JP7118019B2

JP7118019B2 - 半導体モジュール、および半導体モジュールの寿命予測システム

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Publication number: JP7118019B2
Application number: JP2019018479A
Authority: JP
Inventors: 政孝白水; 一浩川原; 崇仁山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2022-08-15
Anticipated expiration: 2039-02-05
Also published as: US20200247642A1; CN111537856B; JP2020125978A; CN111537856A; DE102020200573A1

Description

本発明は、半導体モジュール、および当該半導体モジュールの寿命予測システムに関する。

従来、寿命判定のための特別なセンサを必要とせずに、エレベータの駆動系に含まれる回路素子の寿命を判定して対処する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。回路素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびダイオードを含む。具体的には、インバータ装置に含まれる回路素子の電圧の測定値と、エレベータ制御装置に予め設定された回路素子の電圧の初期値とを比較することによって、回路素子の寿命を判定する。そして、初期値と測定値との差が予め設定した判定値を超えたとき、警告ランプを点灯して回路素子の寿命が近づいていることを警告する。

特開２０１１－２０００３３号公報

特許文献１では、インバータ装置は、測定回路を介してエレベータ制御装置に接続されているため外乱の影響を受ける可能性があり、この場合、測定の精度が低下するという問題がある。このように、従来では、半導体モジュールの寿命を正確に予測しているとはいえなかった。

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、寿命を正確に予測することが可能な半導体モジュールおよび当該半導体モジュールの寿命予測システム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、本発明による半導体モジュールは、少なくとも１つの半導体素子と、半導体素子の電圧を測定する測定回路と、半導体素子の予め定められた電圧の初期値と、測定回路が測定した半導体素子の電圧の測定値と、半導体素子の予め定められた判定値とを記憶するメモリとを一体に備える。

本発明によると、半導体モジュールは、半導体素子の電圧を測定する測定回路と、半導体素子の予め定められた電圧の初期値と、測定回路が測定した半導体素子の電圧の測定値と、半導体素子の予め定められた判定値とを記憶するメモリとを一体に備えるため、半導体モジュールの寿命を正確に予測することが可能となる。

本発明の実施の形態１による半導体パワーモジュールの寿命予測システムの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１による半導体パワーモジュールの寿命予測を説明するグラフである。本発明の実施の形態２による半導体パワーモジュールの寿命予測を説明するグラフである。本発明の実施の形態３による半導体パワーモジュールの寿命予測システムの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態３による半導体パワーモジュールの寿命予測を説明するグラフである。

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。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１は、本実施の形態１による半導体パワーモジュールの寿命予測システムの構成の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態１による半導体パワーモジュールの寿命予測システムは、半導体パワーモジュール１と、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）７とで構成されている。半導体パワーモジュール１は、負荷１０の動作を制御する。負荷１０は、例えば、三相交流電動機などである。

半導体パワーモジュール１は、半導体素子であるＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂと、制御回路４と、メモリ６とを備えている。制御回路４は、測定回路５ａ，５ｂと、変換器１１ａ，１１ｂと、駆動回路９ａ，９ｂと、入力インターフェース８と、入出力インターフェース１２とを備えている。

測定回路５ａ，５ｂは、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂの特性を測定する。具体的には、測定回路５ａは、ＩＧＢＴ２ａおよびダイオード３ａのそれぞれに接続されており、ＩＧＢＴ２ａのコレクタ電圧およびエミッタ電圧を測定し、ダイオード３ａのアノード電圧およびカソード電圧を測定する。測定回路５ａが測定したＩＧＢＴ２ａのコレクタ電圧およびエミッタ電圧は、変換器１１ａでアナログからデジタルに変換され、入出力インターフェース１２を介してメモリ６に記憶される。また、測定回路５ａが測定したダイオード３ａのアノード電圧およびカソード電圧は、変換器１１ａでアナログからデジタルに変換され、入出力インターフェース１２を介してメモリ６に記憶される。

一方、測定回路５ｂは、ＩＧＢＴ２ｂおよびダイオード３ｂのそれぞれに接続されており、ＩＧＢＴ２ｂのコレクタ電圧およびエミッタ電圧を測定し、ダイオード３ｂのアノード電圧およびカソード電圧を測定する。測定回路５ｂが測定したＩＧＢＴ２ｂのコレクタ電圧およびエミッタ電圧は、変換器１１ｂでアナログからデジタルに変換され、入出力インターフェース１２を介してメモリ６に記憶される。また、測定回路５ｂが測定したダイオード３ｂのアノード電圧およびカソード電圧は、変換器１１ｂでアナログからデジタルに変換され、入出力インターフェース１２を介してメモリ６に記憶される。

駆動回路９ａは、ＭＣＵ７から入力インターフェース８を介して入力された制御信号に従ってＩＧＢＴ２ａを駆動する。駆動回路９ｂは、入力インターフェース８を介して入力されたＭＣＵ７の指示に従ってＩＧＢＴ２ｂを駆動する。

メモリ６は、例えばＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）で構成されており、測定回路５ａ，５ｂのそれぞれで測定されたＩＧＢＴ２ａ，２ｂのコレクタ電圧およびエミッタ電圧と、ダイオード３ａ，３ｂのアノード電圧およびカソード電圧とを記憶する。

また、メモリ６は、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性劣化を判定する判定値を記憶している。当該判定値は、半導体パワーモジュール１の動作環境を考慮したものであり、ＭＣＵ７がメモリ６に設定することができる。なお、ＭＣＵ７がメモリ６に判定値を設定するタイミングは、ＭＣＵ７がＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性劣化を判定する前であれば任意のタイミングでよい。

さらに、メモリ６は、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性の初期値を記憶している。当該初期値は、半導体パワーモジュール１の動作環境を考慮したものであり、ＭＣＵ７がメモリ６に設定することができる。なお、ＭＣＵ７がメモリ６に初期値を設定するタイミングは、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの測定値がメモリ６に記憶される前であれば任意のタイミングでよい。

ＭＣＵ７は、入力インターフェース８を介して、駆動回路９ａ，９ｂのそれぞれに制御信号を入力する。また、ＭＣＵ７は、メモリ６に直接アクセスし、メモリ６から情報を読み出したり、メモリ６に情報を書き込んだりすることが可能である。さらに、ＭＣＵ７は、メモリ６に記憶されている情報に基づいて、半導体パワーモジュール１の寿命を予測する。すなわち、ＭＣＵ７は、半導体パワーモジュール１の寿命を予測する予測部としての機能を有している。

＜動作＞
ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂの特性を測定するとき、ＭＣＵ７は、メモリ６に対してコマンドを入力する。ＭＣＵ７からメモリ６に入力されたコマンドは、入出力インターフェース１２を介して変換器１１ａ，１１ｂに入力され、デジタルからアナログ変換された後に測定回路５ａ，５ｂに入力される。すなわち、測定回路５ａ，５ｂは、ＭＣＵ７からのコマンドに従ってＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂの特性を測定する。

また、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂの特性を測定するとき、ＭＣＵ７は、駆動回路９ａ，９ｂのそれぞれに対して、一定条件での電流となるような制御信号を入力する。駆動回路９ａは、ＭＣＵ７から入力された制御信号に従ってＩＧＢＴ２ａを駆動する。駆動回路９ｂは、ＭＣＵ７から入力された制御信号に従ってＩＧＢＴ２ｂを駆動する。

測定回路５ａは、ＩＧＢＴ２ａのコレクタ電圧およびエミッタ電圧を測定し、ダイオード３ａのアノード電圧およびカソード電圧を測定する。ＩＧＢＴ２ａのコレクタ電圧およびエミッタ電圧と、ダイオード３ａのアノード電圧およびカソード電圧とは、ＩＧＢＴ２ａおよびダイオード３ａのそれぞれの特性の測定値としてメモリ６に記憶される。

測定回路５ｂは、ＩＧＢＴ２ｂのコレクタ電圧およびエミッタ電圧を測定し、ダイオード３ｂのアノード電圧およびカソード電圧を測定する。ＩＧＢＴ２ｂのコレクタ電圧およびエミッタ電圧と、ダイオード３ｂのアノード電圧およびカソード電圧とは、ＩＧＢＴ２ｂおよびダイオード３ｂのそれぞれの特性の測定値としてメモリ６に記憶される。

上記より、メモリ６には、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性の測定値が記憶される。これらの測定値は、測定をする度にメモリ６に記憶される。すなわち、メモリ６に複数回分の測定値を記憶することができる。

ＭＣＵ７は、メモリ６に記憶されているＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの測定値と、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性の初期値と、判定値とを読み出し、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性劣化を判定する。

具体的には、図２に示すように、ＭＣＵ７は、半導体素子の測定値と、予め設定した判定値Ｃとを比較する。そして、ＭＣＵ７は、測定値が判定値Ｃ以上となったときに半導体素子の特性が劣化したと判断する。この場合、ＭＣＵ７は、半導体パワーモジュール１の寿命が短くなった、すなわち半導体パワーモジュール１の寿命の終わりが近づいてきていると予測する。

＜効果＞
以上のことから、本実施の形態１によれば、半導体パワーモジュール１は、測定回路５ａ，５ｂおよびメモリ６を内蔵しているため、外乱の影響を受けることが少なくなり、半導体パワーモジュール１の寿命を正確に予測することができる。

上記の通り、メモリ６は、複数回分の半導体素子の測定値を記憶することができる。従って、ＭＣＵ７は、初期値および複数の測定値の推移に基づいて半導体素子の特性劣化を判定することができる。

メモリ６を半導体パワーモジュール１の外部に設けた場合は、部品交換などを行ったときにメモリ６に記憶されたデータを削除する必要がある。一方、本実施の形態１によれば、メモリ６は半導体パワーモジュール１に内蔵されているため、部品交換などを行ったときにメモリ６に記憶されているデータを削除する必要がない。従って、ＭＣＵ７のアルゴリズムを簡素化することができる。

引用文献１のようなエレベータの駆動系に用途を限定しない半導体パワーモジュールの寿命を判定する場合は、半導体パワーモジュールの動作環境を考慮した初期値および判定値を設定する必要がある。本実施の形態１によれば、ＭＣＵ７は、メモリ６に直接アクセスして、任意のタイミングで動作環境を考慮した初期値および判定値を書き込むことができるため、半導体パワーモジュール１の寿命の予測精度を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
＜構成＞
本実施の形態２による半導体パワーモジュールの寿命予測システムの構成は、実施の形態１で説明した図１に示す半導体パワーモジュールの寿命予測システムの構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、半導体パワーモジュール１の動作も実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

＜動作＞
本実施の形態２では、ＭＣＵ７による半導体パワーモジュール１の寿命の予測方法が実施の形態１とは異なる。以下では、本実施の形態２による半導体パワーモジュール１の寿命の予測について説明する。

ＭＣＵ７は、メモリ６に記憶されているＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの測定値と、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性の初期値とを読み出し、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性劣化を判定する。

具体的には、図３に示すように、ＭＣＵ７は、各測定値に基づいて測定値の変動率を算出する。図３の例では、測定値の変動率はΔ１～Δ４で示されている。なお、ＭＣＵ７は、任意のタイミングで測定値の変動率を算出してもよく、ＭＣＵ７が算出した測定値の変動率はメモリ６に記憶してもよい。この場合、ＭＣＵ７は、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの測定値と、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性の初期値と、過去に算出したＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの測定値の変動率とをメモリ６から読み出す。

そして、ＭＣＵ７は、算出した測定値の変動率と、予め設定した判定値Ｄとを比較する。なお、判定値Ｄは、ＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性劣化を判定するための値であり、ＭＣＵ７がメモリ６に設定することができる。なお、ＭＣＵ７がメモリ６に判定値Ｄを設定するタイミングは、ＭＣＵ７がＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂのそれぞれの特性劣化を判定する前であれば任意のタイミングでよい。

ＭＣＵ７は、測定値の変動率が判定値Ｄ以上となったときに半導体素子の特性が劣化したと判定する。この場合、ＭＣＵ７は、半導体パワーモジュール１の寿命が短くなった、すなわち半導体パワーモジュール１の寿命の終わりが近づいてきていると予測する。

＜効果＞
以上のことから、本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様、半導体パワーモジュール１の寿命を正確に予測することができる。

＜実施の形態３＞
＜構成＞
図４は、本実施の形態３による半導体パワーモジュールの寿命予測システムの構成の一例を示す図である。

図４に示すように、本実施の形態３による半導体パワーモジュールの寿命予測システムは、半導体パワーモジュール１３と、ＭＣＵ１５と、ケース温度測定回路１６とで構成されている。半導体パワーモジュール１３は、負荷１０の動作を制御する。

半導体パワーモジュール１３は、半導体素子であるＩＧＢＴ２ａ，２ｂおよびダイオード３ａ，３ｂと、制御回路４と、メモリ１４とを備えている。制御回路４は、入力インターフェース８および駆動回路９ａ，９ｂを備えている。なお、入力インターフェース８および駆動回路９ａ，９ｂは、実施の形態１で説明した図１に示す入力インターフェース８および駆動回路９ａ，９ｂと同様であるため、ここでは説明を省略する。

メモリ１４は、例えばＥＰＲＯＭで構成されており、ケース温度測定回路１６で測定された半導体パワーモジュール１３のケース温度を記憶する。また、メモリ１４は、半導体素子の特性劣化を判定する判定値を記憶している。当該判定値は、半導体パワーモジュール１３の動作環境を考慮したものであり、ＭＣＵ１５がメモリ１４に設定することができる。なお、ＭＣＵ１５がメモリ１４に判定値を設定するタイミングは、ＭＣＵ１５が半導体パワーモジュール１３の寿命を予測する前であれば任意のタイミングでよい。

ケース温度測定回路１６は、半導体パワーモジュール１３に接続されており、半導体パワーモジュール１３のケース温度を測定する。

ＭＣＵ１５は、入力インターフェース８を介して、駆動回路９ａ，９ｂのそれぞれに制御信号を入力する。また、ＭＣＵ１５は、メモリ１４に直接アクセスし、メモリ１４から情報を読み出したり、メモリ１４に情報を書き込んだりすることが可能である。さらに、ＭＣＵ１５は、メモリ１４に記憶されている情報に基づいて、半導体パワーモジュール１３の寿命を予測する。すなわち、ＭＣＵ１５は、半導体パワーモジュール１３の寿命を予測する予測部としての機能を有している。

＜動作＞
まず、ケース温度測定回路１６は、第１タイミングにおいて、半導体パワーモジュール１３が動作していない状態で第１ケース温度であるケース温度Ｔｃを測定する。ＭＣＵ１５は、このときケース温度測定回路１６が測定したケース温度Ｔｃを初期値Ａ１としてメモリ１４に記憶する。

その直後、ＭＣＵ１５は、駆動回路９ａ，９ｂのそれぞれに対して、一定条件での電流となるような制御信号を入力する。駆動回路９ａは、ＭＣＵ１５から入力された制御信号に従ってＩＧＢＴ２ａを駆動する。駆動回路９ｂは、ＭＣＵ１５から入力された制御信号に従ってＩＧＢＴ２ｂを駆動する。ケース温度測定回路１６は、半導体パワーモジュール１３の動作時の第２ケース温度であるケース温度Ｔｃを測定する。ＭＣＵ１５は、このときケース温度測定回路１６が測定したケース温度Ｔｃを測定値Ａ２としてメモリ１４に記憶する。

次に、上記の測定から一定期間後である第２タイミングにおいて、ケース温度測定回路１６は、半導体パワーモジュール１３が動作していない状態で第３ケース温度であるケース温度Ｔｃを測定する。ＭＣＵ１５は、このときケース温度測定回路１６が測定したケース温度Ｔｃを初期値Ｂ１としてメモリ１４に記憶する。

その直後、ＭＣＵ１５は、上記と同様に駆動回路９ａ，９ｂを駆動させる。ケース温度測定回路１６は、半導体パワーモジュール１３の動作時のケース温度Ｔｃを測定する。ＭＣＵ１５は、このときケース温度測定回路１６が測定した第４ケース温度であるケース温度Ｔｃを測定値Ｂ２としてメモリ１４に記憶する。

上記より、メモリ１４には、半導体パワーモジュール１３のケース温度として初期値Ａ１、測定値Ａ２、初期値Ｂ１、および測定値Ｂ２が記憶される。

ＭＣＵ１５は、メモリ１４に記憶されている初期値Ａ１、測定値Ａ２、初期値Ｂ１、および測定値Ｂ２と、判定値とを読み出し、半導体素子の特性劣化を判定する。

具体的には、図５に示すように、ＭＣＵ１５は、初期値Ａ１と測定値Ａ２との差をΔＡとし、初期値Ｂ１と測定値Ｂ２との差をΔＢとする。そして、ＭＣＵ１５は、ΔＡとΔＢとの差が判定値Ｅ以上となったときに半導体素子の特性が劣化したと判断する。この場合、ＭＣＵ１５は、半導体パワーモジュール１３の寿命が短くなった、すなわち半導体パワーモジュール１３の寿命の終わりが近づいてきていると予測する。

なお、ＭＣＵ１５は、任意のタイミングで初期値と測定値との差を算出してもよく、ＭＣＵ１５が算出した初期値と測定値との差はメモリ１４に記憶してもよい。この場合、ＭＣＵ１５は、初期値および測定値と、過去に算出した初期値と測定値との差とをメモリ１４から読み出す。

上記では、半導体パワーモジュール１３のケース温度差に基づいて半導体パワーモジュール１３の寿命を予測する場合について説明したが、ケース温度以外の特性の差分、または当該特性の差分の推移に基づいて半導体パワーモジュール１３の寿命を予測してもよい。

＜効果＞
以上のことから、本実施の形態３によれば、実施の形態１と同様、半導体パワーモジュール１の寿命を正確に予測することができる。

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半導体パワーモジュール、２ａ，２ｂＩＧＢＴ、３ａ，３ｂダイオード、４制御回路、５ａ，５ｂ測定回路、６メモリ、７ＭＣＵ、８入力インターフェース、９ａ，９ｂ駆動回路、１０負荷、１１ａ，１１ｂ変換器、１３半導体パワーモジュール、１４メモリ。

Claims

少なくとも１つの半導体素子と、
前記半導体素子の電圧を測定する測定回路と、
前記半導体素子の予め定められた電圧の初期値と、前記測定回路が測定した前記半導体素子の電圧の測定値と、前記半導体素子の予め定められた判定値とを記憶するメモリと、
を一体に備える、半導体モジュール。
前記メモリは、前記測定値の変動率を記憶することを特徴とする、請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の前記半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの寿命を予測する予測部と、
を備え
前記予測部は、前記メモリに記憶された前記初期値、前記測定値、および前記判定値に基づいて、前記半導体モジュールの寿命を予測し、
前記予測部は、前記測定値が前記判定値以上となったとき、前記半導体モジュールの寿命が短くなったと予測することを特徴とする、半導体モジュールの寿命予測システム。
前記予測部は、前記測定回路が複数のタイミングで測定した各前記測定値の推移に基づいて、前記測定値が前記判定値以上となったとき、前記半導体モジュールの寿命が短くなったと予測することを特徴とする、請求項３に記載の半導体モジュールの寿命予測システム。
請求項２に記載の前記半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの寿命を予測する予測部と、
を備え
前記予測部は、前記メモリに記憶された前記測定値の変動率、および前記判定値に基づいて、前記半導体モジュールの寿命を予測し、
前記予測部は、前記測定値の変動率が前記判定値以上となったときに前記半導体素子の特性が劣化したと判定し、前記半導体モジュールの寿命が短くなったと予測することを特徴とする、半導体モジュールの寿命予測システム。
前記半導体モジュールと前記予測部とは別個に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の半導体モジュールの寿命予測システム。
少なくとも１つの半導体素子と、
前記半導体素子の動作時、および前記半導体素子が動作していない時のそれぞれのケース温度と、前記半導体素子の予め定められた判定値とを記憶するメモリと、
を一体に備える半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの寿命を予測する予測部と、
を備え、
前記予測部は、前記メモリに記憶された各前記ケース温度、および前記判定値に基づいて、前記半導体モジュールの寿命を予測し、
前記メモリは、第１タイミングにおいて前記半導体素子が動作していない時の第１ケース温度と、前記第１タイミングにおいて前記半導体素子の動作時の第２ケース温度と、前記第１タイミングとは異なる第２タイミングにおいて前記半導体素子が動作していない時の第３ケース温度と、前記第２タイミングにおいて前記半導体素子の動作時の第４ケース温度とを記憶し、
前記予測部は、前記第１ケース温度および前記第２ケース温度の差と、前記第３ケース温度および前記第４ケース温度の差との差が前記判定値以上となったときに前記半導体素子の特性が劣化したと判定し、前記半導体モジュールの寿命が短くなったと予測し、
前記半導体モジュールと前記予測部とは別個に設けられていることを特徴とする、半導体モジュールの寿命予測システム。