔｈから寿命予測式の値のＢが求められ、データの範囲の外側の時間ｔを指定すれば、指定時間でのΔＶｔｈを予測できる。

次に、プロセッサ２０ａは、寿命予測式を用いてフィッティングしたフィッティングラインから寿命を許容される最大のΔＶｔｈに達する時間として計算する（ステップＳ９）。すなわち、寿命予測時間は、図６に示したように、フィッティングラインが許容最大値に到達する時間で求められる。

次に、プロセッサ２０ａは、計算した寿命をモニタ２５ａに表示し（ステップＳ１０）、動作モードを通常モードに切り替えて（ステップＳ１１）、この寿命予測計算処理を終了する。この寿命予測計算処理は、負荷を駆動していない時間を利用して繰り返し実施される。

以上のように、第１の実施の形態では、パワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓをモニタしながらパワー半導体素子４１のゲートに漸増するゲート電圧を印加し、Ｖｄｓが変化したときのゲート電圧をＶｔｈとして記憶・蓄積する。その後、蓄積されたＶｔｈの実測値の離散データにフィッティングする近似式を寿命予測式とし、その寿命予測式を用いたフィッティングラインとＶｔｈ変動の許容最大値とから寿命予測時間を計算している。

［第２の実施の形態］
図７は第２の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図、図８は閾値電圧の温度依存性を示す図、図９は制御装置の動作を示すフローチャートである。なお、図７において、図１に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。また、制御装置２０のハードウェアは、図３に示した構成のものを用いるものとする。

第２の実施の形態に係る負荷駆動装置１０ａは、パワーモジュール４０にパワー半導体素子４１の温度を検出する温度センサ４３を備え、ゲートドライバユニット３０にＡＤＣ３６を備え、制御装置２０にＶｔｈ温度補正部２６を備えている。温度センサ４３の出力端子は、ＡＤＣ３６の入力端子に接続され、ＡＤＣ３６の出力端子は、制御装置２０のデータ記憶部２３に接続されている。これにより、データ記憶部２３には、Ｖｔｈおよび稼働時間の他に、ＡＤＣ３６から出力された温度データＳ４が記憶される。Ｖｔｈ温度補正部２６は、データ記憶部２３と寿命予測計算部２４との間に配置され、図８に示したＶｔｈと温度依存性との相関関係を基にＶｔｈの温度補正を行う。なお、Ｖｔｈ温度補正部２６は、請求項における温度補正部を構成する。また、温度センサ４３は、パワー半導体素子４１の半導体チップ上に配置されるか、または、パワーモジュール４０の内部に設置されている。

ここで、パワー半導体素子４１の温度を検出する理由について説明する。パワー半導体素子４１は、図８に示したように、半導体チップが稼働しているときの発熱により温度が高くなると、それに連れてＶｔｈが低くなる特性を有している。このため、Ｖｔｈが低くなると、図２に示したように、オフ状態からオン状態に遷移するタイミングが早くなるため、そのタイミングでＶｔｈ検出制御部２２から取得するＶｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１の値も低くなる。そこで、この第２の実施の形態の負荷駆動装置１０ａでは、パワー半導体素子４１の温度変化によるＶｔｈの変化を補正して、パワーモジュール４０の寿命予測を高精度にしている。

次に、制御装置２０の動作について、図９を参照しながら説明する。まず、プロセッサ２０ａは、動作モードをＶｔｈ検出モードに切り替える（ステップＳ２１）。このとき、パワー半導体素子４１の温度が温度センサ４３によって検出され、ＡＤＣ３６を介してデータ記憶部２３に温度データＳ４が送られており、データ記憶部２３がＶｔｈ検出制御部２２からＶｔｈを取り込むタイミングでデータ記憶部２３に記憶される。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｔｈ検出制御部２２およびＶｔｈ検出用信号発生回路３２によってＶｔｈ検出用ゲート電圧を発生させ（ステップＳ２２）、そのＶｔｈ検出用ゲート電圧をパワー半導体素子４１のゲートに印加する。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｄｓ検出回路３３によりパワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを検出し（ステップＳ２３）、Ｖｄｓ比較回路３４によりそのＶｄｓが基準電圧より低いかどうかを判断する（ステップＳ２４）。Ｖｄｓ比較回路３４による比較の結果、基準データ出力部３４ｂが出力する基準電圧よりもＶｄｓが低くない場合、プロセッサ２０ａは、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１の値を高くしてＶｔｈ検出用ゲート電圧を上昇させ（ステップＳ２５）、ステップＳ２３に戻る。

Ｖｄｓが基準電圧より低い場合、プロセッサ２０ａは、ゲート電圧の値、すなわち、Ｖｔｈ検出用デジタル信号Ｓ１の値をＶｔｈと確定し（ステップＳ２６）、確定されたＶｔｈをメモリ２０ｂに記憶する（ステップＳ２７）。このとき、Ｖｔｈと一緒に、稼働時間と温度センサ４３によって検出された温度データとをメモリ２０ｂに記憶する。このＶｔｈ、稼働時間および温度データは、Ｖｔｈ検出モードのたびにメモリ２０ｂに順次記憶され、蓄積されていく。

次に、プロセッサ２０ａは、メモリ２０ｂに記憶されているＶｔｈのデータに対して温度補正を行う（ステップＳ２８）。この温度補正は、制御装置２０のＶｔｈ温度補正部２６により図８に示した温度とＶｔｈとの相関を示すグラフに基づいて行われる。

次に、プロセッサ２０ａは、温度補正されたＶｔｈのデータに寿命予測式
ΔＶｔｈ＝Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂ
を用いてフィッティングし（ステップＳ２９）、寿命予測式を用いてフィッティングしたフィッティングラインから寿命を許容される最大のΔＶｔｈに達する時間として計算する（ステップＳ３０）。

次に、プロセッサ２０ａは、計算した寿命をモニタ２５ａに表示し（ステップＳ３１）、動作モードを通常モードに切り替えて（ステップＳ３２）、この寿命予測計算処理を終了する。

以上のように、第２の実施の形態では、パワー半導体素子４１のＶｄｓおよび温度をモニタしながらパワー半導体素子４１のゲートに漸増するゲート電圧を印加し、Ｖｄｓが変化したときのゲート電圧をＶｔｈとして記憶し、そのときの温度も記憶しておく。その後、蓄積したＶｔｈに対し温度補正をしてからその実測データにフィッティングする近似式を寿命予測式とし、その寿命予測式を用いたフィッティングラインとＶｔｈ変動の許容最大値とから寿命予測時間を計算している。

［第３の実施の形態］
図１０は第３の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図、図１１はパワー半導体素子の閾値電圧の変動とオン時電圧との相関を示す図、図１２は制御装置の動作を示すフローチャートである。なお、図１０において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。また、制御装置２０のハードウェアは、図３に示した構成のものを用いるものとする。

第３の実施の形態に係る負荷駆動装置１０ｂは、パワーモジュール４０を稼働させながらパワー半導体素子４１がオン状態のときに検出したＶｄｓの値からオン時電圧（Ｖｏｎ）を確定し、そのＶｏｎをＶｔｈに換算してからＶｔｈの変動に関する寿命を予測している。

この負荷駆動装置１０ｂにおいて、制御装置２０は、そのＶｔｈ検出・寿命予測部として、データ記憶部２３と、ΔＶｏｎ－ΔＶｔｈ換算部２７と、寿命予測計算部２４と、表示部２５とを有している。データ記憶部２３は、パワー半導体素子４１がオン状態のときのＶｄｓの値から確定したＶｏｎを記憶する。ΔＶｏｎ－ΔＶｔｈ換算部２７は、データ記憶部２３に記憶されたＶｏｎの変動ΔＶｏｎをΔＶｔｈに換算する。なお、ΔＶｏｎ－ΔＶｔｈ換算部２７は、請求項におけるデータ換算部を構成する。

ゲートドライバユニット３０は、そのＶｔｈ検出・寿命予測部として、Ｖｄｓ検出回路３３とＡＤＣ３４ａとを備えている。Ｖｄｓ検出回路３３は、第１および第２の実施の形態のものと同様に、パワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを検出する。その検出したＶｄｓは、ＡＤＣ３４ａによりデジタル値に変換され、制御装置２０のデータ記憶部２３にＶｏｎとして入力される。

このＶｏｎの変動（ΔＶｏｎ）は、図１１に示したように、Ｖｔｈの変動（ΔＶｔｈ）と相関があり、この相関の関係を用いてΔＶｏｎ－ΔＶｔｈ換算部２７がΔＶｏｎをΔＶｔｈに換算する。ΔＶｔｈが求められることにより、寿命予測計算部２４による寿命予測が可能になる。

次に、制御装置２０の動作について、図１２を参照しながら説明する。まず、プロセッサ２０ａは、ＰＷＭ信号出力部２１が発生したＰＷＭ信号をゲートドライブ回路３１に供給し、ゲートドライブ回路３１がパワー半導体素子４１のゲートにゲート電圧を印加することによってパワー半導体素子４１をオン状態にする（ステップＳ４１）。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｄｓ検出回路３３によりパワー半導体素子４１のＶｄｓを検出し（ステップＳ４２）、検出したＶｄｓの値をＶｏｎと確定し（ステップＳ４３）、確定したＶｏｎおよび稼働時間をデータ記憶部２３に記憶する（ステップＳ４４）。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｏｎの初期値からの変化分ΔＶｏｎを算出し、図１１に示した、ΔＶｏｎとΔＶｔｈとの相関の関係を用いて、ΔＶｏｎをΔＶｔｈに換算する（ステップＳ４５）。

次に、プロセッサ２０ａは、換算されたＶｔｈのデータに寿命予測式
ΔＶｔｈ＝Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂ
を用いてフィッティングし（ステップＳ４６）、寿命予測式を用いてフィッティングしたフィッティングラインから寿命を許容される最大のΔＶｔｈに達する時間として計算する（ステップＳ４７）。そして、プロセッサ２０ａは、計算した寿命をモニタ２５ａに表示し（ステップＳ４８）、この寿命予測計算処理を終了する。

以上のように、第３の実施の形態では、パワー半導体素子４１がオン状態のときのＶｄｓを検出し、そのＶｄｓの値をＶｏｎとして記憶・蓄積する。その後、蓄積したＶｏｎから算出したΔＶｏｎをΔＶｔｈに換算し、換算したΔＶｔｈのデータにフィッティングする近似式を寿命予測式とし、その寿命予測式を用いたフィッティングラインとＶｔｈ変動の許容最大値とから寿命予測時間を計算している。

［第４の実施の形態］
図１３は第４の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成例を示す図、図１４はＶｏｎの温度依存性を示す図、図１５は制御装置の動作を示すフローチャートである。なお、図１３において、図７および図１０に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。また、制御装置２０のハードウェアは、図３に示した構成のものを用いるものとする。

第４の実施の形態に係る負荷駆動装置１０ｃは、パワーモジュール４０を稼働させながらパワー半導体素子４１がオン状態のときに検出したＶｄｓの値からＶｏｎを確定し、そのＶｏｎに対して温度補正をし、温度補正したＶｏｎから求めたΔＶｏｎをΔＶｔｈに換算してからＶｔｈの変動に関する寿命を予測している。

そのため、パワーモジュール４０は、パワー半導体素子４１の温度を検出する温度センサ４３を備え、ゲートドライバユニット３０は、ＡＤＣ３６を備えており、ＡＤＣ３６の出力端子は、制御装置２０のデータ記憶部２３に接続されている。これにより、データ記憶部２３には、Ｖｏｎおよび稼働時間の他に、ＡＤＣ３６から出力された温度データＳ４が記憶される。制御装置２０は、Ｖｏｎ温度補正部２８を有している。Ｖｏｎ温度補正部２８は、Ｖｏｎが図１４に示すような温度依存性を有していることに対して、温度依存性をキャンセルする機能を有している。なお、Ｖｏｎ温度補正部２８は、請求項における温度補正部を構成する。

次に、制御装置２０の動作について、図１５を参照しながら説明する。まず、プロセッサ２０ａは、ゲートドライブ回路３１がパワー半導体素子４１のゲートにゲート電圧を印加することによってパワー半導体素子４１をオン状態にする（ステップＳ５１）。このとき、パワー半導体素子４１の温度が温度センサ４３によって検出され、ＡＤＣ３６によりデジタルの温度データＳ４に変換されている。

次に、プロセッサ２０ａは、Ｖｄｓ検出回路３３によりパワー半導体素子４１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを検出する（ステップＳ５２）。その後、プロセッサ２０ａは、検出したＶｄｓの値をＶｏｎと確定し（ステップＳ５３）、確定したＶｏｎ、稼働時間および温度をデータ記憶部２３に記憶する（ステップＳ５４）。

次に、プロセッサ２０ａは、図１４に示した、Ｖｏｎと温度との相関の関係を用いて、Ｖｏｎを温度補正し（ステップＳ５５）、Ｖｏｎの初期値からの変化分ΔＶｏｎを算出し、図１１に示した、ΔＶｏｎとΔＶｔｈとの相関の関係を用いて、ΔＶｏｎをΔＶｔｈに換算する（ステップＳ５６）。

次に、プロセッサ２０ａは、換算されたＶｔｈのデータに寿命予測式
ΔＶｔｈ＝Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂ
を用いてフィッティングし（ステップＳ５７）、寿命予測式を用いてフィッティングしたフィッティングラインから寿命を許容される最大のΔＶｔｈに達する時間として計算する（ステップＳ５８）。そして、プロセッサ２０ａは、計算した寿命をモニタ２５ａに表示し（ステップＳ５９）、この寿命予測計算処理を終了する。

以上のように、第４の実施の形態では、稼働中のパワー半導体素子４１がオン状態のときのＶｄｓを検出し、そのＶｄｓの値をＶｏｎとして記憶し、そのときの温度も記憶しておく。その後、蓄積したＶｏｎに対し温度補正をしてからそのＶｏｎの初期値からの変化分ΔＶｏｎを算出し、そのΔＶｏｎをＶｔｈに換算し、換算したΔＶｔｈのデータにフィッティングする近似式を寿命予測式とし、その寿命予測式を用いたフィッティングラインとＶｔｈ変動の許容最大値とから寿命予測時間を計算している。

なお、第１ないし第４の実施の形態では、パワーモジュール４０のパワー半導体素子４１としてＭＯＳＦＥＴを使用した場合について説明したが、ＩＧＢＴでも同じように閾値電圧の変動に関する寿命予測が可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 負荷駆動装置
２０ 制御装置
２０ａ プロセッサ
２０ｂ メモリ
２０ｃ ハードディスク
２０ｄ グラフィック処理部
２０ｅ 入出力インタフェース
２０ｆ バス
２１ ＰＷＭ信号出力部
２２ Ｖｔｈ検出制御部
２３ データ記憶部
２４ 寿命予測計算部
２５ 表示部
２５ａ モニタ
２６ Ｖｔｈ温度補正部
２７ ΔＶｏｎ－ΔＶｔｈ換算部
２８ Ｖｏｎ温度補正部
３０ ゲートドライバユニット
３１ ゲートドライブ回路
３２ Ｖｔｈ検出用信号発生回路
３２ａ デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）
３２ｂ オペアンプ
３３ Ｖｄｓ検出回路
３３ａ 定電流源
３３ｂ ダイオード
３３ｃ，３３ｄ 抵抗
３４ Ｖｄｓ比較回路
３４ａ アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）
３４ｂ 基準データ出力部
３４ｃ Ｖｄｓ比較器
３５ スイッチ回路
３５ａ インバータ
３６ アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）
４０ パワーモジュール
４１ パワー半導体素子
４２ ダイオード
４３ 温度センサ
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ

Claims (6)

1. 負荷を駆動するパワー半導体素子がパッケージに封入されたパワーモジュールと、前記パワー半導体素子をオン・オフ動作させるゲートドライブ回路を有するゲートドライバユニットと、パルス幅変調信号を発生して前記ゲートドライブ回路に供給するパルス幅変調信号出力部を有する制御装置とを備えた負荷駆動装置において、
   前記ゲートドライバユニットは、前記パワー半導体素子のゲートに印加するゲート電圧を発生するゲート電圧発生回路と、前記パワー半導体素子の主端子間電圧を検出する端子間電圧検出回路と、前記端子間電圧検出回路が検出した前記主端子間電圧を基準電圧と比較する比較回路と、を有し、
   前記制御装置は、前記ゲート電圧の値を決めるような漸増する値を有する閾値電圧検出信号を発生して前記ゲート電圧発生回路に供給する閾値電圧検出制御部と、前記主端子間電圧が基準電圧より低くなったことを前記比較回路が検出したときに前記閾値電圧検出制御部が発生していた前記閾値電圧検出信号を閾値電圧として記憶するとともに前記パワー半導体素子の稼働時間を記憶するデータ記憶部と、前記稼働時間をパラメータに含む関数である寿命予測式に前記データ記憶部に記憶された前記閾値電圧の変動をフィッティングすることで前記閾値電圧の変動に関する寿命を予測する寿命予測計算部と、を有し、
   前記パワーモジュールは、前記データ記憶部に前記閾値電圧を記憶したときに前記パワー半導体素子の温度を検出する温度センサをさらに有し、
   前記制御装置は、前記データ記憶部に記憶されていた前記閾値電圧に対し、前記温度センサによって検出されて前記データ記憶部に記憶されていた温度により温度補正を行う温度補正部をさらに有する、
   負荷駆動装置。
2. 前記寿命予測計算部は、前記寿命予測式として、ｔを前記パワー半導体素子の稼働時間、ＡおよびＢを定数としたとき、前記閾値電圧の変動ΔＶｔｈが
   ΔＶｔｈ＝Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂ
   により表され、前記閾値電圧の変動が予想される最大値に至るまでの稼働時間を寿命予測時間とする、請求項１記載の負荷駆動装置。
3. 前記ゲートドライバユニットは、前記パワー半導体素子をオン・オフ動作させる通常モードにあるときに前記ゲート電圧を前記パワー半導体素子のゲートに印加するのを阻止する第１のスイッチと、前記閾値電圧の検出モードにあるとき、前記パルス幅変調信号出力部の出力を阻止する第２のスイッチとを有する、請求項１記載の負荷駆動装置。
4. 負荷を駆動するパワー半導体素子がパッケージに封入されたパワーモジュールと、前記パワー半導体素子をオン・オフ動作させるゲートドライブ回路を有するゲートドライバユニットと、パルス幅変調信号を発生して前記ゲートドライブ回路に供給するパルス幅変調信号出力部を有する制御装置とを備えた負荷駆動装置において、
   前記ゲートドライバユニットは、前記パワー半導体素子がオン状態のときの主端子間電圧を検出する端子間電圧検出回路を有し、
   前記制御装置は、前記端子間電圧検出回路が検出した前記主端子間電圧を記憶するとともに前記主端子間電圧を記憶したときの前記パワー半導体素子の稼働時間を記憶するデータ記憶部と、前記データ記憶部に記憶された前記主端子間電圧の変動を前記パワー半導体素子の閾値電圧の変動に換算するデータ換算部と、前記稼働時間をパラメータに含む関数である寿命予測式に前記データ換算部によって換算された前記閾値電圧の変動をフィッティングすることで前記閾値電圧の変動に関する寿命を予測する寿命予測計算部と、を有する、
   負荷駆動装置。
5. 前記寿命予測計算部は、前記寿命予測式として、ｔを前記パワー半導体素子の稼働時間、ＡおよびＢを定数としたとき、前記閾値電圧の変動ΔＶｔｈが
   ΔＶｔｈ＝Ａ・ｌｏｇ ｔ＋Ｂ
   により表され、前記閾値電圧の変動が予想される最大値に至るまでの稼働時間を寿命予測時間とする、請求項４記載の負荷駆動装置。
6. 前記パワーモジュールが前記データ記憶部に前記閾値電圧を記憶したときに前記パワー半導体素子の温度を検出する温度センサを有し、前記制御装置が前記データ記憶部に記憶されていた前記主端子間電圧に対し前記温度センサによって検出されて前記データ記憶部に記憶されていた温度により温度補正を行う温度補正部を有する、請求項４記載の負荷駆動装置。

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