KR20140011471A

KR20140011471A - 파워 사이클 시험을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140011471A
Application number: KR1020130079765A
Authority: KR
Inventors: 미치야 구사카
Original assignee: 에스펙 가부시키가이샤
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2014-01-28
Also published as: US9453872B2; JP5829986B2; KR101601363B1; JP2014020892A; US20140021973A1

Abstract

본 발명은 파워 사이클 시험 후의 열저항의 측정 작업을 불필요로 하고, 또한 스트레스 전류를 자동 조정하여 고정밀도로 열스트레스를 인가하며, IGBT의 신뢰성 평가 작업의 능률화를 도모한다.
본 파워 사이클 시험 장치는, 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 장치로서, 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류를 인가하며, 그 후, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고, 상기 측정된 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산한다.

Description

파워 사이클 시험을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR POWER CYCLE TEST}

본 발명은, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 장치 및 파워 사이클 시험 방법에 관한 것이다.

IGBT는, 일반적으로, 인버터나 모터 구동 회로 등의 대전류를 흘리는 용도에 이용되고, 동작에 따른 발열량이 많다. 그 때문에, 방열판 상에 납땜되어 탑재된 IGBT에서는, 그 발열에 의한 열스트레스가 방열판과의 접합부인 땜납에 반복 인가되면, 접합부에 균열이 발생한다. 이 균열의 진전에 의해, 열저항이 증가하고, 접합부의 열이 방열되기 어렵게 되며, 최종적으로는 고장에 이르게 된다. 파워 사이클 시험은, 이러한 IGBT의 신뢰성 시험을 위해 행해지는 것이다. 파워 사이클 시험은, IGBT에 전기적 부하인 스트레스 전류의 인가와 인가 정지를 반복하여 행함으로써, 접합부 온도를 반복하여 상승, 하강시켜, IGBT에 열스트레스를 부여하는 시험이다(특허문헌 1 참조).

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2012-088154호 공보

IGBT의 신뢰성 시험에 있어서는, 그 접합부 온도를 계측하여, 그 온도 변화를 측정하면 좋지만, 접합부 온도를 직접 측정하는 것은 불가능하다. 그 때문에, 종래에는 IGBT의 파워 사이클 시험의 종료 후, 전용의 열저항 계측기에 의해 열저항을 계측하고, 이 열저항이 초기값으로부터 어느 정도 변화했는지에 의해, IGBT의 열화를 판단하여, IGBT의 신뢰성을 평가하고 있다. 그러나, 종래에는 열저항의 계측 작업이 필요하기 때문에, IGBT의 신뢰성 평가의 비용이 증가하고, 평가 시간도 길게 필요로 한다.

또한, 종래의 파워 사이클 시험에서는, IGBT의 접합부 온도차에 관리점을 설정하고, 이 관리점에 대응하여 스트레스 전류를, 소정 사이클수, 단속 인가하여 파워 사이클 시험을 행하고, 그 후에 IGBT의 상기 관리점에서의 접합부 온도의 변화로부터 IGBT의 신뢰성을 평가하고 있다. 그러나, 파워 사이클 시험을 실시할 때마다 IGBT의 열저항이 경시 변화하기 때문에, 파워 사이클 시험을 실시할 때마다 접합부 온도차가 관리점이 되도록 스트레스 전류를 수동으로 조정하여 열스트레스를 인가해야 할 필요가 있었다. 그 때문에, 종래에는 열스트레스를 고정밀도로 인가할 수 없었고, 또한 신뢰성 평가의 능률화를 도모할 수 없었다.

본 발명은, IGBT의 신뢰성 평가에 있어서, 파워 사이클 시험 후의 IGBT의 신뢰성 평가에, 열저항의 측정 작업을 불필요로 하는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 본 발명은 파워 사이클 시험을 실시할 때마다, 스트레스 전류를 자동 조정 가능하게 하고, 고정밀도로 IGBT에 열스트레스를 인가 가능하게 하여, IGBT의 신뢰성 평가 작업의 능률화를 도모할 수 있는 파워 사이클 시험 장치 및 파워 사이클 시험 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 제1 양태는, 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 장치로서,

상기 시험용 IGBT에 전류를 인가하는 전류원과,

상기 시험 장치를 제어하는 제어부를 구비하고,

상기 제어부는,

상기 전류원을 제어하여 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류를 인가하며, 그 후, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고,

상기 측정된 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하도록 되어 있다.

바람직하게는, 상기 제어부는 상기 시험용 IGBT의 온도 변화와, 이 온도 변화에 대응한 상기 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압 변화로부터 상기 온도 계수를 연산한다.

바람직하게는, 상기 제어부는 상기 스트레스 전류가 인가된 후, 상기 시험용 IGBT에 제1 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고, 또한 상기 제1 측정용 전류보다 큰 제2 측정용 전류를 인가하여, 상기 제2 측정용 전류의 인가 종료 직후의 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정한다.

바람직하게는, 상기 제1 측정용 전류는 정전류이다.

바람직하게는, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 컬렉터-이미터가 직렬로 접속된 별도의 시험용 IGBT 또는 제어용 IGBT를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 별도의 시험용 IGBT 또는 상기 제어용 IGBT를, 온으로 하여 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류 또는 상기 제2 측정용 전류의 인가 통로를 형성하며, 오프로 하여 상기 인가 통로를 차단한다.

바람직하게는, 상기 시험용 IGBT에 상기 온도 변화를 부여하기 위해서, 상기 시험용 IGBT를 가열·냉각하는 가열·냉각부를 갖는다.

바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 시험용 IGBT에서의 파워 사이클 시험에 의한 온도 상승시와 온도 하강시의 접합부 온도의 차인 접합부 온도차를 관리점으로 하여 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류가 흐르도록 제어하고, 상기 접합부 온도차가 상기 관리점이 되도록 상기 연산된 접합부 온도를 이용하여 산출된 접합부 온도차에 기초하여 상기 스트레스 전류를 자동 조정한다.

바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 시험용 IGBT에 대한 인가 전류와 인가 전압으로부터 구해진 인가 전력과, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압의 전압 변화와, 상기 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도의 온도차를 시간의 경과에 따라 복수로 구하고, 상기 구해진 복수의 상기 접합부 온도의 온도차에 대응하여, 상기 시험용 IGBT의 열저항을 측정한다.

본 발명의 제2 양태는, 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 장치로서, 상기 시험용 IGBT에 전류를 인가하는 전류원과, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 컬렉터-이미터가 직렬로 접속된 별도의 시험용 IGBT 또는 제어용 IGBT와, 상기 시험 장치를 제어하는 제어부를 구비하며, 상기 제어부는 상기 전류원으로부터 상기 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가한 후에, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고, 상기 측정된 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 사전에 연산된 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하며, 상기 별도의 시험용 IGBT 또는 상기 제어용 IGBT를 온으로 하여 상기 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가하는 전류 통로를 형성하고, 오프로 하여 상기 전류 통로를 차단한다.

본 발명의 제3 양태는, 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 방법으로서, 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류를 인가하고, 그 후, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하는 제1 스텝과, 상기 측정된 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하는 제2 스텝을 포함한다.

본 발명에 따르면, IGBT의 신뢰성 평가를 위해, 파워 사이클 시험 후에, 외부의 열저항 계측기에 의해 열저항을 계측하는 작업이 불필요하게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 파워 사이클 시험에 있어서, 스트레스 전류를 자동 조정하여 IGBT에 고정밀도로 열스트레스를 부여할 수 있고, 파워 사이클 시험의 능률화가 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 파워 사이클 시험 장치의 구성도이다.
도 2는 파워 사이클 시험이 행해지는 UVW 3상의 시험용 IGBT, 제어용 IGBT, 정전류원의 회로 결선도이다.
도 3은 시험용 IGBT의 온도 계수의 연산을 위해, 가로축에 온도, 세로축에 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2와 동일한 회로 결선도이며, U상의 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT에 스트레스 전류가 인가되어 있는 상태를 도시하는 도면이다.
도 5a는 파워 사이클 시험에 있어서, 가로축에 시간을 나타내고, 세로축에 UVW 3상의 시험용 IGBT의 접합부 온도를 나타낸 도면이다.
도 5b는 파워 사이클 시험에 있어서, 가로축에 시간을 나타내고, 세로축에 UVW 3상의 시험용 IGBT의 게이트 전압(온/오프 타이밍)을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2와 동일한 회로 결선도이며, U상의 하이 사이드 시험용 IGBT와 로우 사이드 제어용 IGBT에 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압차(Δ Vce)를 계측하기 위한 전류가 인가되어 있는 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은 가로축을 전력 공급의 시간 영역, 세로축을 열저항[Rth(℃/W)]으로 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 파워 사이클 시험 장치 및 그 시험 방법을 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 파워 사이클 시험 장치의 구성을 설명한다. 실시형태의 파워 사이클 시험 장치(1)는, 칠러(2)와, 시험 유닛(3)과, 제어 랙(4)을 갖는다. 칠러(2)는, 수온 관리부(5)와 순환수 파이프(6)를 구비하고, 수온 관리부(5)에 의해 순환수 파이프(6) 내의 물을 수온 -10℃∼100℃로 제어하여 시험 유닛(3)에 공급한다.

시험 유닛(3)은, 시험용 IGBT(21-26)에 전류를 인가하는 전류원(7)과, 시험용 IGBT(21-26)로의 스트레스 전류의 인가·차단을 제어하는 제어용 파워 디바이스(8)와, 시험용 IGBT를 가열·냉각하기 위한 가열·냉각 플레이트(9)를 갖는다. 가열·냉각 플레이트(9) 상에 도 2의 회로 결선으로 구성되는 시험용 파워 디바이스(10)가 탑재된다.

시험용 파워 디바이스(10)는 도 2에 도시하는 UVW 각 상(相)의 시험용 IGBT(21-26)에 의해 구성되고, 가열·냉각 플레이트(9)에서 가열·냉각되어, 전류원(7)으로부터 스트레스 전류(Is), 후술하는 제2 측정용 전류(Im2)가 인가된다.

제어 랙(4)은, 컴퓨터로 이루어지는 제어 장치(11)와, 시험용 IGBT(21-26)와 제어용 IGBT(31-36)(도 2 참조)의 온/오프 게이트 전압의 인가 타이밍을 결정하는 게이트 타이밍부(12)와, UVW 각 상의 시험용 IGBT(21-26)의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하는 전압 측정부(13)를 갖는다.

제어 장치(11)는, 게이트 타이밍부(12)를 제어하여 상기 게이트 전압의 인가 타이밍을 제어하고, 전압 측정부(13)에서 측정된 전압값을 입력한다.

또한, 제어 장치(11)는 제어 프로그램에 따라, 도시되지 않은 열전대(熱電對) 등의 온도 센서로부터의 시험용 IGBT(21-26)의 케이스 표면 온도의 측정값을 입력하거나, 칠러(2)의 수온 관리부(5)를 제어하거나, 각종의 데이터 테이블을 참조하여 후술하는 연산, 계측 등을 제어하거나 한다.

제어 장치(11)는, 칠러(2)의 수온 관리부(5)를 제어하여 순환수 파이프(6) 내의 수온을 제어하고, 가열·냉각 플레이트(9) 내로 수온이 제어된 물을 공급 제어한다. 제어 장치(11)는, 게이트 타이밍부(12)를 제어하여 시험용 파워 디바이스(10) 내의 UVW 각 상의 시험용 IGBT(21-26)과 제어용 파워 디바이스(8) 내의 제어용 IGBT(31-36)의 온/오프 타이밍을 제어한다. 또한, 제어 장치(11)는 전압 측정부(13)를 제어하여 시험용 IGBT(21-26)의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정한다. 제어 장치(11)는, 후술하는 온도 계수의 연산, 전압 측정부(13)가 측정한 컬렉터-이미터 사이의 전압으로부터 후술하는 연산을 행한다.

도 2에 기재된 IGBT(21-26)는, 컬렉터-이미터가 상호 직렬로 접속된 U상, V상, W상 각각의 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT이다. 이들은, 전체로 가열·냉각 플레이트(9) 상에 탑재된, 예컨대 3상 인버터 등의 시험용 파워 디바이스(10)를 구성한다.

도면 상의 전기 결선에 있어서, 시험용 파워 디바이스(10)는, 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT(21, 22)를 갖는 U상 시험용 파워 디바이스부(10a), 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT(23, 24)를 갖는 V상 시험용 파워 디바이스부(10b), 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT(25, 26)을 갖는 W상 시험용 파워 디바이스부(10c)로 이루어진다.

U상 시험용 파워 디바이스부(10a)의 시험용 IGBT(21, 22) 각각의 컬렉터-이미터 사이에 제어용 IGBT(31, 32)의 컬렉터-이미터가 병렬로 접속된다. V상 시험용 파워 디바이스부(10b)의 시험용 IGBT(23, 24) 각각의 컬렉터-이미터 사이에 제어용 IGBT(33, 34)의 컬렉터-이미터가 병렬로 접속된다. W상 시험용 파워 디바이스부(10c)의 시험용 IGBT(25, 26) 각각의 컬렉터-이미터 사이에 제어용 IGBT(35, 36)의 컬렉터-이미터가 병렬로 접속되어 있다.

마찬가지로, U상 시험용 파워 디바이스부(10a)의 시험용 IGBT(21, 22) 각각의 컬렉터-이미터 사이에 정전류원(41, 42)이 병렬로 접속된다. V상 시험용 파워 디바이스부(10b)의 시험용 IGBT(23, 24) 각각의 컬렉터-이미터 사이에 정전류원(43, 44)이 병렬로 접속된다. W상 시험용 파워 디바이스부(10c)의 시험용 IGBT(25, 26) 각각의 컬렉터-이미터 사이에 정전류원(45, 46)이 병렬로 접속되어 있다.

제어용 IGBT(31-36)와 정전류원(41-46)은, 제어용 파워 디바이스(8)를 구성한다. 제어용 IGBT(31, 32)와 정전류원(41, 42)은 U상 제어용 파워 디바이스부(8a), 제어용 IGBT(33, 34)와 정전류원(43, 44)은 V상 제어용 파워 디바이스부(8b), 제어용 IGBT(35, 36)와 정전류원(45, 46)은 W상 제어용 파워 디바이스부(8c)를 구성한다.

정전류원(41-46)은, 예컨대 1 ㎃ 정도의 정전류를 각각 시험용 IGBT(21-26)에, 후술하는 바와 같이, 제1 측정용 전류(Im1)로서 공급하는 것이다. 시험용 IGBT(21-26)는 이 정전류로 구동되더라도, 발열은 무시할 수 있는 정도로 되고, 가열·냉각 플레이트(9)의 가열·냉각으로 온도 변화되는 케이스 표면 온도에 대하여 접합부 온도도 대략 마찬가지로 온도 변화된다.

이하, 도 3 내지 도 6에 기초하여 파워 사이클 시험 장치(1)에 의한 파워 사이클 시험을 설명한다. 이 설명에서는, U상 하이 사이드 시험용 IGBT(21)의 파워 사이클 시험을 대표로 하여 설명한다. 본 실시형태에서는 2개의 시험 모드 A, B를 가지며, 제어 랙(4)의 제어 장치(11)는 각 시험 모드에서 연산, 계측, 제어를 행한다. 시험 모드 A, B 양자 모두, 그 전제로 하여, 시험용 IGBT(21)의 온도 계수를 연산한다.

이하, 시험용 IGBT(21)의 온도 계수의 연산을 도 3을 참조하여 설명한다.

제어 장치(11)는 게이트 타이밍부(12)를 제어하고, 시험용 IGBT(21)를 일정한 게이트 전압(Vg)에서 온으로 하며, 정전류원(41)에 의해, 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이에 1 ㎃의 제1 측정용 전류(Im1)를 흘린다. 그리고, 칠러(2)를 제어하여 가열·냉각 플레이트(9)에 의해, 시험용 IGBT(21)를 가열·냉각하고, 도 3에 도시하는 바와 같이, 그때의 온도 변화[ΔTj(= t1-t2)]와, 컬렉터-이미터 사이의 전압 변화[ΔVce(= Vce1-Vce2)]로부터 온도 계수[K(=ΔTj/ΔVce)]를 연산한다.

정전류원(41)의 제1 측정용 전류(Im1)는 미소하며, 시험용 IGBT(21)의 케이스 표면 온도(Tc)는 거의 접합부 온도(Tj)인 것으로부터, 가열·냉각 플레이트(9)에 의한 가열·냉각에 따른 케이스 표면 온도(Tc)의 변화는, 접합부 온도(Tj)의 변화로서 그 계측값(t1, t2)이, 이 연산에 있어서 입력된다. 또한, 전압 측정부(13)로부터 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압의 계측값(Vce1, Vce2)이 입력된다.

(시험 모드 A)

우선, 시험 모드 A에서는, 시험용 IGBT(21)의 게이트에 도 5b의 게이트 전압(Vg)의 온/오프 인가 타이밍으로, 스트레스 전류(Is)의 인가, 인가 정지를 하는 파워 사이클 시험을 행한다.

이 파워 사이클 시험에서는, 도 5a에 도시하는 바와 같이, 시험용 IGBT(21)의 접합부 온도(Tj)는 상승, 하강한다. 이 접합부 온도(Tj)의 상승, 하강의 온도차는 ΔTj이다.

이 파워 사이클 시험 종료 후에 스트레스 전류(Is)의 인가를 정지하여 시험용 IGBT(21)를 충분히 냉각한다.

이 냉각 후의 시험용 IGBT(21)에 정전류원(41)으로부터 제1 측정용 전류(Im1)를 인가한다.

이 제1 측정용 전류(Im1)의 인가시에는, 시험용 IGBT(21)가 충분히 냉각되어 있기 때문에, 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)은, 저온시의 접합부 온도(Tj)에 대응한다.

이때의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)은 시험용 IGBT(21)의 접합부의 온도가 저온시의 접합부 온도(Tj)라고 추정할 수 있다.

또한, 이 접합부 온도(Tj)는, 시험용 IGBT(21)의 케이스 표면 온도(Tc)에 거의 상당한다.

계속해서, 시험용 IGBT(21)에 제1 측정용 전류(Im1)보다도 큰 제2 측정용 전류(Im2)를 인가하여 접합부 온도(Tj)를 일정한 고온으로 상승시킨다.

이 제2 측정용 전류(Im2)는 스트레스 전류(Is)와는 다른 것이고, 시험용 IGBT(21)에 제2 측정용 전류(Im2)를 인가하여, 그 접합부 온도(Tj)를 일정한 고온으로 상승시킨다.

계속해서, 제2 측정용 전류(Im2)의 인가를 정지한 직후에, 접합부 온도(Tj)가 상기 고온 상태로 유지되어 있는 사이에, 시험용 IGBT(21)에 대한 인가 전류를, 상기 정전류원(41)에 의한 제1 측정용 전류(Im1)로 전환하여, 고온시의 접합부 온도(Tj)에 대응하는 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 측정한다.

제2 측정용 전류(Im2)의 인가를 정지한 직후에 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 측정하는 것은, 시험용 IGBT(21)에 대한 제2 측정용 전류(Im2)의 인가를 정지하면, 시험용 IGBT(21)의 냉각에 의해 접합부 온도(Tj)가 급속히 저하하기 때문에, 접합부 온도(Tj)가 저하하기 전에 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 측정할 필요가 있기 때문이다.

한편, 시험 모드 A에서는, 시험용 IGBT의 접합부 온도(Tj)가 변화되더라도, 스트레스 전류(Is)의 값과, 그 인가와 인가 정지의 시간(도 5b의 온/오프 시간에 대응)은 변경하지 않는다.

제어 장치(11)는, 시험 모드 A에서의 시험 동작을 제어한다.

이하, 시험 모드 A의 측정 순서를 이하에 통합하여 설명한다.

(1a) 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가하고, 또한 그 인가를 정지하는 파워 사이클 시험(도 4, 도 5 참조)을 실시한다.

도 4에서 화살표 Is로 도시하는 바와 같이, 제어 장치(11)는 게이트 타이밍부(12)를 제어하여 U상 시험용 파워 디바이스부(10a)의 시험용 IGBT(21)와 시험용 IGBT(22)에 스트레스 전류(Is)를 인가한다. 도 5a에는, UVW 각 상마다의 스트레스 전류(Is)의 단속 인가에 의한 시험용 IGBT(21-26) 각각의 접합부 온도의 변화가 나타나 있다. 또한 도 5b에는, UVW 각 상의 파워 디바이스부(10a, 10b, 10c) 내의 시험용 IGBT(21-26)의 게이트 전압의 온/오프 파형이 나타나 있다.

(2a) 시험용 IGBT(21)에 대한 스트레스 전류(Is)의 인가 정지 후, 이 시험용 IGBT(21)의 접합부가 충분히 냉각될 때까지 대기한다.

(3a) 다음에, 도 6에서 화살표 Im1로 도시하는 바와 같이, 게이트 타이밍부(12)를 제어하고, 시험용 IGBT(21)를 온으로 하여, 정전류원(41)으로부터 제1 측정용 전류(Im1)를 인가한다. 이 제1 측정용 전류(Im1)의 인가시의 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 계측하고, 시험용 IGBT(21)의 저온시의 접합부 온도(Tj)를 추정한다.

(4a) 다음에, 도 6에서 화살표 Im2로 도시하는 바와 같이, 시험용 IGBT(21)에 제2 측정용 전류(Im2)를 인가한다. 제어 장치(11)는, 게이트 타이밍부(12)를 제어하고, 시험용 IGBT(21)와 제어용 IGBT(32)를 온으로 하여, 시험용 IGBT(21)에 제2 측정용 전류(Im2)를 인가한다.

(5a) 다음에, 제어용 IGBT(32)을 오프로 하여, 시험용 IGBT(21)에 대한 제2 측정용 전류(Im2)의 인가를 정지한 직후에, 정전류원(41)으로부터 시험용 IGBT(21)에 제1 측정용 전류(Im1)를 인가한다. 제어 장치(11)는, 이때의 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 계측한다. 이 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)은, 시험용 IGBT(21)의 고온시의 접합부 온도(Tj)에 대응한다.

(6a) 다음에, 시험용 IGBT(21)의 접합부 온도(Tj)를 추정한다. 이 추정으로서는, 온도 계수(K)와, 상기 (5a)의 고온시의 접합부 온도(Tj)에 대응하는 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)으로부터, 고온시의 접합부 온도(Tj)를 추정할 수 있다.

또한, 상기(3a)의 저온시의 접합부 온도(Tj)와, 상기(5a)의 고온시의 접합부 온도(Tj)로부터 접합부 온도차(ΔTj)를 연산할 수 있다.

(시험 모드 B)

시험 모드 B에서는, 스트레스 전류의 인가, 인가 정지 중에, 시험 모드 A와 마찬가지로, 시험용 IGBT(21)의 고온시의 접합부 온도(Tj)를 구하고, 시험용 IGBT(21)의 접합부 온도(Tj)가 고온시의 접합부 온도(Tj)로 일정하게 유지되도록, 스트레스 전류(Is)의 인가 시간 또는 크기를 제어한다.

시험 모드 B의 경우, 제2 측정용 전류(Im2)는 없고, 스트레스 전류(Is)의 인가를 정지한 직후에, 도 6에서 화살표 Im1로 도시하는 바와 같이, 시험용 IGBT(21)에 제1 측정용 전류(Im1)를 인가한다. 시험 모드 B는, 이때의 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 계측하여, 이 계측값과 온도 계수(K)로부터, 고온시의 접합부 온도(Tj)를 추정하는 시험 모드이다. 제어 장치(11)는, 시험 모드 B에서의 시험 동작을 제어한다.

측정 순서를, 이하에 통합하여 설명한다.

(1b) 시험용 IGBT(21)에 스트레스 전류(Is)를 인가한다.

(2b) 시험용 IGBT(21)에 스트레스 전류(Is)의 인가 정지 직후에 정전류원(41)으로부터, 도 6에서 화살표 Im1로 도시하는 바와 같이, 제1 측정용 전류(Im1)를 인가하여, 이때의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 측정한다. 이 측정전압은 스트레스 전류(Is)의 인가 정지 직후의 전압이기 때문에, 접합부 온도(Tj)는 고온시의 전압이다.

(3b) 온도 계수(K)와, 저온시의 접합부 온도(Tj)와, 접합부 온도(Tj)가 고온시의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)으로부터, 고온시의 접합부 온도(Tj)를 추정한다.

(4b) 그리고, 상기 추정된 고온시의 접합부 온도(Tj)가 일정하게 되도록, 시험용 IGBT(21)에 스트레스 전류(Is)의 인가 시간 혹은 스트레스 전류(Is)의 값을 제어한다.

한편, 저온시의 접합부 온도(Tj)는, 시험용 IGBT(21)의 접합부가 충분히 냉각되는 오프 시간을 채용하고 있기 때문에, 플레이트 온도와 동일하다고 간주한다.

시험 모드 B에서는, 파워 사이클 시험에 있어서, 시험용 IGBT(21)에 대한 저온시의 접합부 온도를 예컨대 25℃로 하고, 고온시의 접합부 온도를 예컨대 75℃라고 하면, 관리점의 접합부 온도차(ΔTj)는 50℃이다.

파워 사이클 시험을, 예컨대 1 사이클 행하여, 고온시의 접합부 온도(Tj)를 추정하고, 저온시의 접합부 온도(Tj)와 고온시의 추정 접합부 온도(Tj)로부터 접합부 온도차(ΔTj)를 연산한다. 이 연산된 접합부 온도차(ΔTj)가 관리점의 50℃로부터 변화하고 있으면, 제어 장치(11)는 스트레스 전류(Is)를 자동 조정하고, 시험용 IGBT(21)에 관리점에 대응한 소요의 열스트레스를 인가할 수 있도록 한다.

이에 따라, 스트레스 전류(Is)는 제어 장치(11)에 의해 자동 조정되고, 시험용 IGBT(21)에 고정밀도로 열스트레스를 인가하여 파워 사이클 시험을 행할 수 있다.

한편, 시험용 IGBT(21)에 대한 인가 전류와 인가 전압으로부터 구해진 인가 전력(P)과, 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압의 전압 변화(ΔVce)와, 상기 온도 계수(K)로부터, 시험용 IGBT(21)의 접합부 온도(Tj)의 온도차(ΔTj)를, 시간 영역에서 복수로 구하고, 도 7에 도시하는 바와 같이, 가로축에 전력 공급의 시간 영역을, 세로축에 상기 시간 영역에서 구해진 접합부 온도차(ΔTj)에 대응한 열저항[Rth(℃/W)]을 플로팅한 그래프를 이용하여, 상기 시험용 IGBT(21)의 열저항을 측정하여도 좋다. 이에 따라, 상기 시험용 IGBT(21)의 고장 부위를 추정할 수 있다.

한편, 본 실시형태의 파워 사이클 시험 장치에서는 시험용 IGBT(21)의 온도 계수(K)를 구하는 기능을 갖고 있지만, 온도 계수(K)를 구하는 기능을 갖지 않은 파워 사이클 시험 장치에도 적용하여도 좋다. 즉, 시험용 IGBT(21)에 스트레스 전류(Is)를 인가한 후에, 시험용 IGBT(21)의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 측정하여, 이 측정된 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)과, 사전에 연산된 시험용 IGBT(21)의 온도 계수(K)로부터, 시험용 IGBT(21)의 접합부 온도(Tj)를 연산하여도 좋다.

상기 실시형태에서는 피시험물의 일례로서 UVW 3상을 갖는 6 소자의 IGBT(6 in 1)를 이용했지만, 1 소자(2 in 1)의 IGBT 등, 다른 구성의 IGBT에도 마찬가지로 사용할 수 있다.

상기 실시형태에서는, 시험용 파워 디바이스부는 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT 각각의 컬렉터-이미터가 직렬로 접속되고, 이들 각 시험용 IGBT 각각의 컬렉터-이미터에 병렬로 제어용 IGBT의 컬렉터-이미터가 접속되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 시험용 파워 디바이스부를 단일의 시험용 IGBT로 구성하고, 이 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 직렬로 제어용 IGBT의 컬렉터-이미터를 접속하여, 상기 계측을 행하는 것으로 하여도 좋다.

상기 실시형태의 시험용 파워 디바이스부는, 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT 각각의 컬렉터-이미터가 직렬로 접속되고, 이들 각 시험용 IGBT 각각의 컬렉터-이미터에 병렬로 제어용 IGBT의 컬렉터-이미터가 접속되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제어용 IGBT를 마련하지 않고서, 혹은 제어용 IGBT를 사용하지 않고서, 하이 사이드와 로우 사이드의 시험용 IGBT 중 어느 한쪽을 시험용 IGBT로 하고, 다른 한쪽의 시험용 IGBT를 제어용 IGBT으로서 이용하여, 상기 계측을 행하는 것으로 하여도 좋다.

상기 실시형태에서는, 시험 모드 A에서는 시험용 IGBT에 제2 측정용 전류(Im2)를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 계측하고, 또한 시험 모드 B에서는 시험용 IGBT에 제2 측정용 전류(Im2)를 인가하지 않고서 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압(Vce)을 계측했지만, 본 발명은 이러한 시험 모드와 측정 순서의 조합에 한정되지 않고, 적절하게 실시하여도 좋다.

상기 실시형태에서는, 가열·냉각 플레이트(9)로 가열·냉각했지만, 가열·냉각 플레이트 이외의 열원·냉각원을 이용하여도 좋다. 또한, 가열과 냉각을 각각의 열원, 냉각원을 이용하여 실시하여도 좋다.

1 : 파워 사이클 시험 장치 2 : 칠러
3 : 시험 유닛 4 : 제어 랙
5 : 수온 관리부 6 : 순환수 파이프
7 : 전류원 8 : 제어용 파워 디바이스
9 : 가열·냉각 플레이트 10 : 시험용 파워 디바이스
11 : 장치 제어용 퍼스널 컴퓨터 12 : 게이트 타이밍부
13 : 전압 측정부 21-26 : 시험용 IGBT
31-36 : 제어용 IGBT 41-46 : 정전류원

Claims

시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 장치로서,
상기 시험용 IGBT에 전류를 인가하는 전류원과,
상기 시험 장치를 제어하는 제어부
를 구비하고, 상기 제어부는,
상기 전류원을 제어하여 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류를 인가하며, 그 후, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고,
상기 측정된 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하도록 되어 있는 것인 파워 사이클 시험 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 시험용 IGBT의 온도 변화와, 상기 온도 변화에 대응한 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압 변화로부터 상기 온도 계수를 구하는 것인 파워 사이클 시험 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스트레스 전류가 인가된 후, 상기 시험용 IGBT에 제1 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고, 또한, 상기 제1 측정용 전류보다 큰 제2 측정용 전류를 인가하여 상기 제2 측정용 전류의 인가 종료 직후의 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하는 것인 파워 사이클 시험 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 측정용 전류는, 상기 시험용 IGBT의 발열을 무시할 수 있는 정도의 정전류인 것인 파워 사이클 시험 장치.
제3항에 있어서, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 컬렉터-이미터가 직렬로 접속된 별도의 시험용 IGBT 또는 제어용 IGBT를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 별도의 시험용 IGBT 또는 상기 제어용 IGBT를, 온으로 하여 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류 또는 상기 제2 측정용 전류의 인가 통로를 형성하며, 오프로 하여 상기 인가 통로를 차단하는 것인 파워 사이클 시험 장치.
제2항에 있어서, 상기 시험용 IGBT에 상기 온도 변화를 부여하기 위해서, 상기 시험용 IGBT를 가열·냉각하는 가열·냉각부를 갖는 것인 파워 사이클 시험 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 시험용 IGBT에서의 파워 사이클 시험에 의한 온도 상승시와 온도 하강시의 접합부 온도의 차인 접합부 온도차를 관리점으로 하여, 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류가 흐르도록 제어하고,
상기 접합부 온도차가 상기 관리점이 되도록 상기 연산된 접합부 온도를 이용하여 산출된 접합부 온도차에 기초로 하여 상기 스트레스 전류를 자동 조정하는 것인 파워 사이클 시험 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 시험용 IGBT에 대한 인가 전류와 인가 전압으로부터 구해진 인가 전력과, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압의 전압 변화, 그리고 상기 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도의 온도차를, 시간의 경과에 따라 복수로 구하고, 상기 구해진 복수의 상기 접합부 온도의 온도차에 대응하여 상기 시험용 IGBT의 열저항을 측정하는 것인 파워 사이클 시험 장치.
시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 장치로서,
상기 시험용 IGBT에 전류를 인가하는 전류원과,
상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 컬렉터-이미터가 직렬로 접속된 별도의 시험용 IGBT 또는 제어용 IGBT, 그리고
상기 시험 장치를 제어하는 제어부
를 구비하며, 상기 제어부는,
상기 전류원으로부터 상기 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가한 후에, 상기 시험용 IGBT로 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고,
상기 측정된 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 사전에 연산된 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하고,
상기 별도의 시험용 IGBT 또는 상기 제어용 IGBT를 온으로 하여 상기 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가하는 전류 통로를 형성하며, 오프로 하여 상기 전류 통로를 차단하는 것인 파워 사이클 시험 장치.
시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 행하는 파워 사이클 시험 방법으로서,
상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류를 인가하며, 그 후, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하는 제1 스텝과,
상기 측정된 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하는 제2 스텝
을 포함하는 파워 사이클 시험 방법.
제10항에 있어서, 상기 시험용 IGBT의 온도 변화와,
상기 온도 변화에 대응한 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압 변화로부터 상기 온도 계수를 구하는 것인 파워 사이클 시험 방법.
제10항에 있어서, 상기 스트레스 전류를 인가한 후, 상기 시험용 IGBT에 제1 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하고, 또한 상기 제1 측정용 전류보다 큰 제2 측정용 전류를 인가하여, 상기 제2 측정용 전류의 인가 종료 직후의 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하는 것인 파워 사이클 시험 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 측정용 전류를 상기 시험용 IGBT의 발열을 무시할 수 있는 정도의 정전류로 하는 것인 파워 사이클 시험 방법.
제12항에 있어서, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 컬렉터-이미터가 직렬로 접속된 별도의 시험용 IGBT 또는 제어용 IGBT를, 온으로 하여 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류 또는 상기 제2 측정용 전류의 인가 통로를 형성하고, 오프로 하여 상기 인가 통로를 차단하는 것인 파워 사이클 시험 방법.
제10항에 있어서, 상기 시험용 IGBT에서의 파워 사이클 시험에 의한 온도 상승시와 온도 하강시의 접합부 온도의 차인 접합부 온도차를 관리점으로 하여, 상기 시험용 IGBT에 상기 스트레스 전류가 흐르도록 제어하고,
상기 접합부 온도차가 상기 관리점이 되도록 상기 연산된 접합부 온도를 이용하여 산출된 접합부 온도차에 기초하여 상기 스트레스 전류를 자동 조정하는 것인 파워 사이클 시험 방법.
제10항에 있어서, 상기 시험용 IGBT에 대한 인가 전류와 인가 전압으로부터 구해진 인가 전력과, 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압의 전압 변화, 그리고 상기 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도의 온도차를, 시간의 경과에 따라 복수로 구하고, 상기 구해진 복수의 상기 접합부 온도의 온도차에 대응하여 상기 시험용 IGBT의 열저항을 측정하는 것인 파워 사이클 시험 방법.
시험용 IGBT에 스트레스 전류를 단속 인가하여 열스트레스를 부여함으로써, 상기 시험용 IGBT의 파워 사이클 시험을 하는 파워 사이클 시험 방법으로서,
상기 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가한 후에, 상기 시험용 IGBT에 측정용 전류를 인가하여 상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터 사이의 전압을 측정하는 제1 스텝과,
상기 측정된 컬렉터-이미터 사이의 전압과, 사전에 연산된 상기 시험용 IGBT의 온도 계수로부터, 상기 시험용 IGBT의 접합부 온도를 연산하는 제2 스텝, 그리고
상기 시험용 IGBT의 컬렉터-이미터에 컬렉터-이미터가 직렬로 접속된 별도의 시험용 IGBT 또는 제어용 IGBT를 온으로 하여 상기 시험용 IGBT에 스트레스 전류를 인가하는 전류 통로를 형성하며, 오프로 하여 상기 전류 통로를 차단하는 제3 스텝
을 포함하는 파워 사이클 시험 방법.