JP7255107B2 - 半導体素子のモニタ装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子のモニタ装置に関する。

特許文献１に、半導体素子の測定温度をモニタすることにより、半導体素子の寿命（あるいは余命）を推定する技術が開示されている。この技術では、半導体素子の測定温度に生じた所定の温度変化を検出し、その検出回数をカウントすることによって、半導体素子が寿命に到達したのか否かを判定する。

特開２０１７－５８１４６号公報

近年、インバータやコンバータといった電力変換回路では、例えばＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）のような、スイッチング素子とダイオードとが一体に形成された半導体素子が広く採用されている。このような半導体素子では、スイッチング素子が通電する動作状態と、ダイオードが通電する動作状態とが存在し、それらの二つの動作状態を比較すると、半導体素子に生じる温度分布が互いに相違する。しかしながら、半導体素子の温度は、通常、半導体素子の中央付近といった代表点のみで測定され、そのような温度分布の違いは無視されてしまう。そのことから、半導体素子の測定温度に生じた温度変化が同じであっても、スイッチング素子が通電する動作状態であったのか、ダイオードが通電する動作状態であったのかによって、半導体素子及びその周辺に生じる劣化の程度は相違する。従って、半導体素子の測定温度に生じた所定の温度変化を単にカウントするだけでは、半導体素子の劣化度を正しくモニタすることはできない。本明細書は、この問題を解決又は低減し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、スイッチング素子と、スイッチング素子に対して逆並列に接続された還流ダイオードとが一体に形成された半導体素子のモニタ装置に具現化される。このモニタ装置は、半導体素子に設けられ、スイッチング素子に通電する第１状態と還流ダイオードに通電する第２状態との動作状態に応じて生じる温度分布が相違する半導体素子の温度を前記温度分布に関わらず一つの代表点のみの温度を測定する温度センサと、温度センサが測定した温度に生じた温度変化を検出する検出処理部と、その温度変化が検出されたときの半導体素子の動作状態について第１状態と第２状態とを区別して特定する特定処理部と、検出された温度変化に、特定された動作状態に応じた重み付けをしたストレス指数の累積値を計算する累積処理部とを備える。

上記したモニタ装置では、半導体素子の測定温度に所定の温度変化が生じると、それをストレス指標に換算して累積していく。このストレス指標については、半導体素子の動作状態に応じて、特に、スイッチング素子が通電する動作状態であるのか、ダイオードが通電する動作状態であるのかに応じて重み付けされる。従って、計算されたストレス指標の累積値には、半導体素子やその周辺構造の劣化度が正確に反映される。計算された累積値は、半導体素子の制御等で随時に利用されてもよいし、検査や修理といったメンテナンス等で事後的に利用されてもよい。

実施例の電力制御装置１０の構成を示す回路ブロック図。 コントロールユニット２０に係る構成を示すブロック図。 コントロールユニット２０が実行する処理の一例を示すフローチャート。 半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定するために利用することができる指標を例示するテーブル。 コントロールユニット２０が実行する処理の他の一例を示すフローチャート。

本技術の一実施形態において、累積処理部は、検出された温度変化に、特定された動作状態に応じた重み係数を乗じたストレス指数を計算し、計算されたストレス指数を累積していくことによって、前述したストレス指数の累積値を計算してもよい。このような態様は、計算されたストレス指数の累積値を、半導体素子の制御等で随時（リアルタイム）に利用する場合に、好適に採用することができる。

本技術の一実施形態において、累積処理部は、検出された温度変化を特定された動作状態毎に累積し、動作状態毎に累積された温度変化の累積値に、動作状態に応じた重み係数をそれぞれ乗じてから合算することによって、前述したストレス指数の累積値を計算してもよい。このような態様は、計算されたストレス指数の累積値を、検査や修理といったメンテナンス等で事後的に利用する場合に、好適に採用することができる。

本技術の一実施形態では、ストレス指数の累積値に応じて、所定の保護動作が実行されてもよい。例えば、ストレス指数の累積値に応じて、半導体素子に許容する電流の上限値や、半導体素子に許容する温度の上限値を変更してもよい。

図面を参照して、本技術を適用した一実施例の電力制御装置１０について説明する。図１に示すように、電力制御装置１０は、直流電源であるバッテリ１２と、三相交流型のモータ１８との間で電力を制御する装置であり、例えば電気自動車に採用することができる。なお、ここでいう電気自動車とは、車輪を駆動するモータ１８を有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータ１８に加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。

電力制御装置１０は、主に、コンバータ１４と、インバータ１６と、コントロールユニット２０とを備える。コンバータ１４は、バッテリ１２に電気的に接続されており、インバータ１６は、コンバータ１４とモータ１８との間に電気的に接続されている。また、バッテリ１２とコンバータ１４との間、及び、コンバータ１４とインバータ１６との間には、それぞれ平滑コンデンサ１３、１５が設けられている。

コンバータ１４は、昇圧及び降圧が可能なＤＣ－ＤＣコンバータである。コンバータ１４は、インダクタＬ１と、第１半導体素子Ｑ１と、第２半導体素子Ｑ２とを有する。第１半導体素子Ｑ１と第２半導体素子Ｑ２の各々は、ＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、スイッチング素子とダイオードとが一体に形成された素子である。コンバータ１４は、下アームに位置する第２半導体素子Ｑ２が断続的にオンされると、昇圧コンバータとして機能し、上アームに位置する第１半導体素子Ｑ１が断続的にオンされると、降圧コンバータとして機能する。

通常、バッテリ１２からモータ１８へ電力が供給される場合、即ち、力行動作では、コンバータ１４が昇圧コンバータとして機能する。この場合、上アームに位置する第１半導体素子Ｑ１では主にダイオードに電流が流れ、下アームに位置する第２半導体素子Ｑ２では主にＩＧＢＴに電流が流れる。従って、第１半導体素子Ｑ１では主にダイオードが発熱する一方で、第２半導体素子Ｑ２では主にＩＧＢＴが発熱する。これに対して、モータ１８からバッテリ１２へ電力が供給される場合、即ち、回生動作では、コンバータ１４が降圧コンバータとして機能する。この場合、上アームに位置する第１半導体素子Ｑ１では主にＩＧＢＴに電流が流れ、下アームに位置する第２半導体素子Ｑ２では主にダイオードに電流が流れる。従って、第１半導体素子Ｑ１では主にＩＧＢＴが発熱する一方で、第２半導体素子Ｑ２では主にダイオードが発熱する。このように、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２では、力行動作と回生動作との間で動作状態が変化し、具体的には、ＩＧＢＴに電流が流れる動作状態となったり、ダイオードに電流が流れる動作状態となったりする。

図１、図２に示すように、第１半導体素子Ｑ１と第２半導体素子Ｑ２の各々には、温度センサＴ１、Ｔ２が設けられている。これらの温度センサＴ１、Ｔ２は、コントロールユニット２０に接続されており、温度センサＴ１、Ｔ２による測定値（即ち、第１半導体素子Ｑ１と第２半導体素子Ｑ２の測定温度）は、コントロールユニット２０へ入力される。また、バッテリ１２には、バッテリ１２の放電電流を検出する電流センサＣＳが設けられている。電流センサＣＳは、コントロールユニット２０に接続されており、電流センサＣＳによる測定値（即ち、バッテリ１２の放電電流）は、コントロールユニット２０へ入力される。

コントロールユニット２０は、電力制御装置１０の動作を制御するユニットであり、プロセッサやメモリを有するマイクロコンピュータを用いて構成されている。例えば、コントロールユニット２０は、第１半導体素子Ｑ１及び第２半導体素子Ｑ２に駆動指令を与え、コンバータ１４の動作を制御することができる。このとき、コントロールユニット２０は、温度センサＴ１、Ｔ２による測定値をモニタすることにより、第１半導体素子Ｑ１や第２半導体素子Ｑ２の過熱を防止しながら、それらの動作を適切に制御することができる。

加えて、コントロールユニット２０は、温度センサＴ１、Ｔ２による測定値（即ち、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度）をモニタすることにより、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２のストレス指数の累積値を計算することができる。ストレス指数の累積値とは、半導体素子Ｑ１、Ｑ２が経験した温度変化を数値化したものであり、半導体素子Ｑ１、Ｑ２やその周辺構造の劣化度（蓄積された疲労度）を示す指標である。ストレス指数の累積値を把握することで、半導体素子Ｑ１、Ｑ２やその周辺構造の余命を判断したり、故障が派生する可能性を推測することができる。

但し、本実施例における半導体素子Ｑ１、Ｑ２は、スイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）とダイオードとが一体に形成されている。このような半導体素子Ｑ１、Ｑ２では、前述したように、スイッチング素子が通電する動作状態と、ダイオードが通電する動作状態とが存在し、それらの二つの動作状態を比較すると、半導体素子Ｑ１、Ｑ２に生じる温度分布が互いに相違する。しかしながら、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の温度は、温度センサＴ１、Ｔ２により、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の代表点（ここでは中央付近）のみで測定され、そのような温度分布の違いは無視されてしまう。

そのことから、温度センサＴ１、Ｔ２による半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度に生じた温度変化が同じであっても、スイッチング素子が通電する動作状態であったのか、ダイオードが通電する動作状態であったのかによって、半導体素子Ｑ１、Ｑ２及びその周辺に生じる劣化の程度は相違する。従って、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度に生じた所定の温度変化を単に累積するだけでは、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の劣化度を正しくモニタすることはできない。

上記を鑑みて、本実施例のコントロールユニット２０は、機能的に、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度に生じた温度変化を検出する検出処理部と、その温度変化が検出されたときの半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定する特定処理部と、検出された温度変化に、特定された動作状態に応じた重み付けをしたストレス指数の累積値を計算する累積処理部とを備える。そして、特定処理部については、少なくとも、スイッチング素子が通電する第１の動作状態と、ダイオードが通電する第２の動作状態とを区別して特定する。なお、これらの各処理部は、コントロールユニット２０のハードウエア及びソフトウエアを用いて構成されており、物理的に独立して存在するものではない。なお、これらの各処理部の一部又は全部が、コントロールユニット２０と通信可能に接続された外部のハードウエアや、そこに記憶されたソフトウエアによって構成されてもよい。

図３は、コントロールユニット２０が実行する処理の流れを示すフローチャートである。図３を参照しながら、コントロールユニット２０がストレス指数の累積値を計算する処理について説明する。前述したように、コントロールユニット２０は、温度センサＴ１、Ｔ２による測定値、即ち、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度をモニタしている。コントロールユニット２０は、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度において温度変化を検出すると（ステップＳ１２）、そのときの半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定する（ステップＳ１４）。具体的には、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態が、スイッチング素子に電流が流れる第１の動作状態であるのか、ダイオードに電流が流れる第２の動作状態であるのかが区別される。

一例ではあるが、動作状態の特定は、電流センサＣＳによる測定値（即ち、バッテリ１２の放電電流）を用いて行うことができる。前述したように、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態は、力行動作時と回生動作時との間で変化する。従って、力行動作時であったのか、回生動作時であったのかを判別することで、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定することができる。この点に関して、力行動作時は、バッテリ１２が放電される状態であることから、電流センサＣＳによる測定値は正の値となる。これに対して、回生動作時は、バッテリ１２が充電される状態であることから、電流センサＣＳによる測定値は負の値となる。従って、電流センサＣＳによる測定値をモニタすることで、力行動作時であるのか、回生動作時であるのか判別することができ、それによって、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定することができる。

半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定すると、コントロールユニット２０は、ステップＳ１２で検出した温度変化に、特定した動作状態に応じた重み付けを行うことによって、ストレス指数を計算する（ステップＳ１６）。この重み付けは、それぞれの動作状態に対して定められた係数を乗ずるものでもよいし、そのような指数を加算あるいは減算するものであってもよい。これらの計数、指数、及び重み付けの具体的な方法は、電力制御装置１０の構造や機能を加味して定めるとよく、例えば実験やシミュレーション等によって適宜定めることができる。

次に、コントロールユニット２０は、ステップＳ１６で計算したストレス指数を、これまので累積値に加算することによって、ストレス指数の新たな累積値を計算する（ステップＳ１８）。計算されたストレス指数の累積値は、コントロールユニット２０のメモリに記憶される。加えて、又は代えて、コントロールユニット２０は、ストレス指数の累積値を外部へデータ送信してもよい。以上の処理により、半導体素子Ｑ１、Ｑ２が経験した温度変化に、その時々の動作状態が加味された指標であって、半導体素子Ｑ１、Ｑ２（及びその周辺）の劣化度を正しく示すストレス指数の累積値が計算される。

計算されたストレス指数の累積値は、様々な用途に用いることができる。一例ではあるが、本実施例では、ストレス指数の累積値が所定の上限値に達したときに（ステップＳ２０でＹＥＳ）、予め定められた保護動作を実行する（ステップＳ２２）。この保護動作は、特に限定されないが、例えば自動車であれば、その最大出力を制限してもよいし、いわゆる待避走行を行ってもよい。あるいは、制御の態様については実質的な変更を行わず、インストルメントパネル等に所定の表示を行うだけでもよい。

本実施例では、上述したように、電流センサＣＳによる測定値に基づいて、力行動作と回生動作とを判別し、それに基づいて半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定する。この点に関して、力行動作と回生動作との間の判別は、電流センサＣＳによる測定値に限られず、他の指標に基づいて行うこともできる。例えば、図４に示すように、力行動作と回生動作との間の判別には、バッテリ１２の放電電流だけでなく、モータ１８の回転数、モータ１８（又は車軸）のトルク、アクセル開度、車速等の指標を用いてもよい。モータ１８の回転数の場合、その値が増加中のときは力行動作と判別することができ、減少中のときは回生動作と判別することができる。モータ１８等のトルクの場合、その値が正のときは力行動作と判別することができ、負のときは回生動作と判別することができる。アクセル開度の場合は、その値が正のときは力行動作と判別することができ、ゼロのときは回生動作と判別することができる。そして、車速の場合は、その値が増加中のときは力行動作と判別することができ、減少中のときは回生動作と判別することができる。

上記した実施例では、コントロールユニット２０が、検出された温度変化に、特定された動作状態に応じた重み係数を乗じることによって、ストレス指数を逐次計算する。そして、コントロールユニット２０は、計算されたストレス指数を累積していくことによって、ストレス指数の累積値を随時（リアルタイム）に計算している。しかしながら、他の実施形態として、コントロールユニット２０は、検出された温度変化を、特定された動作状態毎に累積してもよい。そして、コントロールユニット２０（又は他のコンピュータ等）は、動作状態毎に累積された温度変化の累積値に、動作状態に応じた重み係数をそれぞれ乗じた上で、それらを合算することによってストレス指数の累積値を事後的に計算してもよい。このような手法によっても、結果として、ストレス指数の累積値を同じく計算することができる。

図５は、ストレス指数の累積値を事後的に計算するための処理の一例を示すフローチャートである。図３に示したフローチャートと同様に、コントロールユニット２０は、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の測定温度において温度変化を検出すると（ステップＳ３２）、そのときの半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定する（ステップＳ３４）。具体的には、半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態が、スイッチング素子に電流が流れる第１の動作状態であるのか、ダイオードに電流が流れる第２の動作状態であるのかが区別される。

半導体素子Ｑ１、Ｑ２の動作状態を特定すると、コントロールユニット２０は、ステップＳ１２で検出した温度変化を、動作状態毎に累積して記憶していく。これにより、コントロールユニット２０には、各々の半導体素子Ｑ１、Ｑ２について、スイッチング素子に電流が流れる第１の動作状態における温度変化の累積値と、ダイオードに電流が流れる第２の動作状態における温度変化の累積値とが、それぞれ記録されている。

例えばユーザやサービスマンの要求に応じて、データ解析が実行される場合（ステップＳ３８でＹＥＳ）、コントロールユニット２０は、動作状態毎に累積された温度変化の累積値に、動作状態に応じた重み係数をそれぞれ乗じた上で、それらを合算することによってストレス指数の累積値を計算する（ステップＳ４０）。なお、このステップＳ４０の計算は、コントロールユニット２０に代えて、外部のコンピュータ等で実行されてもよい。この場合、コントロールユニット２０は、動作状態毎に累積された温度変化の累積値を、当該コンピュータ等へ出力すればよい。以上の処理によっても、半導体素子Ｑ１、Ｑ２が経験した累積的な温度変化に、その時々の動作状態が加味された指標であって、半導体素子Ｑ１、Ｑ２（及びその周辺）の劣化度を正しく示すストレス指数の累積値を計算することができる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。例えば、上記した実施例では、コンバータ１４の半導体素子Ｑ１、Ｑ２の劣化度をモニタする例について説明したが、インバータ１６に含まれる各々の半導体素子（図示省略）についても、それらの劣化度を同様にモニタすることができる。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

１０：電力制御装置
１２：バッテリ
１４：コンバータ
１６：インバータ
１８：モータ
２０：コントロールユニット
ＣＳ：電流センサ
Ｑ１、Ｑ２：半導体素子
Ｔ１、Ｔ２：温度センサ

Claims (1)

1. スイッチング素子と、前記スイッチング素子に対して逆並列に接続された還流ダイオードとが一体に形成された半導体素子のモニタ装置であって、
   前記半導体素子に設けられ、前記スイッチング素子に通電する第１状態と前記還流ダイオードに通電する第２状態との動作状態に応じて生じる温度分布が相違する前記半導体素子の温度を前記温度分布に関わらず一つの代表点のみの温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサが測定した温度に生じた温度変化を検出する検出処理部と、
   前記温度変化が検出されたときの前記半導体素子の動作状態について前記第１状態と前記第２状態とを区別して特定する特定処理部と、
   検出された前記温度変化に、特定された前記動作状態に応じた重み付けをしたストレス指数の累積値を計算する累積処理部と、を備える、
   モニタ装置。

Images