JPWO2010122889A1 - パワーモジュールおよびその絶縁劣化検知方法 - Google Patents
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Abstract
絶縁シートに流れる電流値から、絶縁特性が破壊する直前の電流変化に基づいて絶縁シートの劣化を事前に検知し、絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障を検知可能なパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を得る。パワーモジュールの絶縁シート3に流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段10と、電流値に基づいて、絶縁シート3の絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、絶縁シート3の破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果YESを出力する演算手段11Aと、前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)を記憶する電流記憶手段14と、劣化判定結果YESに応答して警報を発生する警報手段12とを備えている。演算手段11Aは、現在の電流値inが、前回の電流値i(n−1)の10倍を超えた場合に、劣化判定結果YESを出力する。
Description
この発明は、絶縁樹脂層(絶縁シート)を有するパワーモジュールにおいて、高温吸湿による絶縁シートの劣化を事前に検知することのできるパワーモジュールの絶縁劣化検知装置および方法、ならびにパワーモジュールシステムに関するものである。
従来から、パワーモジュールにおいては、電気的な絶縁を確保しながら、パワー半導体チップから発生した熱を効率よく放出することが要求されている。
一般的なパワーモジュールは、回路配線の形成されたセラミックス基板や金属芯基板上にパワー半導体素子を搭載したものを、熱可塑性樹脂からなる枠ケースに固定し、シリコーンゲルまたはエポキシ樹脂を注入して、全体を封止することにより構成されている。
一般的なパワーモジュールは、回路配線の形成されたセラミックス基板や金属芯基板上にパワー半導体素子を搭載したものを、熱可塑性樹脂からなる枠ケースに固定し、シリコーンゲルまたはエポキシ樹脂を注入して、全体を封止することにより構成されている。
しかしながら、この種のパワーモジュールは、製造コストが高いことが知られている。
そこで、製造コストを低減することを目的として、リードフレームを用いるとともに、封止樹脂によりトランスファモールドするパワーモジュールが開発されている(たとえば、特許文献1参照)。
そこで、製造コストを低減することを目的として、リードフレームを用いるとともに、封止樹脂によりトランスファモールドするパワーモジュールが開発されている(たとえば、特許文献1参照)。
この種のトランスファモールドは、生産性に優れており、製造コストを低減することができるうえ、シリコーンゲルとは異なり、弾性率の高い樹脂で全体を覆うことから、ヒートサイクル性やパワーサイクル性などの信頼性も高いことが知られている。
一方、パワーモジュールは、高電圧が印加されつつ、高温高湿環境下で使用されることが多く、絶縁シートの劣化によってパワーモジュールが故障する可能性があるので、何らか対策をとる必要がある。
上記特許文献1においては、家電用および産業用のモジュールに関し、放熱性を向上するために、金属板上に絶縁層を介してリードフレームを設けた樹脂モールド用回路基板およびパッケージが提案されており、一度のトランスファー成形で樹脂封止することによって、半導体チップから金属板への熱放散性が優れた安価なパワーモジュールを実現している。
しかしながら、上記従来技術によれば、実際のパワーモジュールの使用環境を考慮すると、高温、高湿や振動などの影響を受けながら使用されることが多く、特に、有機系のエポキシ樹脂系材料は高温高湿の環境は吸湿して絶縁特性が劣化する可能性があるという課題があった。
また、高電圧で動作するパワーモジュールにおいては、その絶縁性を保つことが重要であるが、上記特許文献1に記載のパワーモジュールによれば、金属板とリードフレームとの間に高電圧が印加されながら高温高湿環境で使用することがあるので、使用時間の増加とともに、絶縁層の劣化による絶縁不良が発生する可能性があるという課題があった。
特に、最近では、パワーモジュールが車載用途に使用されるケースが多く、パワーモジュールの故障は、場合によっては大きな不具合を招く可能性があるので、何らかのフェイルセーフ設計を採用することが望ましいが、格別な対策は実現されていないという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、エポキシ樹脂を封止材とする絶縁シート構造のトランスファモールド型のパワーモジュールまたはシリコーンゲル(または、エポキシ樹脂)を封止材とするケース型パワーモジュールにおいて、絶縁層(絶縁シート)の絶縁特性が劣化して破壊する事前に、絶縁シートに流れる電流値の特性変化を検知し、その検知結果に応答してパワーモジュールが故障する前に絶縁異常を報知することにより、フェイルセーフ制御を可能にしたパワーモジュールの絶縁劣化検知装置および方法、ならびにパワーモジュールシステムを得ることを目的とする。
この発明に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置は、パワーモジュールの絶縁シートに流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段と、電流値に基づいて、絶縁シートの絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、絶縁シートの破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算手段と、前回のサンプリング時点の電流値を記憶する電流記憶手段と、劣化判定結果に応答して警報を発生する警報手段とを備え、演算手段は、現在のサンプリング時点の電流値が、前回のサンプリング時点の電流値の10倍を超えた場合に、劣化判定結果を出力するものである。
この発明によれば、エポキシ樹脂を封止材とし、絶縁シート構造のパワーモジュールにおいて、絶縁シートに流れる電流値を検出することにより、絶縁シートの劣化を事前に検知することが可能となり、絶縁シートの絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障による不安全性を防止することができ、従来技術では得られない顕著な作用効果を奏することができる。
(実施例1)
以下、図面を参照しながら、この発明の実施例1について詳細に説明する。
まず、この発明の実施例1の適用対象となる絶縁シート構造のパワーモジュールについて説明する。図1および図2はパワーモジュールの構造を模式的に示す断面図であり、図1はトランスファモールド型パワーモジュールを示し、図2はケース型パワーモジュールを示している。
以下、図面を参照しながら、この発明の実施例1について詳細に説明する。
まず、この発明の実施例1の適用対象となる絶縁シート構造のパワーモジュールについて説明する。図1および図2はパワーモジュールの構造を模式的に示す断面図であり、図1はトランスファモールド型パワーモジュールを示し、図2はケース型パワーモジュールを示している。
図1において、トランスファモールド型パワーモジュールは、半導体チップ1と、ヒートスプレッダ2と、絶縁シート3と、銅箔4と、リードフレーム5a、5bと、ボンディングワイヤ6と、エポキシ樹脂7とにより構成されている。
半導体チップ1は、ヒートスプレッダ2上に実装されており、ヒートスプレッダ2の裏面には、絶縁シート3を介して銅箔4が密着されている。絶縁シート3は、ヒートスプレッダ2と銅箔4との間に密着して配置されている。
リードフレーム5aは、ボンディングワイヤ6を介して半導体チップ1に接続され、リードフレーム5bは、ヒートスプレッダ2に直接接続されている。
リードフレーム5aは、ボンディングワイヤ6を介して半導体チップ1に接続され、リードフレーム5bは、ヒートスプレッダ2に直接接続されている。
上記すべての構成要素は、エポキシ樹脂7によってトランスファモールド法で封止されている。
図1の構成により、半導体チップ1から発生した熱は、ヒートスプレッダ2、絶縁シート3および銅箔4を通して外部に放出される。
図1の構成により、半導体チップ1から発生した熱は、ヒートスプレッダ2、絶縁シート3および銅箔4を通して外部に放出される。
図2において、ケース型パワーモジュールは、半導体チップ1と、ヒートスプレッダ2と、絶縁シート3と、端子5と、ボンディングワイヤ6と、封止用のエポキシ樹脂(または、シリコーンゲル)7と、熱可塑性樹脂のケース8と、銅配線板9とにより構成されている。
銅配線板9は、絶縁シート3を介して銅製のヒートスプレッダ2上に載置され、銅配線板9上には、半導体チップ1が実装されるとともに、端子5が接続されている。
絶縁シート3は、半導体チップ1が実装された銅配線板9とヒートスプレッダ2との間に密着して配置されている。
図2の構成により、半導体チップ1から発生した熱は、銅配線板9、絶縁シート3およびヒートスプレッダ2を通して外部に放出される。
絶縁シート3は、半導体チップ1が実装された銅配線板9とヒートスプレッダ2との間に密着して配置されている。
図2の構成により、半導体チップ1から発生した熱は、銅配線板9、絶縁シート3およびヒートスプレッダ2を通して外部に放出される。
図3はこの発明に関連したパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を示す機能ブロック図であり、図1または図2内の絶縁シート3に流れる電流値(電流値の変化)を劣化判定指標として、絶縁シート3の絶縁劣化を検知する場合の構成例を示している。
図3において、パワーモジュールの絶縁劣化検知装置は、絶縁シート3に通電を行う電源Eと、絶縁シート3に流れる電流値iを所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段10と、電流値i(検出値)に基づく劣化判定機能を有する演算手段11と、演算手段11からの劣化判定結果YESに応答して警報駆動を行う警報手段12と、演算手段11の劣化判定に用いられる基準電流irを設定する基準電流設定手段13とを備えている。
電流検出手段10は、図1内のリードフレーム5bおよび銅箔4(または、図2内の端子5およびヒートスプレッダ2)を介して絶縁シート3に流れる電流値iを検出する。
演算手段11は、電流検出手段10で検出された電流値iと、基準電流設定手段13で設定された基準電流irとの比較演算を行い、i>irの関係を満たす場合に、劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
演算手段11は、電流検出手段10で検出された電流値iと、基準電流設定手段13で設定された基準電流irとの比較演算を行い、i>irの関係を満たす場合に、劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
なお、電流検出手段10において、電流値iは、所定の時間間隔でサンプリングされ、演算手段11は、サンプリング時点の電流値iが、絶縁シートの破壊直前の電流値に相当する基準電流irを超えた場合に、劣化判定結果YESを出力する。
警報手段12は、劣化判定結果YESに応答して、音声駆動または発光などにより、パワーモジュールが故障直前(故障発生の数分前〜数10時間前)であることを報知する。
なお、基準電流設定手段13で設定される基準電流irは、絶縁シート3の絶縁劣化時に相当する電流値よりもわずかに小さい電流値に設定されている。また、基準電流irは、事前に実験結果から求めてもよいが、絶縁シート3に印加される電圧、または絶縁シート3の材質あるいは厚さに応じて、任意に設定することができる。
なお、基準電流設定手段13で設定される基準電流irは、絶縁シート3の絶縁劣化時に相当する電流値よりもわずかに小さい電流値に設定されている。また、基準電流irは、事前に実験結果から求めてもよいが、絶縁シート3に印加される電圧、または絶縁シート3の材質あるいは厚さに応じて、任意に設定することができる。
次に、図4および図5の説明図を参照しながら、図3に示した動作原理について説明する。
前述の通り、通常、パワーモジュールは高温高湿環境にさらされており、高温高湿環境で長時間使用されると、吸湿した絶縁シート3は、その電気的特性、機械的特性および熱的特性が劣化し、最終的に絶縁劣化によって絶縁不良を起こす可能性がある。
前述の通り、通常、パワーモジュールは高温高湿環境にさらされており、高温高湿環境で長時間使用されると、吸湿した絶縁シート3は、その電気的特性、機械的特性および熱的特性が劣化し、最終的に絶縁劣化によって絶縁不良を起こす可能性がある。
図4は絶縁シート3に流れる電流値i(log電流)[A]の時間変化を示す説明図であり、高温高湿環境(85℃/85%RH)下で3個のパワーモジュールに高電圧を印加した場合の各測定例を示している。
図4から明らかなように、1点鎖線までの一定時間領域においては、吸湿時間の増加につれて、絶縁シート3に流れる電流値iが徐々に増加するが、一定時間を越えると、電流値iが急激に増加して絶縁シート3が破壊されることが分かる。
また、3個のパワーモジュールの個々のバラツキによって、絶縁破壊時間が異なるものの、絶縁シート3が破壊される直前の電流値変化が急峻であることも分かる。
また、3個のパワーモジュールの個々のバラツキによって、絶縁破壊時間が異なるものの、絶縁シート3が破壊される直前の電流値変化が急峻であることも分かる。
さらに、我々は電流値のサンプリング間隔を短くして電流値を高速に収録することによって、絶縁シート3が破壊される直前の電流値変化を細かく把握することができた。
図5は絶縁シート3が破壊する直前の電流値の測定例を示す説明図であり、時間軸(横軸)において、破壊時刻を「0」に設定している。
図5において、電流値が、あらかじめ設定した所定の閾値を超えたときには、サンプリング間隔は、40ms以下に短く設定されている。
図5から明らかなように、絶縁シート3は、前兆なく破壊するのではなく、破壊する前の5時間程度にわたって、電流値の瞬時的変動が一定時間内で繰り返すことが分かる。すなわち、絶縁シート3が破壊する直前に、数回以上の電流パルスが検出できることが分かる。
図5は絶縁シート3が破壊する直前の電流値の測定例を示す説明図であり、時間軸(横軸)において、破壊時刻を「0」に設定している。
図5において、電流値が、あらかじめ設定した所定の閾値を超えたときには、サンプリング間隔は、40ms以下に短く設定されている。
図5から明らかなように、絶縁シート3は、前兆なく破壊するのではなく、破壊する前の5時間程度にわたって、電流値の瞬時的変動が一定時間内で繰り返すことが分かる。すなわち、絶縁シート3が破壊する直前に、数回以上の電流パルスが検出できることが分かる。
なお、実験結果によれば、絶縁シート3に流れる電流が急激に1桁(10倍)以上増加する現象が現れた時点から、絶縁シート3の絶縁破壊に至るまでには、数分から数10時間だけ要することも判明している。
すなわち、絶縁破壊までの予兆期間は、絶縁シート3が絶縁破壊に至るまでの絶縁劣化期間なので、この絶縁破壊が発生する直前の電流変化の特徴に基づいて、絶縁シート3が破壊する前の絶縁劣化検知が可能なことが分かる。
具体的には、図3による演算手段11は、電流検出手段10で検出された電流値iが急激に増加したタイミングを検知し、電流増加タイミングを絶縁シート3の劣化判定の指標として、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障を未然に検知し、警報手段12を駆動する。
以上のように、図3に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置は、パワーモジュールの絶縁シート3に流れる電流値iを所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段10と、電流値iに基づいて、絶縁シート3の絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、絶縁シート3の破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果YESを出力する演算手段11と、劣化判定結果YESに応答して警報を発生する警報手段12とを備えている。
また、電流値iは、所定の時間間隔でサンプリングされ、演算手段11は、サンプリング時点の電流値iが、絶縁シート3の破壊直前の電流値に相当する基準電流irを超えた場合に、劣化判定結果YESを出力するので、絶縁シート3の劣化を事前に検知することができる。
したがって、絶縁層(絶縁シート)の絶縁特性が劣化して破壊する事前に、絶縁シートに流れる電流値の特性変化を検知し、その検知結果に応答してパワーモジュールが故障する前に異常を報知することにより、フェイルセーフ制御を実現することができる。
すなわち、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障を未然に検知して、直前に対処することができる。
すなわち、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障を未然に検知して、直前に対処することができる。
なお、図3では、演算手段11において、サンプリング時点の電流値iと基準電流irとを比較したが、図6のように、演算手段11Aにおいて、現在のサンプリング時点の電流値inと前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)とを比較することが望ましい。
図6はこの発明の実施例1に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を示す機能ブロック図であり、前述(図3参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「A」を付して詳述を省略する。
図6においては、前述(図3)の基準電流設定手段13に代えて、電流記憶手段14を備えている。
電流記憶手段14は、前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)を記憶して、前回の電流値i(n−1)を演算手段11Aに入力する。
電流記憶手段14は、前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)を記憶して、前回の電流値i(n−1)を演算手段11Aに入力する。
演算手段11Aは、電流検出手段10からの今回サンプリング時点の電流値inと、電流記憶手段14からの前回サンプリング時点の電流値i(n−1)との比較演算を行い、両者の比が10倍を超えたこと「in/i(n−1)>10」を示す場合に、劣化判定結果YESを出力する。
なお、電流検出手段10は、パワーモジュールの使用中において、所定のサンプリング速度で常に絶縁シート3に流れる電流値iをサンプリングし、サンプリングごとの電流値inを演算手段11Aおよび電流記憶手段14に入力している。
電流記憶手段14は、電流検出手段10から各サンプリング時点の電流値を記憶するとともに、現在のサンプリング時点と比べて常に1サンプリング周期前の電流値i(n−1)を演算手段11Aに入力する。
これにより、演算手段11Aは、1サンプリング周期前の電流値i(n−1)と現時点でサンプリングした電流値inとを常に比較することができ、現在の電流値inと前回の電流値i(n−1)との比較結果から、現在の電流値inが、前回の電流値i(n−1)の10倍を超えた場合のみに、絶縁シート3の絶縁劣化状態を判定して、劣化判定結果YES(警報信号)を警報手段12に出力する。
以上のように、この発明の実施例1(図6)に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置は、前回のサンプリング時点の電流値を記憶する電流記憶手段14を備え、演算手段11Aは、現在のサンプリング時点の電流値inが、前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)の10倍を超えた場合に、劣化判定結果YESを出力する。
これにより、前述と同様に、絶縁シート3の劣化を事前に検知することができ、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障を未然に検知することができる。
また、図6内の各手段10、11A、12、14を処理ステップに置き換えれば、同等の作用効果を奏するパワーモジュールの絶縁劣化検知方法を実現することができる。
また、図6内の各手段10、11A、12、14を処理ステップに置き換えれば、同等の作用効果を奏するパワーモジュールの絶縁劣化検知方法を実現することができる。
(実施例2)
なお、上記実施例1(図6)では、演算手段11Aにおいて、現在のサンプリング時点の電流値inと前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)とを比較したが、図7のように、演算手段11Bにおいて、サンプリング時点の電流値iを時間微分(di/dt)した微分電流diと基準微分電流dirとを比較してもよい。
なお、上記実施例1(図6)では、演算手段11Aにおいて、現在のサンプリング時点の電流値inと前回のサンプリング時点の電流値i(n−1)とを比較したが、図7のように、演算手段11Bにおいて、サンプリング時点の電流値iを時間微分(di/dt)した微分電流diと基準微分電流dirとを比較してもよい。
図7はこの発明の実施例2に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を示す機能ブロック図であり、前述(図3)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「B」を付して詳述を省略する。
図7において、パワーモジュールの絶縁劣化検知装置は、電流検出手段10と演算手段11Bとの間に、電流値iを微分して微分電流diを算出する電流微分手段15を備えているとともに、前述(図3)の基準電流設定手段13に代えて、判定基準値となる基準微分電流dirを設定する基準微分電流設定手段16を備えている。
この場合、電流検出手段10は、電流値iを電流微分手段15に入力して、微分電流diを演算手段11Bに入力する。
演算手段11Bは、サンプリング時点の電流値iの微分電流diが基準微分電流dirを超えた場合に、劣化判定結果YESを出力して警報手段12を駆動する。
演算手段11Bは、サンプリング時点の電流値iの微分電流diが基準微分電流dirを超えた場合に、劣化判定結果YESを出力して警報手段12を駆動する。
すなわち、電流検出手段10は、パワーモジュールの使用中において、絶縁シート3に流れる電流値iを検出して電流微分手段15に入力し、電流微分手段15は、微分電流diを算出して演算手段11Bに入力する。
演算手段11Bは、微分電流diと基準微分電流dirとを比較演算し、「di>dir」の関係を満たして、微分電流diが基準微分電流dirを超えた場合のみに、劣化判定結果YES(警報信号)を警報手段12に出力する。
演算手段11Bは、微分電流diと基準微分電流dirとを比較演算し、「di>dir」の関係を満たして、微分電流diが基準微分電流dirを超えた場合のみに、劣化判定結果YES(警報信号)を警報手段12に出力する。
なお、基準微分電流dirは、絶縁シート3に印加される電圧や、絶縁シート3の材質などによっても変動があるが、たとえば図8に示すように、一般的に、10-11[A/sec]以上に設定すればよい。
図8はこの発明の実施例2における高温高湿環境(85℃/85%RH)時に絶縁シートが破壊直前の電流値iの微分値の時間変化(測定例)を示す説明図である。
図8はこの発明の実施例2における高温高湿環境(85℃/85%RH)時に絶縁シートが破壊直前の電流値iの微分値の時間変化(測定例)を示す説明図である。
前述の実験結果(図5)によれば、絶縁シート3が絶縁破壊を起こす直前の絶縁劣化期間における電流値iは、増加および復帰を繰り返しており、各1回の電流の変動(増加)は非常に短い期間で発生するので、この絶縁劣化期間で発生する電流値iの急変動は、微分電流diとして容易に検出することができる。
以上のように、この発明の実施例2に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置は、電流検出手段10で検出した電流値iの微分電流diを算出する電流微分手段15を備え、演算手段11Bは、サンプリング時点の電流値iの微分電流diが基準微分電流dirを超えた場合に、劣化判定結果YESを出力するので、前述と同様に、絶縁シート3の劣化を事前に検知し、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュールの故障を検知することができる。
また、図7内の各手段10、11B、12、15、16を処理ステップに置き換えれば、同等の作用効果を奏するパワーモジュールの絶縁劣化検知方法を実現することができる。
また、図7内の各手段10、11B、12、15、16を処理ステップに置き換えれば、同等の作用効果を奏するパワーモジュールの絶縁劣化検知方法を実現することができる。
(実施例3)
なお、上記実施例1、2(図6、図7)では、パワーモジュールの絶縁劣化検知装置(および方法)について説明したが、前述のパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を用いてパワーモジュールシステムを構成してもよい。
図9はこの発明の実施例3に係るパワーモジュールシステムのパワーモジュール部を模式的に示す断面図であり、前述(図1)と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
なお、上記実施例1、2(図6、図7)では、パワーモジュールの絶縁劣化検知装置(および方法)について説明したが、前述のパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を用いてパワーモジュールシステムを構成してもよい。
図9はこの発明の実施例3に係るパワーモジュールシステムのパワーモジュール部を模式的に示す断面図であり、前述(図1)と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図9において、パワーモジュール20の付近には、前述(図3、図6、図7)の電流検出手段10に代えて、アンテナ21が設置されている。
アンテナ21は、パワーモジュール20から放射される電磁波を電磁波信号Saとして検出することにより、絶縁シート3の電流変化を検出する。
アンテナ21は、パワーモジュール20から放射される電磁波を電磁波信号Saとして検出することにより、絶縁シート3の電流変化を検出する。
図10はこの発明の実施例3に係るパワーモジュールシステムを示すブロック図であり、前述(図3、図6、図7)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「C」を付して詳述を省略する。
図10において、パワーモジュールシステムは、パワーモジュール20およびアンテナ21と、アンテナ21からの電磁波信号Saが入力される演算手段11Cと、演算手段11Cからの劣化判定結果YESによって駆動される警報手段12と、演算手段11Cでの劣化判定基準値となる基準信号Srを設定する基準信号設定手段22とを備えている。
演算手段11Cは、アンテナ21からの電磁波信号Saと、基準信号設定手段22からの基準信号Srとを入力情報として演算処理を行い、絶縁劣化判定時に劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
演算手段11Cは、アンテナ21からの電磁波信号Saと、基準信号設定手段22からの基準信号Srとを入力情報として演算処理を行い、絶縁劣化判定時に劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
次に、前述の図5とともに、図11を参照しながら、図9および図10に示したこの発明の実施例3による動作について説明する。
図5に示した通り、絶縁シート3が絶縁破壊を起こす直前の期間においては、電流値iが増加または復帰を繰り返している。なお、一回の電流変動(増加)は、短い期間で発生するが、この絶縁劣化期間に発生する電流値iの急変動は、電流パルスとして現れるとともに、電磁波を放出する。
図5に示した通り、絶縁シート3が絶縁破壊を起こす直前の期間においては、電流値iが増加または復帰を繰り返している。なお、一回の電流変動(増加)は、短い期間で発生するが、この絶縁劣化期間に発生する電流値iの急変動は、電流パルスとして現れるとともに、電磁波を放出する。
パワーモジュール20内の電流値iの急変動により発生する電磁波は、アンテナ21によって検出され、電磁波信号Saとして演算手段11Cに入力される。
しかし、実際のパワーモジュール20においては、スイッチングONまたはスイッチングOFFによって電圧Vが常時変化しており、電圧変化にともなってノイズが発生するので、電圧変化によるノイズも、アンテナ21によって検出される。
しかし、実際のパワーモジュール20においては、スイッチングONまたはスイッチングOFFによって電圧Vが常時変化しており、電圧変化にともなってノイズが発生するので、電圧変化によるノイズも、アンテナ21によって検出される。
図11(a)、(b)は電圧信号Vと電磁波信号Saとの関係を示すタイミングチャートであり、図11(a)は絶縁シート3に劣化が発生しなかった場合の電圧ON/OFF時の電磁波信号Saの時間変動を示し、図11(b)は絶縁シート3に劣化が発生した場合の電圧ON/OFF時の電磁波信号Saの時間変動を示している。
図11(a)においては、電圧ON時および電圧OFF時にパワーモジュール20の印加電圧Vに急激な変化があり、これに起因したノイズ信号が電磁波信号Saとしてアンテナ21により検出される。
一方、図11(b)における電磁波信号Saは、電圧VのON/OFFに対応したノイズ信号以外に、時刻t1、t2、t3、t4において高レベルのパルス信号が発生する。これは、前述の通り、絶縁シート3の劣化によって生じた電流の急激な変化に対応しており、パワーモジュール20の故障の前兆を示すものである。
一方、図11(b)における電磁波信号Saは、電圧VのON/OFFに対応したノイズ信号以外に、時刻t1、t2、t3、t4において高レベルのパルス信号が発生する。これは、前述の通り、絶縁シート3の劣化によって生じた電流の急激な変化に対応しており、パワーモジュール20の故障の前兆を示すものである。
図11(b)に示すように、電磁波信号Saには、絶縁シート3の劣化に起因して発生する信号以外に、電圧Vの急激な変化によって発生するノイズ信号が含まれるので、パワーモジュール20の故障を検出するためには、電磁波信号Saの中から、絶縁シート3の劣化によって発生した信号のみを抽出する必要がある。
そこで、図10に示すように、演算手段11Cは、基準信号Srを閾値として、劣化によって発生した高レベル信号のみを抽出する。
通常、絶縁シート3に劣化が発生した場合には、アンテナ21において高レベルの電磁波信号Saが検出されるのに対し、電圧Vの急激な変化によって発生するノイズ信号は、図11に示すように低レベルである。
通常、絶縁シート3に劣化が発生した場合には、アンテナ21において高レベルの電磁波信号Saが検出されるのに対し、電圧Vの急激な変化によって発生するノイズ信号は、図11に示すように低レベルである。
したがって、絶縁劣化発生時の電磁波信号Saとノイズ信号との間に閾値レベルを設けることによって、両者を区別することが可能となる。
この場合、閾値レベルは、基準信号設定手段22によって設定した基準信号Srに対応する。
この場合、閾値レベルは、基準信号設定手段22によって設定した基準信号Srに対応する。
すなわち、演算手段11Cは、アンテナ21で検出した電磁波信号Saと、基準信号設定手段22で設定した基準信号Srとを入力情報として、両者の比較演算を行い、Sa>Srの関係が成立した場合のみ、絶縁シート3に劣化が発生したことを示す劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
演算手段11Cから劣化判定結果YES(故障信号)を受けた警報手段12は、パワーモジュール20が故障直前(数分〜数10時間)であることを示す警報を発生することにより、オペレータに対処を促す。
なお、基準信号Srは、事前に実験結果から求めてもよいが、パワーモジュール20の印加電圧Vに応じて、任意に設定してもよい。
なお、基準信号Srは、事前に実験結果から求めてもよいが、パワーモジュール20の印加電圧Vに応じて、任意に設定してもよい。
以上のように、この発明の実施例3(図9、図10)に係るパワーモジュールシステムは、パワーモジュール20から放射される電磁波信号Saを検出するアンテナ21と、絶縁シート3が劣化したことを示す基準信号Srを設定する基準信号設定手段22と、劣化判定結果YESによって駆動される警報手段12と、電磁波信号Saおよび基準信号Srを入力情報として比較演算を行い、電磁波信号Saが基準信号Srを超えた場合のみ、劣化判定結果YESを警報手段12に出力する演算手段11Cとを備えている。
これにより、絶縁シート3の劣化を事前に検知することが可能となり、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュール20の故障を検知することができる。
なお、上記説明では、演算手段11Cから劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、冗長性を持たせて誤動作を回避するために、所定時間内で所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
なお、上記説明では、演算手段11Cから劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、冗長性を持たせて誤動作を回避するために、所定時間内で所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
(実施例4)
なお、上記実施例3(図10)では、演算手段11Cにおいて、電磁波信号Saと基準信号Srとを比較することにより劣化判定信号を生成したが、図12のように、アンテナ21と演算手段11Hとの間にスイッチング信号除去手段23を挿入してもよい。
図12はこの発明の実施例4に係るパワーモジュールシステムを示すブロック図であり、前述(図10)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「H」を付して詳述を省略する。
なお、上記実施例3(図10)では、演算手段11Cにおいて、電磁波信号Saと基準信号Srとを比較することにより劣化判定信号を生成したが、図12のように、アンテナ21と演算手段11Hとの間にスイッチング信号除去手段23を挿入してもよい。
図12はこの発明の実施例4に係るパワーモジュールシステムを示すブロック図であり、前述(図10)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「H」を付して詳述を省略する。
図12において、パワーモジュールシステムは、前述(図10)の演算手段11Cに代えて、スイッチング信号除去手段23および演算手段11Hを備えている。
スイッチング信号除去手段23は、アンテナ21から入力される電磁波信号Saの中から、電圧VのON/OFFに起因して発生したノイズ信号のみを除去し、絶縁シート3の劣化時に放出される電磁波信号Sbのみを抽出して演算手段11Hに入力する。
スイッチング信号除去手段23は、アンテナ21から入力される電磁波信号Saの中から、電圧VのON/OFFに起因して発生したノイズ信号のみを除去し、絶縁シート3の劣化時に放出される電磁波信号Sbのみを抽出して演算手段11Hに入力する。
次に、図13を参照しながら、図12に示したこの発明の実施例4による動作について説明する。
まず、前述と同様に、パワーモジュール20の付近に設置されたアンテナ21は、パワーモジュール20から放出される電磁波を検出して電磁波信号Saとしてスイッチング信号除去手段23に入力する。
まず、前述と同様に、パワーモジュール20の付近に設置されたアンテナ21は、パワーモジュール20から放出される電磁波を検出して電磁波信号Saとしてスイッチング信号除去手段23に入力する。
スイッチング信号除去手段23は、電磁波信号Saの中から、絶縁シート3の劣化とは無関係の信号(回路電圧VのON/OFFに起因して発生したノイズ信号)を除去し、絶縁シート3の故障時に発生する電磁波信号Sbのみを演算手段11Hに入力する。
図13は電圧VのON/OFFに起因したノイズ信号を除去した後の電磁波信号Sbを示すタイミングチャートである。
図13は電圧VのON/OFFに起因したノイズ信号を除去した後の電磁波信号Sbを示すタイミングチャートである。
演算手段11Hは、スイッチング信号除去手段23を介して電磁波信号Sbと、基準信号設定手段22で設定した基準信号Srとを入力情報として、両者の比較演算を行い、Sb>Srの関係が成立した場合のみ、絶縁シート3に劣化が発生したことを示す劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
なお、基準信号Srは、事前に実験結果から求めてもよいが、パワーモジュール20の印加電圧Vに応じて、任意に設定してもよい。
なお、基準信号Srは、事前に実験結果から求めてもよいが、パワーモジュール20の印加電圧Vに応じて、任意に設定してもよい。
以上のように、この発明の実施例4(図12)に係るパワーモジュールシステムは、パワーモジュール20から放射する電磁波信号Saを検出するアンテナ21と、絶縁シート3の劣化とは無関係の回路電圧VのON/OFFに起因して発生したノイズ信号を除去するスイッチング信号除去手段23と、基準信号設定手段22と、劣化判定結果YESによって駆動される警報手段12と、スイッチング信号を除去した電磁波信号Sbが基準信号Srを超えた場合のみ、故障信号を警報手段12に出力する演算手段11Hとを備えている。
これにより、絶縁シート3の劣化を事前に検知することが可能となり、絶縁シート3の絶縁劣化に起因したパワーモジュール20の故障を検知することができる。
なお、上記説明では、劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、所定時間内で所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
なお、上記説明では、劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、所定時間内で所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
(実施例5)
なお、上記実施例1、2(図6、図7)では、絶縁シート3に流れる電流値iを検出する電流検出手段10を用いたが、図14に示すように、パワーモジュール20の主回路に流れる電流信号iaを高速に検出する高速電流検出手段25を用いてもよい。
図14はこの発明の実施例5に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を示すブロック図であり、前述と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「D」を付して詳述を省略する。また、パワーモジュール20の構成は、図9に示した通りである。
なお、上記実施例1、2(図6、図7)では、絶縁シート3に流れる電流値iを検出する電流検出手段10を用いたが、図14に示すように、パワーモジュール20の主回路に流れる電流信号iaを高速に検出する高速電流検出手段25を用いてもよい。
図14はこの発明の実施例5に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知装置を示すブロック図であり、前述と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「D」を付して詳述を省略する。また、パワーモジュール20の構成は、図9に示した通りである。
図14において、高速電流検出手段25は、パワーモジュール20の主回路に接続されて、電流信号iaを検出する。
信号処理手段26は、高速電流検出手段25からの電流信号iaと、基準周波数設定手段27で設定された基準周波数frとを入力情報として信号処理を行い、電流信号iaの中の基準周波数fr以上の電流信号ip(高周波パルス信号)のみを通過させて、演算手段11Dに入力する。
信号処理手段26は、高速電流検出手段25からの電流信号iaと、基準周波数設定手段27で設定された基準周波数frとを入力情報として信号処理を行い、電流信号iaの中の基準周波数fr以上の電流信号ip(高周波パルス信号)のみを通過させて、演算手段11Dに入力する。
演算手段11Dは、信号処理手段26を介した電流信号ipと、基準電流設定手段13Dで設定された基準電流iprとを入力情報として演算処理を行い、電流信号ipが基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果YESを警報手段12に入力する。
次に、図5とともに、図15および図16を参照しながら、図14に示したこの発明の実施例5による動作について説明する。
前述(図5)と同様に、絶縁シート3が絶縁破壊を起こす直前の期間においては、電流信号iaが増加または復帰を繰り返している。なお、一回の電流信号iaの変動(増加)は、非常に短い期間で発生するので、この絶縁劣化期間に発生する電流信号iaの急変動は電流パルスとして現れる。
電流信号iaの急変動は、主回路に設けられている高速電流検出手段25によって検出される。
前述(図5)と同様に、絶縁シート3が絶縁破壊を起こす直前の期間においては、電流信号iaが増加または復帰を繰り返している。なお、一回の電流信号iaの変動(増加)は、非常に短い期間で発生するので、この絶縁劣化期間に発生する電流信号iaの急変動は電流パルスとして現れる。
電流信号iaの急変動は、主回路に設けられている高速電流検出手段25によって検出される。
図15(a)、(b)は主回路に印加される電圧信号Vと高速電流検出手段25で検出された電流信号iaとの関係を示すタイミングチャートであり、図15(a)は絶縁シート3に劣化が発生しなかった場合の電圧ON/OFF時の電流信号iaの時間変動を示し、図15(b)は絶縁シート3に劣化が発生した場合の電圧ON/OFF時の電流信号iaの時間変動を示している。
図15(a)においては、印加電圧VがONされた時刻t1、t3と、印加電圧VがOFFされた時刻t2とで、印加電圧Vの急激な変化があり、これに起因して時刻t1、t2、t3で急変する電流信号iaが高速電流検出手段25により検出される。
図15(b)において、電流信号iaには、電圧ON/OFFによる矩形信号に対応した信号に加えて、各時刻t1、t2、t3での急激な電流変化に対応したノイズ信号のみならず、たとえば時刻t4で発生する高レベルのパルス信号が含まれる。これは、前述の通り、絶縁シート3の劣化によって生じた電流信号iaの急激な変化に対応しており、パワーモジュール20の故障の前兆を示している。
図15(b)において、電流信号iaには、電圧ON/OFFによる矩形信号に対応した信号に加えて、各時刻t1、t2、t3での急激な電流変化に対応したノイズ信号のみならず、たとえば時刻t4で発生する高レベルのパルス信号が含まれる。これは、前述の通り、絶縁シート3の劣化によって生じた電流信号iaの急激な変化に対応しており、パワーモジュール20の故障の前兆を示している。
図16は信号処理手段26の入出力信号(電流信号ia、ip)を示すタイミングチャートであり、高速電流検出手段25からの電流信号iaと、信号処理手段26を通過後の電流信号ipとの関係を示している。
図16において、信号処理手段26を通過した後の電流信号ipは、電流信号iaの中から低周波成分が除去されて、高周波パルス信号のみとなっている。
図16において、信号処理手段26を通過した後の電流信号ipは、電流信号iaの中から低周波成分が除去されて、高周波パルス信号のみとなっている。
図14に示した通り、高速電流検出手段25の後段に配置された信号処理手段26は、電流信号iaのうち、基準周波数設定手段27で設定された基準周波数fr以上の電流信号ip(高周波パルス信号)のみを通過させるように処理を行う。
この結果、絶縁シート3の劣化に対応した電流信号(高周波パルス)と、パワーモジュール20の主回路の電圧スイッチングに対応した電流信号とが、高周波数成分の電流信号ipとして抽出される。
この結果、絶縁シート3の劣化に対応した電流信号(高周波パルス)と、パワーモジュール20の主回路の電圧スイッチングに対応した電流信号とが、高周波数成分の電流信号ipとして抽出される。
なお、図16から明らかなように、絶縁劣化に起因した高周波パルスのレベルは、電圧ON/OFFに起因したパルス信号のレベルよりも大きいので、両者の中間レベルに閾値を設定することにより、両者を分離することができる。
したがって、演算手段11Dは、基準電流設定手段13Dで設定した基準電流iprを閾値として、両者を区別する。
したがって、演算手段11Dは、基準電流設定手段13Dで設定した基準電流iprを閾値として、両者を区別する。
すなわち、演算手段11Dは、電流信号ipと基準電流設定手段13Dで設定した基準電流iprとを入力情報として両者の比較演算を行い、ip>iprの関係が成立した場合のみ、絶縁シート3に劣化が発生したことを示す劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
演算手段11Dから劣化判定結果YES(故障信号)を受けた警報手段12は、パワーモジュール20が故障直前(数分〜数10時間)であることを示す警報を発生することにより、オペレータに対処を促す。
なお、基準電流iprは、事前に実験結果から求めてもよいが、パワーモジュール20の印加電圧Vに応じて、任意に設定してもよい。
演算手段11Dから劣化判定結果YES(故障信号)を受けた警報手段12は、パワーモジュール20が故障直前(数分〜数10時間)であることを示す警報を発生することにより、オペレータに対処を促す。
なお、基準電流iprは、事前に実験結果から求めてもよいが、パワーモジュール20の印加電圧Vに応じて、任意に設定してもよい。
以上のように、この発明の実施例5(図9、図14)によれば、パワーモジュール20の主回路に接続される高速電流検出手段25と、基準周波数frを設定する基準周波数設定手段27と、高速電流検出手段25からの電流信号iaと基準周波数frとを入力情報として信号処理を行い、基準周波数fr以上の電流信号ipのみを通過させる信号処理手段26と、基準電流iprを設定する基準電流設定手段13Dと、劣化判定結果YESによって駆動される警報手段12と、電流信号ipが基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果YESを警報手段12に出力する演算手段11Dとを備えている。
これにより、絶縁シート3の劣化を事前に検知することが可能となり、絶縁シートの絶縁劣化に起因するパワーモジュールの故障を検知することができる。
なお、上記説明では、劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、所定時間内で所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
なお、上記説明では、劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、所定時間内で所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
(実施例6)
なお、上記実施例5(図14)では、演算手段11Dにおいて、信号処理手段26を介した電流信号ipを基準電流iprと比較したが、図17に示すように、信号抽出手段29により電流信号ipの一部を除去した電流信号ipgを基準電流iprと比較してもよい。
なお、上記実施例5(図14)では、演算手段11Dにおいて、信号処理手段26を介した電流信号ipを基準電流iprと比較したが、図17に示すように、信号抽出手段29により電流信号ipの一部を除去した電流信号ipgを基準電流iprと比較してもよい。
図17はこの発明の実施例6に係るパワーモジュールの絶縁劣化検知方法を説明するためのブロック図であり、前述と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「F」を付して詳述を省略する。また、パワーモジュール20の構成は、図9に示した通りである。
図17において、信号処理手段26と演算手段11Fとの間には、信号抽出手段29が挿入されている。
また、演算手段11Fおよび信号抽出手段29に関連した回路要素として、電圧検出手段30と、電圧微分手段31と、基準微分電圧設定手段32と、除去期間演算手段33とを備えている。
また、演算手段11Fおよび信号抽出手段29に関連した回路要素として、電圧検出手段30と、電圧微分手段31と、基準微分電圧設定手段32と、除去期間演算手段33とを備えている。
電圧検出手段30は、パワーモジュール20の主回路に印加される印加電圧を電圧信号Vとして検出し、電圧微分手段31は、電圧信号Vを時間微分(dV/dt)して微分電圧dVを算出する。
基準微分電圧設定手段32は、除去期間演算手段33での判定基準値となる基準微分電圧dVrを設定する。
基準微分電圧設定手段32は、除去期間演算手段33での判定基準値となる基準微分電圧dVrを設定する。
除去期間演算手段33は、微分電圧dVおよび基準微分電圧dVrを入力情報として比較演算を行い、微分電圧dVが基準微分電圧dVrを超えた期間Δtのみにおいて除去信号Gを生成する。
信号抽出手段29は、電流信号ipおよび除去信号Gを入力情報として演算処理を行い、除去信号Gの生成期間Δtにおける電流信号ipを除去して、新しい電流信号ipgを演算手段11Fに入力する。
信号抽出手段29は、電流信号ipおよび除去信号Gを入力情報として演算処理を行い、除去信号Gの生成期間Δtにおける電流信号ipを除去して、新しい電流信号ipgを演算手段11Fに入力する。
演算手段11Fは、基準電流設定手段13Dで設定した基準電流iprと電流信号ipgとを入力情報として演算処理を行い、電流信号ipgが基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果YESを警報手段12に出力する。
以下、警報手段12の動作は、前述の実施例1〜4で述べた通りである。
以下、警報手段12の動作は、前述の実施例1〜4で述べた通りである。
次に、図18(a)、(b)を参照しながら、図17に示したこの発明の実施例6による動作原理について説明する。
図18(a)は、パワーモジュール20の主回路に印加される電圧信号Vと信号処理手段26からの電流信号ipとの関係を示すタイミングチャートである。
図18(a)は、パワーモジュール20の主回路に印加される電圧信号Vと信号処理手段26からの電流信号ipとの関係を示すタイミングチャートである。
図18(a)に示す通り、各時刻t1、t2、t3において、印加電圧のスイッチングに対応して電圧信号VがON/OFFされ、これに起因したノイズ信号が電流信号ipに重畳されるが、このときのノイズレベルが比較的大きく、時刻t4(絶縁シート3の劣化に対応)における電流信号ipとのレベル差が非常に小さい場合があり得る。
図18(a)のようにノイズレベルが高い場合には、前述(図14)の演算手段11Dで比較判定しようとすると、ノイズレベルが基準電流iprを超えて誤判定を招く可能性がある。
そこで、この発明の実施例6(図17)においては、信号抽出手段29を設け、図18(b)に示す電流信号ipgを生成することにより、高信頼性の絶縁劣化判定を実現している。
そこで、この発明の実施例6(図17)においては、信号抽出手段29を設け、図18(b)に示す電流信号ipgを生成することにより、高信頼性の絶縁劣化判定を実現している。
図18(b)は電流信号ip、微分電圧dV、除去信号Gおよび新しい電流信号ipgの関係を示すタイミングチャートであり、除去期間演算手段33および信号抽出手段29の機能に対応した動作を示している。
なお、図18(b)では、図18(a)の横軸(時間t)を約10倍に拡大して示している。
なお、図18(b)では、図18(a)の横軸(時間t)を約10倍に拡大して示している。
図18(b)に示すように、除去期間演算手段33には、電流信号ip(高周波パルス信号)とほぼ近似した波形の微分電圧dVと、基準微分電圧Vrとが入力され、除去期間演算手段33は、微分電圧dVが基準微分電圧dVrを超えた期間Δtのみにおいて、除去信号Gを生成する。
つまり、除去信号Gが生成される期間Δtは、電圧信号VのON/OFF時におけるノイズ信号の発生期間に対応する。
つまり、除去信号Gが生成される期間Δtは、電圧信号VのON/OFF時におけるノイズ信号の発生期間に対応する。
信号抽出手段29は、除去信号Gが入力されると、電流信号ipから除去信号Gの期間Δtのみの信号を除去して新しい電流信号ipgを生成する。
図18(b)から明らかなように、信号抽出手段29からの新しい電流信号ipgは、時刻t1におけるノイズ信号の発生期間がカットされて、時刻t4の信号レベルのみが抽出された波形となる。
したがって、演算手段11Fは、誤判定することなく、高信頼性の劣化判定結果YESを簡単に生成することができる。
図18(b)から明らかなように、信号抽出手段29からの新しい電流信号ipgは、時刻t1におけるノイズ信号の発生期間がカットされて、時刻t4の信号レベルのみが抽出された波形となる。
したがって、演算手段11Fは、誤判定することなく、高信頼性の劣化判定結果YESを簡単に生成することができる。
以上のように、この発明の実施例6(図17、図18)によれば、パワーモジュール20の主回路に接続されて電流信号iaを検出する高速電流検出手段25と、基準周波数frを設定する基準周波数設定手段27と、電流信号iaのうち基準周波数fr以上の電流信号ipのみを通過させる信号処理手段26と、パワーモジュール20の主回路への印加電圧を電圧信号Vとして検出する電圧検出手段30と、電圧信号Vを微分して微分電圧dVを算出する電圧微分手段31と、基準微分電圧dVrを設定する基準微分電圧設定手段32と、微分電圧dVが基準微分電圧dVrを超えた期間Δtのみにおいて除去信号Gを出力する除去期間演算手段33と、除去信号Gの期間Δtにおける電流信号ipを除去して新しい電流信号ipgを出力する信号抽出手段29と、基準電流iprを設定する基準電流設定手段13Dと、電流信号ipgが基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果YESを警報手段12に出力する演算手段11Fとを備えている。
これにより、絶縁シート3の劣化を事前に検知することが可能となり、絶縁シート3の絶縁劣化に起因するパワーモジュール20の故障を検知することができる。
なお、上記説明では、劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、所定時間内で、所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
なお、上記説明では、劣化判定結果YESを受けた警報手段12は、直ちに警報を発生するようにしたが、所定時間内で、所定回数の劣化判定結果YESを受けた時点で、警報を発生してもよいことは言うまでもない。
また、上記実施例1〜6のいずれのパワーモジュールの絶縁劣化検知装置においても、各手段を処理ステップに置き換えれば、同等の作用効果を奏するパワーモジュールの絶縁劣化検知方法を実現することができる。
さらに、この発明に係るパワーモジュールシステムは、上記実施例1〜6のいずれの構成を適用することも可能であり、任意の絶縁劣化検知装置と、パワーモジュール20の主回路から給電される半導体チップ1と、半導体チップ1を載置するヒートスプレッダ2と、ヒートスプレッダ2の裏面に重ね配置された絶縁シート3とを備えていればよい。
さらに、この発明に係るパワーモジュールシステムは、上記実施例1〜6のいずれの構成を適用することも可能であり、任意の絶縁劣化検知装置と、パワーモジュール20の主回路から給電される半導体チップ1と、半導体チップ1を載置するヒートスプレッダ2と、ヒートスプレッダ2の裏面に重ね配置された絶縁シート3とを備えていればよい。
1 半導体チップ、2 ヒートスプレッダ、3 絶縁シート、7 エポキシ樹脂、10 電流検出手段、11、11A、11B、11C、11D、11F、11H 演算手段、12 警報手段、13、13D 基準電流設定手段、14 電流記憶手段、15 電流微分手段、20 パワーモジュール、21 アンテナ、22 基準信号設定手段、23 スイッチング信号除去手段、25 高速電流検出手段、26 信号処理手段、27 基準周波数設定手段、29 信号抽出手段、30 電圧検出手段、31 電圧微分手段、32 基準微分電圧設定手段、33 除去期間演算手段、di 微分電流、dir 基準微分電流、dV 微分電圧、dVr 基準微分電圧、E 電源、fr 基準周波数、G 除去信号、i 電流値、ia、ip、ipg 電流信号、in 今回の電流値、i(n−1) 前回の電流値、ir、ipr 基準電流、Sa 電磁波信号、Sb 電磁波信号、Sr 基準信号、V 電圧信号(パワーモジュールの印加電圧)、Vr 基準微分電圧、YES 劣化判定結果、Δt 除去信号の期間。
この発明は、絶縁樹脂層(絶縁シート)を有するパワーモジュールにおいて、高温吸湿による絶縁シートの劣化を事前に検知することのできるパワーモジュールおよびその絶縁劣化検知方法に関するものである。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、エポキシ樹脂を封止材とする絶縁シート構造のトランスファモールド型のパワーモジュールまたはシリコーンゲル(または、エポキシ樹脂)を封止材とするケース型パワーモジュールにおいて、絶縁層(絶縁シート)の絶縁特性が劣化して破壊する事前に、絶縁シートに流れる電流値の特性変化を検知し、その検知結果に応答してパワーモジュールが故障する前に絶縁異常を報知することにより、フェイルセーフ制御を可能にしたパワーモジュールおよびその絶縁劣化検知方法を得ることを目的とする。
この発明に係るパワーモジュールは、樹脂層の絶縁シートを通して熱が外部に放出され、樹脂により封止された絶縁シートに流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段と、電流値に基づいて、絶縁シートの絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を、絶縁破壊までの予兆期間の絶縁破壊が発生する直前の電流変化の特徴に基づいて判定し、絶縁シートの破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算手段と、前回のサンプリング時点の電流値を記憶する電流記憶手段と、劣化判定結果に応答して警報を発生する警報手段とを備えたものである。
Claims (14)
- パワーモジュールの絶縁シートに流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段と、
前記電流値に基づいて、前記絶縁シートの絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、前記絶縁シートの破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算手段と、
前回のサンプリング時点の電流値を記憶する電流記憶手段と、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報手段とを備え、
前記演算手段は、現在のサンプリング時点の電流値が、前記前回のサンプリング時点の電流値の10倍を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とするパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。 - パワーモジュールの絶縁シートに流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出手段と、
前記電流値に基づいて、前記絶縁シートの絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、前記絶縁シートの破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算手段と、
前記電流値を微分して微分電流を算出する電流微分手段と、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報手段とを備え、
前記演算手段は、サンプリング時点の微分電流の値が所定値を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とするパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。 - パワーモジュールの絶縁シートに流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出ステップと、
前記電流値に基づいて、前記絶縁シートの絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、前記絶縁シートの破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算ステップと、
前回のサンプリング時点の電流値を記憶する電流記憶ステップと、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報ステップとを備え、
前記演算ステップは、サンプリング時点の電流値が、前記前回のサンプリング時点の電流値の10倍を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とするパワーモジュールの絶縁劣化検知方法。 - パワーモジュールの絶縁シートに流れる電流値を所定の時間間隔でサンプリングして検出する電流検出ステップと、
前記電流値に基づいて、前記絶縁シートの絶縁特性が劣化して破壊する直前の状態を判定し、前記絶縁シートの破壊直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算ステップと、
前記電流値を微分して微分電流を算出する微分ステップと、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報ステップとを備え、
前記演算ステップは、サンプリング時点の微分電流の値が所定値を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とするパワーモジュールの絶縁劣化検知方法。 - パワーモジュールから放射する電磁波信号を検出するアンテナと、
絶縁シートが劣化したことを示す劣化判定基準値となる基準信号を設定する基準信号設定手段と、
前記絶縁シートが破壊する直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算手段と、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報手段とを備え、
前記演算手段は、前記電磁波信号が前記基準信号を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とするパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。 - 前記演算手段は、前記アンテナで検出した電磁波信号から、前記絶縁シートの劣化とは無関係の回路電圧ON/OFFに起因して発生したノイズ信号を除去した後の電磁波信号が前記基準信号を超えた場合に、劣化判定結果を出力することを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。
- パワーモジュールの主回路に接続される高速電流検出手段と、
基準周波数を設定する基準周波数設定手段と、
前記基準周波数以上の電流信号ipのみを通過させる信号処理手段と、
基準電流iprを設定する基準電流設定手段と、
前記電流信号ipおよび前記基準電流iprを入力情報として演算処理を行い、前記電流信号ipが前記基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果を出力する演算手段と、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報手段と
を備えたパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。 - 前記演算手段は、
前記パワーモジュールの主回路に印加される電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧信号を微分して微分電圧を算出する電圧微分手段と、
基準微分電圧を設定する基準微分電圧設定手段とを備え、
前記微分電圧が前記基準微分電圧を超えた期間Δtのみにおいて前記信号処理手段からの電流信号ipを除去して、新しい電流信号ipgを得るとともに、
前記電流信号ipgと基準電流iprとの演算処理を行い、前記電流信号ipgが前記基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果を前記警報手段に出力することを特徴とする請求項7に記載のパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。 - パワーモジュールから放射する電磁波信号を検出する信号検出ステップと、
絶縁シートが劣化したことを示す劣化判定基準値となる基準信号を設定する基準信号設定ステップと、
前記絶縁シートが破壊する直前の状態を判定したときに劣化判定結果を出力する演算ステップと、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報ステップとを備え、
前記演算ステップは、前記電磁波信号が前記基準信号を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とするパワーモジュールの絶縁劣化検知方法。 - 前記演算ステップは、前記信号検出ステップで検出した電磁波信号から、前記絶縁シートの劣化とは無関係の回路電圧ON/OFFに起因して発生したノイズ信号を除去した後の電磁波信号が前記基準信号を超えた場合に、前記劣化判定結果を出力することを特徴とする請求項9に記載のパワーモジュールの絶縁劣化検知方法。
- パワーモジュールの主回路に接続される高速電流検出ステップと、
基準周波数設定ステップと、
前記基準周波数設定ステップで設定した基準周波数以上の電流信号ipのみを通過させる信号処理ステップと、
基準電流設定ステップと、
前記電流信号ipと前記基準電流設定ステップで設定した基準電流iprとを入力情報として演算処理を行い、前記電流信号ipが前記基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果を出力する演算ステップと、
前記劣化判定結果に応答して警報を発生する警報ステップと、
を備えたパワーモジュールの絶縁劣化検知方法。 - 前記演算ステップは、
前記パワーモジュールの主回路に印加される電圧信号を検出する電圧検出ステップと、
前記電圧信号を微分して微分電圧を算出する微分ステップと、
基準微分電圧を設定する基準微分電圧設定ステップとを備え、
前記微分電圧が前記基準微分電圧を超えた期間Δtのみにおいて前記信号処理ステップからの電流信号ipを除去して、新しい電流信号ipgを得るとともに、
前記電流信号ipgと基準電流iprとの演算処理を行い、前記電流信号ipgが前記基準電流iprを超えたときのみ、劣化判定結果を出力して前記警報ステップを有効化することを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュールの絶縁劣化検知方法。 - 前記警報手段は、所定時間内で所定回数の故障信号を受けると、警報を発生することを特徴とする請求項1または請求項2、または請求項5から請求項8までのいずれか1項に記載のパワーモジュールの絶縁劣化検知装置。
- 請求項1または請求項2、または請求項5から請求項8までのいずれか1項、または請求項13に記載のパワーモジュールの絶縁劣化検知装置と、
前記パワーモジュールの主回路から給電される半導体チップと、
前記半導体チップを載置するヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの裏面に重ね配置された絶縁シートと
を備えたパワーモジュールシステム。
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