(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の半導体チップと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電圧に基づいて熱抵抗を算出し、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
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
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１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
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の半導体チップと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に基づいて算出される熱抵抗により、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。
【請求項４】
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３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
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４の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
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５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
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６の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
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７の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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１０に記載の半導体チップの寿命診断方法。
【請求項１２】
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１０又は１１に記載の半導体チップの寿命診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換用の半導体スイッチング素子（以下、「半導体素子」と略す）が搭載された半導体チップの寿命診断を行う電力変換装置、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、複数の半導体チップが実装された電力変換装置において、半導体チップのサーマルサイクル寿命及びパワーサイクル寿命といった寿命を診断するために、電力変換装置の出力電流最大値の繰り返しの回数を計測し、その計測値を予め定められた基準値と比較する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０６２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体チップの寿命は、電力変換装置の出力電流最大値の繰り返しの回数だけに左右されるものではなく、電力変換装置に実装される複数の半導体チップの各々の温度変化の度合いなどによっても影響されるものである。このため、従来技術では、精度の良い寿命診断ができないという問題があった。【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体チップの寿命診断をより精度良く行うことができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、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、第１の半導体チップと第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、を備える。制御部は、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、第１の半導体チップの寿命を診断する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置によれば、半導体チップの寿命診断をより正確に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図
【図２】図１に示すインバータ回路の詳細な構成を示す回路図
【図３】一般的な半導体チップの放熱構造を模式的に示す図
【図４】図３に示す放熱構造部のはんだ層に生じた亀裂の例を示す図
【図５】実施の形態１における寿命診断手法の説明に供する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）の出力特性の例を示す図
【図６】実施の形態１における寿命診断手法の説明に供するＩＧＢＴの温度特性の例を示す図
【図７】実施の形態１における寿命診断手法の説明に供する要部の回路図
【図８】実施の形態１における寿命診断手法の説明に供するタイムチャート
【図９】実施の形態１における寿命診断手法の適用対象として示す３レベルインバータの１相分の回路図
【図１０】実施の形態１に係る寿命診断方法による処理手順を示すフローチャート
【図１１】実施の形態２における寿命診断手法の説明に供するタイムチャート
【図１２】実施の形態２に係る寿命診断方法による処理手順を示すフローチャート
【図１３】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
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置、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について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
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。
【００１１】
整流回路１０は、交流電源２から印加される交流電圧を整流して直流電圧に変換する。整流回路１０の一例は、フルブリッジ接続される６つのダイオードを備えた全波整流回路である。整流回路１０の出力端には、複数の半導体チップ１２を有するインバータ回路１１が接続される。整流回路１０とインバータ回路１１とは、高電位側の直流母線１６と低電位側の直流母線１７とによって接続される。直流母線１６と直流母線１７との間には、平滑コンデンサ１３が配置される。直流母線１６と直流母線１７との間の電圧は、「母線電圧」と呼ばれる。平滑コンデンサ１３は、母線電圧を平滑して、母線電圧を安定化する役目を担う。
【００１２】
インバータ回路１１は、平滑コンデンサ１３によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換して電動機３に印加する。電動機３は、インバータ回路１１から供給される交流電力１８によって駆動される。
【００１３】
制御部１４は、プロセッサ１４ａと、メモリ１４ｂとを備える。プロセッサ１４ａは、インバータ回路１１の半導体チップ１２を制御するための駆動信号１９を生成する。駆動信号１９の例は、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）信号である。詳細は後述するが、制御部１４は、半導体チップ１２の寿命診断を行う。半導体チップ１２の内部には、半導体素子が実装されている。半導体素子の一例は、図示のＩＧＢＴである。半導体素子には、逆並列に接続されるダイオードが備えられていてもよい。
【００１４】
ゲート駆動回路１５は、駆動信号１９に基づいて駆動電圧２０を発生する。駆動電圧２０は、インバータ回路１１の半導体チップ１２を駆動するためのゲート駆動電圧である。
【００１５】
プロセッサ１４ａは、マイクロプロセッサ、マイコン、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と称されるものでもよい。
【００１６】
メモリ１４ｂには、プロセッサ１４ａによって読みとられるプログラム、プロセッサ１４ａによって参照されるパラメータ、プロセッサ１４ａの処理によって得られるデータなどが保存される。メモリ１４ｂは、プロセッサ１４ａが演算処理を行う際の作業領域としても使用される。メモリ１４ｂは、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが一般的である。
【００１７】
なお、図１では、交流電源２を三相電源としているが、これに限定されない。交流電源２は、単相電源でもよい。交流電源２が単相電源である場合、整流回路１０は、単相電源に合わせた構成とされる。電動機３の一例は、三相モータである。電動機３が三相電動機である場合、インバータ回路１１も、三相の回路構成となる。
【００１８】
図２は、図１に示すインバータ回路１１の詳細な構成を示す回路図である。インバータ回路１１は、図２に示されるように、レグ１２Ａ、レグ１２Ｂ及びレグ１２Ｃを有する。レグ１２Ａ、レグ１２Ｂ及びレグ１２Ｃは、直流母線１６と直流母線１７との間において、互いに並列に接続されている。レグ１２Ａは、Ｕ相の上アームの半導体チップ１２ＵＰと下アームの半導体チップ１２ＵＮとが電気的に互いに直列に接続された直列回路部である。レグ１２Ｂは、Ｖ相の上アームの半導体チップ１２ＶＰと下アームの半導体チップ１２ＶＮとが電気的に互いに直列に接続された直列回路部である。レグ１２Ｃは、Ｗ相の上アームの半導体チップ１２ＷＰと下アームの半導体チップ１２ＷＮとが電気的に互いに直列に接続された直列回路部である。即ち、インバータ回路１１は、直列回路部であるレグを３つ含むブリッジ回路である。
【００１９】
半導体チップ１２ＵＰは、ゲート端子１２ａ、第１端子１２ｂ及び第２端子１２ｃを有する。ゲート端子１２ａは、ＩＧＢＴのゲート電極に電気的に接続される端子であり、ＩＧＢＴの導通を制御するためのゲート電圧が印加される端子である。第１端子１２ｂは、ＩＧＢＴのソース電極に電気的に接続される端子であり、ＩＧＢＴに流れる電流が流出する側の端子である。第２端子１２ｃは、ＩＧＢＴのドレイン電極に電気的に接続される端子であり、ＩＧＢＴに流れる電流が流入する側の端子である。なお、図２では、図示を省略しているが、他の半導体チップ１２ＵＮ，１２ＶＰ，１２ＶＮ，１２ＷＰ，１２ＷＮのそれぞれも、ゲート端子１２ａ、第１端子１２ｂ及び第２端子１２ｃを有することは言うまでもない。
【００２０】
また、図１及び図２では、負荷である電動機３を三相電動機としているが、これに限定されない。電動機３は、単相電動機でもよい。電動機３が単相電動機である場合、単相インバータ回路が使用される。単相インバータ回路は、直列回路部であるレグを２つ含むブリッジ回路である。
【００２１】
また、図１及び図２では、負荷を電動機としているが、これに限定されない。負荷は充電可能な蓄電池であってもよい。負荷が蓄電池である場合、インバータ回路１１に代えてＤＣＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｏ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）コンバータが用いられる。ＤＣＤＣコンバータの最小構成は、１つのレグを備えたハーフブリッジ回路である。
【００２２】
次に、寿命診断を行う必要性について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、一般的な半導体チップの放熱構造を模式的に示す図である。図４は、図３に示す放熱構造部のはんだ層に生じた亀裂の例を示す図である。なお、図４では、図３において符号２２で示している部位の図示を省略している。
【００２３】
半導体チップ１２が発熱量の大きい電力用の半導体部品である場合、半導体チップ１２は、図３に示すように、金属ベース上に搭載される構造が一般的である。図３に示す例では、半導体チップ１２は、絶縁基板２１に搭載され、絶縁基板２１の表面にある配線パターン２２にはんだ付けされることで固定される。半導体チップ１２からは金属のワイヤ２３が引き出され、絶縁基板２１上の別の配線パターン２４に接続される。半導体チップ１２を搭載した絶縁基板２１は、金属ベース２５に搭載され、絶縁基板２１の裏面にある配線パターン２６にはんだ付けされることで固定される。これにより、半導体チップ１２の放熱構造は、絶縁基板２１の表面にあるはんだ層２７と、絶縁基板２１の裏面にあるはんだ層２８とを介して金属ベース２５に電気的に接続される構造となる。実施の形態１において、絶縁基板２１及び金属ベース２５は、半導体チップ１２を実装するための構成部材であり、半導体チップ１２の温度を冷却するための放熱部材でもある。なお、半導体チップ１２がはんだ層２７により放熱部材に接合された構造を実装部と呼ぶ。
【００２４】
前述の通り、半導体チップ１２は、はんだ付けにより、半導体チップ１２及び絶縁基板２１といった構成部材に取り付けられている。このため、半導体チップ１２への通電が繰り返されると、構成部材との間において発生する熱応力によって、はんだ層２７には、図４に示されるような亀裂２９が生じ得る。亀裂２９が発生すると、熱伝導率が低下し、放熱性能が劣化する。放熱性能が劣化した状態で半導体チップ１２を使用し続けると、半導体チップ１２の温度上昇率が高くなり、突発的に破損に至るおそれがある。半導体チップ１２の突発的な破損を防止するために、半導体チップ１２の寿命診断を正確に行うことが望まれている。
【００２５】
なお、本実施の形態における半導体チップの寿命診断とは、上述の様に、はんだ等の接合部の劣化により影響される半導体チップの寿命診断のことを言う。
【００２６】
次に、実施の形態１における寿命診断の要点及びその手法（以下、「寿命診断手法」と略す）について、図５から図８の図面を参照して説明する。図５は、実施の形態１における寿命診断手法の説明に供するＩＧＢＴの出力特性の例を示す図である。図６は、実施の形態１における寿命診断手法の説明に供するＩＧＢＴの温度特性の例を示す図である。図７は、実施の形態１における寿命診断手法の説明に供する要部の回路図である。図８は、実施の形態１における寿命診断手法の説明に供するタイムチャートである。
【００２７】
まず、前提条件について説明する。図５には、ＩＧＢＴ単体の出力特性が示されている。横軸はコレクタ・エミッタ間電圧であり、縦軸はコレクタ電流を定格電流の％値で示している。以下、コレクタ・エミッタ間電圧を「ＶＣＥ」と表記し、コレクタ電流を「ＩＣ」と表記する。図示のように、ＩＧＢＴにおけるＩＣは、ＩＧＢＴのエミッタとゲートとの間に印加されるゲート電圧であるＶＧＥによって、その大きさが変化する。図５の特性から理解できるように、ＩＣの大きさは、ＶＧＥによって制御することが可能である。また、ＩＣの上限値は、ＶＧＥによって制御することが可能である。
【００２８】
また、図５の出力特性において、ＶＣＥの増加に従ってＩＣが増加する領域は「飽和領域」と呼ばれる。これに対し、ＶＣＥが増加しても、ＩＣが飽和して殆ど増加しない領域は「活性領域」と呼ばれる。簡単に言うと、ＶＣＥの変化に対してＩＣが飽和しない領域が「飽和領域」であり、ＶＣＥの変化に対してＩＣが飽和する領域が「活性領域」である。なお、詳細は後述するが、実施の形態１では、飽和領域と活性領域の双方を使用して寿命診断を行う。
【００２９】
また、ＩＧＢＴは、図６に示すような温度特性を有している。横軸は、半導体チップの温度である。縦軸は、コレクタ・エミッタ間飽和電圧及びゲート・エミッタ間しきい値電圧を示している。以下、半導体チップの温度を「チップ温度」と呼ぶ。また、コレクタ・エミッタ間の飽和電圧を「ＶＣＥ（ｓａｔ）」と表記し、ゲート・エミッタ間のしきい値電圧を「ＶＧＥ（ｔｈ）」と表記する。
【００３０】
図６において、実線で表す直線はＶＣＥ（ｓａｔ）を表し、一点鎖線の直線はＶＧＥ（ｔｈ）を表している。図示のように、ＶＣＥ（ｓａｔ）及びＶＧＥ（ｔｈ）は共に、チップ温度の増加に従って減少する特性である。ＶＣＥ（ｓａｔ）の傾きを「ｍ１」、ＶＧＥ（ｔｈ）の傾きを「ｍ２」で表すと、ｍ１の絶対値は、ｍ２の絶対値よりも小さいのが一般的な特性である。ＩＧＢＴの種類によっても異なり、個体差によるばらつきもあるが、一例を示すと、ｍ１＝−２ｍＶ／℃、ｍ２＝−８ｍＶ／℃程度である。
【００３１】
図７には、実施の形態１における寿命診断手法を説明するための要部の構成として、インバータ回路１１における１相分のレグが示されている。図７では、上アームのＩＧＢＴを「ＩＧＢＴ（Ｐ）」、下アームのＩＧＢＴを「ＩＧＢＴ（Ｎ）」と表記している。ゲート駆動回路１５は、電圧が可変できる駆動回路電源１５ａと、駆動回路１５ｂとを備えている。駆動回路電源１５ａ及び駆動回路１５ｂの組は、１つのＩＧＢＴに対して１つずつ設けられている。駆動回路１５ｂは、ＩＧＢＴにゲート電圧を印加する。ゲート電圧の大きさは、駆動回路電源１５ａによって変更することができる。なお、図７では、それぞれのＩＧＢＴにおける物理量をアルファベットで表記しているが、それぞれの表記の意味は、以下の通りである。
【００３２】
ＶＧＥ（Ｐ）：ＩＧＢＴ（Ｐ）に印加するゲート電圧
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。
【００３３】
次に、具体的な動作及び制御の流れについて、図８のタイムチャートを用いて説明する。図８には、ＩＧＢＴ（Ｐ）の熱抵抗を算出する処理の流れが示されている。図８に示す各処理は、実機に搭載された状態で行われる。
【００３４】
（ｉ）ＶＣＥ（ｓａｔ）１の測定
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。
【００３５】
測定されたＶＣＥ（ｓａｔ）１の値は、制御部１４のメモリ１４ｂに記憶される。ＶＣＥ（ｓａｔ）１としては、２Ｖ程度を想定しているが、これに限定されるものではない。なお、ＶＣＥ（ｓａｔ）１が２Ｖであるとき、ＶＣＥ（Ｎ１）、即ちＩＧＢＴ（Ｎ）のコレクタ・エミッタ間電圧は、３０９Ｖになる。
【００３６】
（ii）パワー印加
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。
【００３７】
（iii）ＶＣＥ（ｓａｔ）２の測定
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。
【００３８】
（iv）熱抵抗（Ｒｔｈ）の算出
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。
【００３９】
（ｖ）診断
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。
【００４０】
なお、上記（ｉ）から（ｖ）では、ＩＧＢＴ（Ｐ）の熱抵抗を算出して診断する処理について説明したが、ＩＧＢＴ（Ｎ）も同じ処理で熱抵抗の算出及び診断を行うことができる。具体的には、ＩＧＢＴ（Ｐ）とＩＧＢＴ（Ｎ）との関係を入れ替えて上記の処理を行えばよい。
【００４１】
また、上記（ｉ）から（ｖ）の処理は、負荷である電動機３を駆動する直前に行うことが一般的であるが、これに限定されない。アプリケーションによっては、電動機３の運転中において、電動機３の駆動停止期間中に行ってもよい。
【００４２】
また、インバータ回路１１が三相インバータ回路である場合、一度に全ての相、即ち３つの相の診断を行ってもよい。或いは、一度に１つの相の診断を行い、３回の診断で全ての相の診断を行うようにしてもよい。
【００４３】
また、図２に示すインバータ回路１１は、負荷である電動機３に印加する電圧が２レベルの構成であるが、この構成に限定されない。電動機３に印加する電圧が３レベルのインバータ回路に用いることもできる。図９は、実施の形態１における寿命診断手法の適用対象として示す３レベルインバータの１相分の回路図である。
【００４４】
３レベルの構成の場合、１つのレグは、４つの半導体チップ１２ＵＰ１，１２ＵＰ２，１２ＵＮ１，１２ＵＮ２が電気的に直列に接続される構成となる。このため、１つのレグを２つの直列回路部１２Ｐ，１２Ｎに区分し、２つの直列回路部１２Ｐ，１２Ｎのそれぞれに対して、上述した（ｉ）から（ｖ）の処理を行えばよい。これにより、２つの直列回路部１２Ｐ，１２Ｎにおけるそれぞれの半導体チップの寿命診断を行うことができる。
【００４５】
なお、上述したように、２つの半導体チップが直列に接続される直列回路部が最小構成となるが、３つ以上の半導体チップが直列に接続される直列回路部に対して上述した（ｉ）から（ｖ）の処理を行ってもよい。例えば、第１、第２及び第３の半導体チップが直列に接続されるものを直列回路部とした場合、第１の半導体チップをＩＧＢＴ（Ｐ）とし、第２及び第３の半導体チップをＩＧＢＴ（Ｎ）とすることで第１の半導体チップの寿命診断を行うことができる。そして、第１、第２及び第３の半導体チップの役割を順次入れ替えることで、第２及び第３の半導体チップの寿命診断を行うことができる。
【００４６】
また、上記では、半導体チップ１２の半導体素子がＩＧＢＴである場合を例示したが、これに限定されない。半導体チップ１２の半導体素子が金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）である場合にも、上記の手法は適用可能である。ＭＯＳＦＥＴは、ＩＧＢＴと同様に、ゲート端子に印加する電圧によって制御される電圧駆動素子であるため、ＭＯＳＦＥＴにおける、図５に示される出力特性、及び図６に示される温度特性を考慮した制御とすることで、寿命診断を行うことができる。
【００４７】
以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置は、第１及び第２の半導体チップが実機に搭載された状態で、互いに直列に接続された第１及び第２の半導体チップの電気的特性の１つであるコレクタ・エミッタ間飽和電圧を測定する。また、測定したコレクタ・エミッタ間飽和電圧に基づいて放熱部材の熱抵抗を算出する。そして、算出した熱抵抗を初期値と比較することにより、第１及び第２の半導体チップの劣化による異常又は寿命を診断する。即ち、実施の形態１に係る電力変換装置は、半導体素子の電気的特性の変化から半導体チップの異常診断又は寿命診断を行う。これにより、従来技術に比してより高精度な異常診断又は寿命診断を行うことができる。
【００４８】
また、上記特許文献１に代表される従来技術は、寿命カーブで予測する手法であり、機台ばらつきが考慮できないという欠点がある。機台ばらつきが考慮できない場合、リスクを考慮して、寿命が短くなる方向の寿命診断が行われるので、精度が低下する。また、従来技術は、１つの条件で寿命診断を行う手法であり、電力変換装置の使用法によるばらつきが考慮できないという欠点がある。これに対し、実施の形態１における寿命診断は、実機に搭載された状態で行われ、且つ、半導体チップの電気的特性がダイレクトに測定される。このため、機台ばらつき及び電力変換装置の使用法によるばらつきを包含できる。これにより、従来技術よりも精度の良い異常診断又は寿命診断を行うことができる。
【００４９】
なお、互いに直列に接続された第１及び第２の半導体チップを含むレグが複数ある場合、電気的特性を測定するレグを変更すれば、異常診断又は寿命診断の対象を変更することができる。
【００５０】
また、半導体チップのうちの少なくとも１つが異常レベルにあると判定された場合、前記半導体チップをスイッチング制御するＰＷＭ信号の周波数を小さくすることが好ましい。ＰＷＭ信号の周波数を小さくすることで、電動機３の意図しない停止を防止することができる。或いは、運転中の電動機３を安全に停止することができる。
【００５１】
また、半導体チップのうちの少なくとも１つ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ことが好ましい。アラームを出力することで、運用者又は管理者に電力変換装置の状態を報知することができる。
【００５２】
また、半導体チップのうちの少なくとも１つが寿命に達したと判定された場合には、半導体チップに対する制御を停止することが好ましい。半導体チップに対する制御を停止することにより、電動機３の意図しない停止を防止することができる。或いは、運転中の電動機３を安全に停止することができる。或いは、半導体チップの故障が他の部位に及ぶのを防止することができる。
【００５３】
次に、実施の形態１に係る寿命診断方法におけるより一般化した処理手順について説明する。図１０は、実施の形態１に係る寿命診断方法による処理手順を示すフローチャートである。以下の各ステップの処理は、制御部１４の制御下で行われる。
【００５４】
ステップＳ１１では、第１の半導体チップのゲート端子に第１の値のゲート電圧を印加すると共に、第２の半導体チップのゲート端子に第２の値のゲート電圧を印加して直列回路部に第１の電流値の電流を流す処理が行われる。
【００５５】
上記のステップＳ１１の処理において、直列回路部は、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回路部を意味し、図７の構成で言えば、ＩＧＢＴ（Ｐ）及びＩＧＢＴ（Ｎ）がこれに対応する。第１の値のゲート電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＧＥ（Ｐ１）に対応する。第２の値のゲート電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＧＥ（Ｎ１）に対応する。第１の電流値は、図８のタイムチャートのＶＣＥ（ｓａｔ）１の測定フェーズにおけるＩＣ（Ｐ１），ＩＣ（Ｎ１）に対応する。
【００５６】
ステップＳ１２では、直列回路部に第１の電流値の電流が流れたときに第１の半導体チップに印加される第１電圧が測定される。即ち、第１電圧は、第１の半導体チップの第１端子と第２端子との間に発生する電圧であり、第１の半導体チップの電気的特性である。なお、この電気的特性を「第１の特性」と呼ぶ場合がある。
【００５７】
上記のステップＳ１２の処理において、第１電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＣＥ（ｓａｔ）１に対応する。
【００５８】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２の後に、第１の半導体チップのゲート端子に第３の値のゲート電圧を印加すると共に、第２の半導体チップのゲート端子に第４の値のゲート電圧を印加して直列回路部に第２の電流値の電流を流す処理が行われる。
【００５９】
上記のステップＳ１３の処理において、第３の値のゲート電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＧＥ（Ｐ２）に対応する。第４の値のゲート電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＧＥ（Ｎ２）に対応する。第２の電流値は、図８のタイムチャートにおけるＩＣ（Ｐ２），ＩＣ（Ｎ２）に対応する。
【００６０】
ステップＳ１４では、ステップＳ１３の後に、第１の半導体チップのゲート端子に第１の値のゲート電圧を印加すると共に、第２の半導体チップのゲート端子に第２の値のゲート電圧を印加して直列回路部に第３の電流値の電流を流す処理が行われる。
【００６１】
上記のステップＳ１４の処理において、第１の値のゲート電圧は、前述したＶＧＥ（Ｐ１）であり、第２の値のゲート電圧は、前述したＶＧＥ（Ｎ１）である。第３の電流値は、図８のタイムチャートのＶＣＥ（ｓａｔ）２測定フェーズにおけるＩＣ（Ｐ１），ＩＣ（Ｎ１）に対応する。
【００６２】
ステップＳ１５では、直列回路部に第３の電流値の電流が流れたときに第１端子と第２端子との間に発生する第２電圧が測定される。なお、第２電圧は、第１の半導体チップの電気的特性であり、「第２の特性」と呼ぶ場合がある。
【００６３】
上記のステップＳ１５の処理において、第２電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＣＥ（ｓａｔ）２に対応する。
【００６４】
ステップＳ１６では、第１及び第２の半導体チップの温度特性、第１電圧の測定値、第２電圧の測定値、第２の電流値、及び第１の半導体チップに第２の電流値を流したときに第１の半導体チップの第１端子と第２端子との間に発生する電圧に基づいて第１の半導体チップの熱抵抗が算出される。
【００６５】
上記のステップＳ１６の処理において、第１及び第２の半導体チップの温度特性は、図６におけるＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間飽和電圧に対応する。第１の半導体チップの第１端子と第２端子との間に発生する電圧は、図８のタイムチャートにおけるＶＣＥ（Ｐ２）に対応する。
【００６６】
ステップＳ１７では、ステップＳ１６で算出した熱抵抗を初期値と比較することで第１及び第２の半導体チップの異常又は寿命が診断される。
【００６７】
以上のように、制御部１４は、直列回路部に第２の電流値の電流が流れたことによる熱抵抗の変化に基づいて第１及び第２の半導体チップの寿命診断及び異常診断を行う。上記のステップＳ１１からステップＳ１７までの処理は、プログラムという形式で具現され、制御部１４に実装することができる。このプログラムは、前述したようにメモリ１４ｂに保存され、プロセッサ１４ａによって読みとられる。そして、このプログラムによる処理は、プロセッサ１４ａの制御下において実行され、上述した寿命診断及び異常診断が実現される。
【００６８】
なお、制御部１４における寿命診断及び異常診断の機能は、電力変換装置１における電力変換の機能とは別個に半導体チップの寿命診断装置として構成されてもよい。半導体チップの寿命診断装置は、電力変換装置１の内部に構成されていてもよいし、電力変換装置１の外部に別個の装置として構成されていてもよい。
【００６９】
なお、本実施の形態では寿命診断および異常診断を例として説明したが、寿命のレベルを複数段階的に設け、異常が発生した時点を第１段階の寿命としてもよい。複数段階の寿命を診断することで、ユーザが寿命のレベルに応じた使用条件、あるいは使用終了判断を適宜決めることができる。
【００７０】
本実施の形態では、接合材としてはんだの場合を説明したが、Ａｇ、Ｃｕ等を含む他の接合材を用いてもよいことは言うまでもない。
【００７１】
実施の形態２．
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。
【００７２】
図１１は、実施の形態２における寿命診断手法の説明に供するタイムチャートである。図１１には、ＩＧＢＴ（Ｐ）の熱抵抗を算出する処理の流れが示されている。なお、図８と同様に、図１１に示す各処理は、実機に搭載された状態で行われる。
【００７３】
（ｉ）ＶＧＥ（ｔｈ）１の測定
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。
【００７４】
制御部１４は、測定したＶＧＥ（Ｐ）の値をＶＧＥ（ｔｈ）１とする。測定されたＶＧＥ（ｔｈ）１の値は、制御部１４のメモリ１４ｂに記憶される。ここで、ＩＣ（Ｐ）がＩＣ（Ｐ１）になるときのＶＧＥ（Ｐ）をＶＧＥ（Ｐ１）とすると、ＶＧＥ（Ｐ１）とＶＧＥ（Ｎ１）との間には、ＶＧＥ（Ｐ１）＜ＶＧＥ（Ｎ１）の関係がある。ＶＧＥ（Ｎ１）は、ＶＰＮの電圧でＩＣ（Ｎ）が飽和しない図５の飽和領域で使用できる電圧とする。一般的にＶＧＥ（Ｎ１）は、１５Ｖ程度である。ＩＣ（Ｐ１）は、規定の電流であり、１［Ａ］以下の電流を想定しているが、これに限定されるものではない。また、ＶＣＥ（Ｎ１）は、２Ｖ程度を想定しているが、これに限定されるものではない。なお、ＶＣＥ（Ｎ１）が２Ｖであるとき、ＩＧＢＴ（Ｐ）のコレクタ・エミッタ間電圧であるＶＣＥ（Ｐ２）は、３０９Ｖになる。
【００７５】
（ii）パワー印加
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。
【００７６】
（iii）ＶＧＥ（ｔｈ）２の測定
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。
【００７７】
（iv）熱抵抗（Ｒｔｈ）の算出
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。
【００７８】
（ｖ）診断
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。
【００７９】
なお、上記（ｉ）から（ｖ）では、ＩＧＢＴ（Ｐ）の熱抵抗を算出して診断する処理について説明したが、ＩＧＢＴ（Ｎ）も同じ処理で熱抵抗の算出及び診断を行うことができる。具体的には、ＩＧＢＴ（Ｐ）とＩＧＢＴ（Ｎ）との関係を入れ替えて上記の処理を行えばよい。
【００８０】
また、上記（ｉ）から（ｖ）の処理は、負荷である電動機３を駆動する直前に行うことが一般的であるが、これに限定されない。アプリケーションによっては、電動機３の運転中において、電動機３の駆動停止期間中に行ってもよい。
【００８１】
また、インバータ回路１１が三相インバータ回路である場合、一度に全ての相、即ち３つの相の診断を行ってもよい。或いは、一度に１つの相の診断を行い、３回の診断で全ての相の診断を行うようにしてもよい。
【００８２】
なお、実施の形態２の手法は、実施の形態１と同様に、３レベルのインバータ回路に用いることもできる。また、実施の形態２の手法は、実施の形態１と同様に、半導体チップ１２の半導体素子がＭＯＳＦＥＴである場合にも適用可能である。
【００８３】
以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置は、第１及び第２の半導体チップが実機に搭載された状態で第１及び第２の半導体チップの電気的特性の１つであるゲート・エミッタ間しきい値電圧を測定する。また、測定したゲート・エミッタ間しきい値電圧に基づいて構成部材を含む放熱構造の熱抵抗を算出する。そして、算出した熱抵抗を初期値と比較することにより、第１及び第２の半導体チップの劣化による異常又は寿命を診断する。即ち、実施の形態２に係る電力変換装置は、半導体素子の電気的特性の変化から半導体チップの異常診断又は寿命診断を行う。これにより、従来技術に比してより高精度な異常診断又は寿命診断を行うことができる。
【００８４】
また、実施の形態２における寿命診断は、実機に搭載された状態で行われ、且つ、半導体チップの電気的特性がダイレクトに測定される。このため、機台ばらつき及び電力変換装置の使用法によるばらつきを包含できる。これにより、従来技術よりも精度の良い異常診断又は寿命診断を行うことができる。
【００８５】
次に、実施の形態２に係る寿命診断方法におけるより一般化した処理手順について説明する。図１２は、実施の形態２に係る寿命診断方法による処理手順を示すフローチャートである。以下の各ステップの処理は、制御部１４の制御下で行われる。
【００８６】
ステップＳ２１では、第２の半導体チップのゲート端子に第２の半導体チップを導通させるための第１の値のゲート電圧を印加すると共に、第１の半導体チップのゲート端子に印加するゲート電圧を増加させて直列回路部に電流を流し、直列回路部に流れる電流が第１の電流値になるときの第１の半導体チップのゲート端子に印加された第１電圧を測定する処理が行われる。
【００８７】
上記のステップＳ２１の処理において、直列回路部は、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回路部を意味し、図７の構成で言えば、ＩＧＢＴ（Ｐ）及びＩＧＢＴ（Ｎ）がこれに対応する。第１の値のゲート電圧は、図１１のタイムチャートにおけるＶＧＥ（Ｎ１）に対応する。第１の電流値は、図１１のタイムチャートのＶＧＥ（ｔｈ）１の測定フェーズにおけるＩＣ（Ｐ１）に対応する。
【００８８】
ステップＳ２２では、ステップＳ２１の後に、第２の半導体チップのゲート端子に印加されている第１の値のゲート電圧を維持すると共に、第１の半導体チップのゲート端子に第２の値のゲート電圧を印加して直列回路部に第２の電流値の電流を流す処理が行われる。
【００８９】
上記のステップＳ２２の処理において、第１の値のゲート電圧は、前述したＶＧＥ（Ｎ１）であり、第２の値のゲート電圧は、図１１のタイムチャートにおけるＶＧＥ（Ｐ２）に対応する。第２の電流値は、図１１のタイムチャートにおけるＩＣ（Ｐ２），ＩＣ（Ｎ２）に対応する。
【００９０】
ステップＳ２３では、ステップＳ２２の後に、第２の半導体チップのゲート端子に印加されている第１の値のゲート電圧を維持すると共に、第１の半導体チップのゲート端子へのゲート電圧の印加を遮断する処理が行われる。
【００９１】
上記のステップＳ２３の処理において、第１の値のゲート電圧は、前述したＶＧＥ（Ｎ１）である。
【００９２】
ステップＳ２４では、ステップＳ２３の後に、第２の半導体チップのゲート端子に印加されている第１の値のゲート電圧を維持すると共に、第１の半導体チップのゲート端子に印加するゲート電圧を増加させて直列回路部に電流を流し、直列回路部に流れる電流が第１の電流値になるときの第１の半導体チップのゲート端子に印加された第２電圧が測定される。
【００９３】
上記のステップＳ２４の処理において、第１の値のゲート電圧は、前述したＶＧＥ（Ｎ１）であり、第２の値のゲート電圧は、前述したＶＧＥ（Ｐ２）である。第１の電流値は、前述したＩＣ（Ｐ１）である。
【００９４】
ステップＳ２５では、第１及び第２の半導体チップの温度特性、第１電圧の測定値、第２電圧の測定値、第２の電流値、及び第１の半導体チップに第２の電流値の電流を流したときに第１の半導体チップの第１端子と第２端子との間に発生する電圧に基づいて第１の半導体チップの熱抵抗が算出される。
【００９５】
上記のステップＳ２５の処理において、第１及び第２の半導体チップの温度特性は、図６におけるＩＧＢＴのゲート・エミッタ間しきい値電圧に対応する。第１端子は、第１電流が流出する側の端子であり、図２の半導体チップ１２ＵＰにおける１２ｂに対応する。第２端子は、第１電流が流入する側の端子であり、図２の半導体チップ１２ＵＰにおける１２ｃに対応する。第１の半導体チップの第１端子と第２端子との間に発生する電圧は、図１１のタイムチャートにおけるＶＣＥ（Ｐ２）に対応する。
【００９６】
ステップＳ２６では、ステップＳ２５で算出した熱抵抗を初期値と比較することで第１及び第２の半導体チップの異常又は寿命が診断される。
【００９７】
上記のステップＳ２１からステップＳ２６までの処理は、プログラムという形式で具現され、制御部１４に実装することができる。このプログラムは、前述したようにメモリ１４ｂに保存され、プロセッサ１４ａによって読みとられる。そして、このプログラムによる処理は、プロセッサ１４ａの制御下において実行され、上述した寿命診断及び異常診断が実現される。
【００９８】
実施の形態３．
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。
【００９９】
図３の放熱構造において、半導体チップ１２によって発生した熱は、時間をかけて伝導して行く。このため、熱抵抗の値は、図１３に示されるように時間の関数となる。図１３の例によれば、約０．３ｓまでは、時間と共に増加し、０．３ｓ以降では、フラットな特性となる。図１３におけるフラットな特性部分は、図３の放熱構造において、半導体チップ１２によって発生した熱の影響が絶縁基板２１の裏面にあるはんだ層２８を超えて、金属ベース２５まで達していると考えられる。一方、図１３において、リニアに増加する特性部分は、半導体チップ１２によって発生した熱の影響がはんだ層２８に達していないと考えられる。これらの特性を考慮すると、図８及び図１１に示されるパワー印加フェーズにおける印加時間（以下、「パワー印加時間」と呼ぶ）を制御することで、半導体チップ１２の寿命に影響をもたらす放熱部材の構造上の診断部位を変更することができる。
【０１００】
以上の点を踏まえ、実施の形態３に係る寿命診断では、半導体チップ１２に電力消費を行わせるパワー印加時間を制御する。具体的には、図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ１３におけるパワー印加時間を第１の時間よりも短くする。図１２のフローチャートであれば、ステップＳ２２におけるパワー印加時間を第１の時間よりも短くする。言い替えると、第１の時間が経過する前にパワー印加を停止する。パワー印加時間を第１の時間よりも短くすることで、絶縁基板２１の表面にあるはんだ層２７の亀裂を診断することができる。なお、図１３に示される熱抵抗の例の場合、第１の時間としては、０．０３ｓ程度が設定される。
【０１０１】
また、図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ１３におけるパワー印加時間を第２の時間よりも長くする。図１２のフローチャートであれば、ステップＳ２２におけるパワー印加時間を第２の時間よりも長くする。言い替えると、第２の時間が経過した後にパワー印加を停止する。第２の時間は、第１の時間よりも長い時間である。図１３に示される熱抵抗の例の場合、第２の時間としては、０．４ｓ程度が設定される。
【０１０２】
パワー印加時間を第２の時間よりも長くする第２の診断処理は、パワー印加時間を第１の時間よりも短くする第１の診断処理と併用する。第１の診断処理によって得た第１の診断結果により、絶縁基板２１の表面にあるはんだ層２７の状態を診断することができる。また、この第１の診断結果と、第２の診断処理によって得た第２の診断結果とに基づいて、絶縁基板２１の裏面にあるはんだ層２８の状態を診断することができる。
【０１０３】
以上説明したように、実施の形態３に係る寿命診断では、半導体チップに電力消費を行わせるパワー印加時間を制御する。これにより、半導体チップが実装される構成部材を含む放熱構造における構造上の診断部位の変更が可能となる。
【０１０４】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  電力変換装置、２  交流電源、３  電動機、１０  整流回路、１１  インバータ回路、１２，１２ＵＮ，１２ＵＮ１，１２ＵＮ２，１２ＵＰ，１２ＵＰ１，１２ＵＰ２，１２ＶＮ，１２ＶＰ，１２ＷＮ，１２ＷＰ  半導体チップ、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  レグ、１２Ｎ，１２Ｐ  直列回路部、１２ａ  ゲート端子、１２ｂ  第１端子、１２ｃ  第２端子、１３  平滑コンデンサ、１４  制御部、１４ａ  プロセッサ、１４ｂ  メモリ、１５  ゲート駆動回路、１５ａ  駆動回路電源、１５ｂ  駆動回路、１６，１７  直流母線、１８  交流電力、１９  駆動信号、２０  駆動電圧、２１  絶縁基板、２２，２４，２６  配線パターン、２３  ワイヤ、２５  金属ベース、２７，２８  はんだ層、２９  亀裂。
【要約】
電力変換装置（１）は、はんだ付けにより構成部材に実装される半導体チップを複数個備え、複数個の半導体チップのうちの第１の半導体チップ（ＩＧＢＴ（Ｐ））と、第２の半導体チップ（ＩＧＢＴ（Ｐ））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の動作を制御する。電力変換装置（１）は、第１及び第２の半導体チップ（ＩＧＢＴ（Ｐ），ＩＧＢＴ（Ｎ））が実機に搭載された状態で第１及び第２の半導体チップ（ＩＧＢＴ（Ｐ），ＩＧＢＴ（Ｎ））の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に基づいて構成部材を含む放熱構造の熱抵抗を算出する。電力変換装置（１）は、算出した熱抵抗を初期値と比較することにより、第１及び第２の半導体チップ（ＩＧＢＴ（Ｐ），ＩＧＢＴ（Ｎ））の劣化による異常又は寿命を診断する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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