JPWO2020250445A1 - 電力変換装置、半導体チップの寿命診断装置、及び半導体チップの寿命診断方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置1の構成を示すブロック図である。電力変換装置1は、図1に示すように、整流回路10と、インバータ回路11と、平滑コンデンサ13と、制御部14と、ゲート駆動回路15とを備えている。電力変換装置1は、負荷である電動機3に駆動電力である交流電力18を供給する装置である。
VGE(N):IGBT(N)に印加するゲート電圧
VCE(P):IGBT(P)のエミッタとコレクタとの間に生じる電圧
VCE(N):IGBT(N)のエミッタとコレクタとの間に生じる電圧
IC(P):IGBT(P)に流れる電流(コレクタ電流)
IC(N):IGBT(N)に流れる電流(コレクタ電流)
VPN:IGBT(P)とIGBT(N)の直列回路部に印加される直流電圧
なお、以下の説明において、VPNは、実効値220Vの交流電圧を整流して得られる311Vであるとする。
IGBT(P)をVGE(P1)で、IGBT(N)をVGE(N1)でオンする。ここで、VGE(P1)とVGE(N1)との間には、VGE(P1)>VGE(N1)の関係がある。また、VGE(P1)は、VPNの電圧でIC(P)が飽和しない図5の飽和領域で使用できる電圧とする。図5に示されるように、ICは、VGEで制御可能である。なお、一般的にVGE(P1)は、15V程度である。また、VGE(N1)は、所望のIC(N1)=IC(P1)が得られる電圧とする。VGE(N1)の一例は、10Vである。また、IC(N1)(=IC(P1))の一例は、定格電流の40%値である。制御部14は、IGBT(P)にIC(P1)が流れているときのIGBT(P)におけるVCE(P)を測定し、測定した値をVCE(sat)1とする。VCE(P)の測定は、図示を省略した電圧検出器を用いて行う。なお、一般的にインバータ回路11に既設されている電圧検出器を用いてもよい。以降の説明においても同様である。
次に、IGBT(P)をVGE(P2)でオンし、IGBT(N)をVGE(N2)でオンする。このとき、VGE(P2)とVGE(N2)と間には、VGE(P2)<VGE(N2)の関係がある。また、VGE(N2)は、VPNの電圧でICが飽和しない図5の飽和領域で使用できる電圧とする。図5に示されるように、ICはVGEで制御可能である。なお、一般的にVGE(N2)は、15V程度である。また、VGE(P2)は、所望のIC(P2)が得られる電圧とする。VGE(P2)の一例は、9Vである。また、IC(P2)(=IC(N2))の一例は、定格電流の70%値である。また、このパワー印加フェーズにおいて、IGBT(P)に印加される電力は、IC(P2)×VCE(P2)で求められる。
この測定フェーズは、(ii)のフェーズにおいてIGBT(P)に電力を印加して電力を消費させ、その後に(i)の測定フェーズと同じ条件でIGBT(P)におけるVCE(P)を測定することを意図している。なお、測定の条件は、(i)と同じであり、ここでの説明は割愛する。測定値はVCE(sat)2とされる。VCE(sat)2の値は、制御部14のメモリ14bに記憶される。なお、IGBTの特性上、VCE(sat)1とVCE(sat)2との間には、VCE(sat)1>VCE(sat)2の関係がある。
このフェーズでは、次式を用いて、IGBT(P)の熱抵抗Rthが算出される。
Rth=[(VCE(sat)2−VCE(sat)1)/m1]/(IC(P2)×VCE(P2))…(1)
なお、m1は、前述したVCE(sat)カーブの傾きである。
この診断フェーズでは、上記(1)式で算出された熱抵抗が初期値の熱抵抗と比較される。制御部14は、熱抵抗の算出値が、第1の設定値よりも大きくなった場合に、IGBT(P)が寿命に達したと診断する。また、制御部14は、熱抵抗の算出値が、第2の設定値よりも大きくなった場合に、IGBT(P)は異常レベルにあると診断する。第2の設定値は、第1の設定値よりも小さな値である。また、制御部14は、第1の設定値と熱抵抗の算出値との差分に基づいて、IGBT(P)の寿命を予測する。第1の設定値と熱抵抗の算出値との差分は、劣化の度合いを表すものである。このため、差分の推移を把握することにより、寿命の予測が可能になる。
実施の形態1では、第1及び第2の半導体チップの温度特性がIGBTのコレクタ・エミッタ間飽和電圧である場合について説明した。これに対し、実施の形態2では、第1及び第2の半導体チップの温度特性がIGBTのゲート・エミッタ間しきい値電圧である場合について説明する。
IGBT(N)をVGE(N1)でオンすると共に、IGBT(P)に印加するVGEを増加させてIGBT(P)にIC(P)を流し、IC(P)がIC(P1)になるときのVGE(P)を測定する。なお、IC(P)が、設定値であるIC(P1)になるか否かの確認は、図示を省略した電流検出器を用いて行う。なお、一般的にインバータ回路11に既設されている電流検出器を用いてもよい。以降の説明においても同様である。なお、電流検出器は、図7の回路図において、高電位側の直流母線16又は低電位側の直流母線17に配置されていてもよい。或いは、図7のIGBT(P)とIGBT(N)とからなるレグにおいて、高電位側の直流母線16とIGBT(P)のコレクタとの間、又はIGBT(P)のエミッタと、IGBT(P)における駆動回路15bの低電位側の接続点との間に配置されていてもよい。或いは、IGBT(P)における駆動回路15bの低電位側の接続点と、IGBT(N)のコレクタとの間、又はIGBT(N)のエミッタと、IGBT(N)における駆動回路15bの低電位側の接続点との間に配置されていてもよい。或いは、IGBT(N)における駆動回路15bの低電位側の接続点と、低電位側の直流母線17との間に配置されていてもよい。
次に、IGBT(N)のゲート端子に印加されているVGE(N1)を維持してIGBT(N)をオンし続けると共に、IGBT(P)のゲート端子にVGE(P2)を印加してIGBT(P)にIC(P2)(=IC(N2))の電流を流す。このとき、VGE(P2)とVGE(N1)と間には、VGE(P2)<VGE(N1)の関係がある。VGE(P2)は、所望のIC(P2)が得られる電圧とする。VGE(P2)の一例は、9[V]程度である。また、IC(P2)(=IC(N2))は、5〜10A程度の範囲の電流である。このパワー印加期間において、IGBT(P)に印加される電力は、IC(P2)×VCE(P2)で求められる。なお、図11では、IC(P1)とIC(P2)との間に、IC(P1)<IC(P2)の関係がある場合を例示しているが、この例に限定されず、IC(P1)≧IC(P2)の関係であってもよい。即ち、IC(P1)とIC(P2)との大小関係は、不問である。また、図11では、VGE(P2)と、(i)のフェーズで測定したVGE(th)1との間に、VGE(P2)>VGE(th)1の関係がある場合を例示しているが、この例に限定されず、VGE(P2)≦VGE(th)1の関係であってもよい。即ち、VGE(P2)とVGE(th)1との大小関係は、不問である。
この測定フェーズは、(ii)のフェーズにおいてIGBT(P)に電力を印加して電力を消費させ、その後に(i)の測定フェーズと同じ条件でIGBT(P)におけるVGE(P)を測定することを意図している。なお、測定の条件は、(i)と同じであり、ここでの説明は割愛する。測定値はVGE(th)2とされ、VGE(th)2の値は、制御部14のメモリ14bに記憶される。なお、IGBTの特性上、VGE(th)1とVGE(th)2との間には、VGE(th)1>VGE(th)2の関係がある。また、図11では、VGE(P2)と、(i)のフェーズで測定したVGE(th)2との間に、VGE(P2)>VGE(th)2の関係がある場合を例示しているが、この例に限定されず、VGE(P2)≦VGE(th)2の関係であってもよい。即ち、VGE(P2)とVGE(th)2との大小関係は、不問である。
このフェーズでは、次式を用いて、IGBT(P)の熱抵抗Rthが算出される。
Rth=[(VGE(th)2−VGE(th)1)/m2]/(IC(P2)×VCE(P2))…(2)
なお、m2は、前述したVGE(th)カーブの傾きである。
この診断フェーズでは、上記(2)式で算出された熱抵抗が初期値の熱抵抗と比較される。制御部14は、熱抵抗の算出値が、第3の設定値よりも大きくなった場合に、IGBT(P)が寿命に達したと診断する。また、制御部14は、熱抵抗の算出値が、第4の設定値よりも大きくなった場合に、IGBT(P)は異常レベルにあると診断する。第4の設定値は、第3の設定値よりも小さな値である。また、制御部14は、第3の設定値と熱抵抗の算出値との差分に基づいて、IGBT(P)の寿命を予測する。なお、第3の設定値に代えて、実施の形態1で用いた第1の設定値を使用してもよい。また、第4の設定値に代えて、実施の形態1で用いた第2の設定値を使用してもよい。
図13は、実施の形態3における寿命診断手法の説明に供する熱抵抗の特性の例を示す図である。具体的に、図13には、図3に示す放熱構造における熱抵抗特性の例が示されている。横軸は時間であり、縦軸は図3に示す放熱構造部における金属ベースを含む部位の熱抵抗を示している。熱抵抗は、温度の伝えにくさを表す物理量である。熱抵抗の単位としては、一般的に“℃/W”が用いられる。図13に示す熱抵抗は、図3に示す放熱構造部において、半導体チップ12が1Wの電力を消費したときの温度差を示している。ここで言う温度差は、半導体チップ12の温度と周囲温度との差である。
Claims (13)
- 接合材により放熱部材に実装された第1の半導体チップと第2の半導体チップとを有する実装部と、
前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップが電気的に互いに直列に接続された直列回路部を含むブリッジ回路の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第1の半導体チップの電気的特性に基づいて算出した熱抵抗により、前記第1の半導体チップの寿命を診断する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記電気的特性は、前記直列回路部に第1の電流値の電流が流れたときに前記第1の半導体チップに発生する第1電圧であり、
前記制御部は、前記直列回路部に第2の電流値の電流が流れたことによる前記熱抵抗の変化に基づいて前記第1の半導体チップの寿命を診断する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記電気的特性は、前記直列回路部に流れる電流が第1の電流値になるときの前記第1の半導体チップのゲート端子に印加されたゲート電圧である
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第2の電流値の電流を流す時間を制御することで、前記第1の半導体チップの寿命に影響をもたらす前記放熱部材の構造上の診断部位を変更する
ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記ブリッジ回路は、3つのレグを備えた三相インバータ回路である
請求項1から4の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1の半導体チップの寿命が異常レベルにあると判定された場合、前記第1の半導体チップを制御するパルス幅変調信号の周波数をより小さくする
請求項1から5の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1の半導体チップが寿命に達したと判定された場合には、前記第1の半導体チップに対する制御を停止する
請求項1から6の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1の半導体チップが異常レベルにある、又は寿命に達したと判定された場合にはアラームを出力する
請求項1から7の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1の半導体チップの劣化の推移により、前記第1の半導体チップの寿命を予測する
請求項1から8の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 第1の半導体チップと、第2の半導体チップとが電気的に互いに直列に接続された直列回路部を少なくとも1つ含むブリッジ回路に対し、前記第1及び第2の半導体チップが電気的に接続された状態で前記第1の半導体チップの寿命を診断する半導体チップの寿命診断装置であって、
前記直列回路部に第1の電流値の電流を流し、前記直列回路部に前記第1の電流値の電流が流れたときの前記第1の半導体チップの電気的特性である第1の特性を測定し、前記第1の特性の測定後に、前記直列回路部に第2の電流値の電流を流し、その後に前記直列回路部に第3の電流値の電流を流し、前記直列回路部に前記第3の電流値の電流が流れたときの前記第1の半導体チップの電気的特性である第2の特性を測定し、前記第1の特性と、前記第2の特性と、に基づいて前記第1の半導体チップの熱抵抗を算出し、算出した前記熱抵抗を初期値と比較することで前記第1の半導体チップの異常又は寿命を診断する
ことを特徴とする半導体チップの寿命診断装置。 - 第1の半導体チップと、第2の半導体チップとが電気的に互いに直列に接続された直列回路部を少なくとも1つ含むブリッジ回路に適用され、前記第1及び第2の半導体チップが電気的に接続された状態で前記第1の半導体チップの寿命を診断する半導体チップの寿命診断方法であって、
前記直列回路部に第1の電流値の電流を流す第1ステップと、
前記直列回路部に前記第1の電流値の電流が流れたときの前記第1の半導体チップの電気的特性を測定する第2ステップと、
前記第2ステップの後に、前記直列回路部に第2の電流値の電流を流す第3ステップと、
前記第3ステップの後に、前記直列回路部に第3の電流値の電流を流す第4ステップと、
前記直列回路部に前記第3の電流値の電流が流れたときの前記第1の半導体チップの電気的特性を測定する第5ステップと、
前記第2ステップにおいて測定された前記第1の半導体チップの電気的特性と、前記第5ステップにおいて測定された前記第1の半導体チップの電気的特性と、に基づいて前記第1の半導体チップの熱抵抗を算出する第6ステップと、
前記第6ステップで算出した前記熱抵抗を初期値と比較することで前記第1の半導体チップの異常又は寿命を診断する第7ステップと、
を含む半導体チップの寿命診断方法。 - 前記第2の電流値は、前記第1の電流値及び前記第3の電流値よりも大きい
ことを特徴とする請求項11に記載の半導体チップの寿命診断方法。 - 前記第3ステップには、前記直列回路部に前記第2の電流値の電流を流す時間を制御する処理が含まれる
ことを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体チップの寿命診断方法。
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