(57)【要約】【課題】  温度ストレスに対する信頼性が高いインバータ装置を提供すること。【解決手段】  本発明のインバータ装置は、電力半導体モジュールの温度を電圧に変換する回路と、その電圧を記憶する回路と、一定期間の最高温度Ｔ１を保持する手段と、電力半導体モジュールの周囲温度Ｔ２を測定する手段と、測定温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２から基準温度差ΔＴｓｔｄの温度サイクル数に変換する演算器とを備え、ＩＧＢＴモジュールの余寿命を高い精度で予測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子モジュールに形成された第１の温度検出手段と、該パワー半導体モジュールの周囲温度を測定する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段と第２の温度検出手段の信号を入力する演算装置とを備えることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ装置において、前記インバータ装置が前記演算装置とデータのやり取りを行うメモリを備えていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
パワー半導体素子モジュールのパワー半導体素子上に形成された温度検出用ダイオードと、該温度出用ダイオードの出力信号を入力する演算装置とを有し、該演算装置が、
インバータ動作前の前記温度検出用ダイオードの順方向電圧降下ＶF1を測定するステップと、インバータ動作中の前記温度検出用ダイオードの順方向電圧降下ＶF2を測定するステップと、順方向電圧差比（ＶF1−ＶF2）／ＶF1を計算するステップと、あらかじめメモリに記憶しておいた順方向電圧比と温度差との関係から前記パワー半導体素子のインバータ動作前の温度とインバータ動作中の温度との温度差を測定するステップを有することを特徴とするインバータ装置。
【請求項４】
パワー半導体素子モジュールのパワー半導体素子上に形成された第１の温度検出手段と、該パワー半導体素子モジュールの周囲温度を測定する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段が出力する電圧と三角波の電圧とを比較する電圧比較器と、前記電圧比較器が出力するパルス幅変調信号のパルス幅を測定するカウンタ回路と、前記第１の温度検出手段と前記カウンタ回路の信号が入力された演算回路と、前記演算装置とデータのやり取りをするメモリとを備えることを特徴とするインバータ装置。
【請求項５】
パワー半導体素子モジュールのパワー半導体素子上に形成された温度検出用ダイオードと、該温度検出用ダイオードの出力電圧と三角波の電圧を比較する電圧比較器と、前記電圧比較器が出力するパルス幅変調信号のパルス幅を測定するカウンタ回路と、前記カウンタ回路の信号が入力された演算回路とを有し、
該演算回路が、インバータ動作前の前記温度検出用ダイオードの出力に基づく第１のパルス幅ｔ２ａを測定するステップと、インバータ動作中の前記温度検出用ダイオードの出力に基づく第２のパルス幅ｔ２ｂを測定するステップと、該第１のパルス幅ｔ２ａと第２のパルス幅ｔ２ｂとの比ｔ２ａ／ｔ２ｂを計算するステップと、あらかじめメモリに記憶しておいたパルス幅の比と温度差との関係から前記パワー半導体素子のインバータ動作前の温度とインバータ動作中の温度との温度差を測定するステップを有することを特徴とするインバータ装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかに記載のインバータ装置において、
前記演算装置が、温度差ΔＴEXでの寿命ＮEXを記憶するステップと、デジタル変換した温度信号を記憶し、一定周期の最高温度と最低温度を測定し、その差より温度差ΔＴｊを算出するステップと、Ｎ＝Ｎ１×(ΔＴｊ／ΔＴEX)n 式（但し、Ｎ１は温度差ΔＴｊの繰り返し回数）により、温度差ΔＴEXでのサイクル数Ｎに換算するステップと、余寿命ΔＮEXをΔＮEX＝ＮEX−Ｎ式で計算して余寿命を測定するステップとを有することを特徴とするインバータ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のインバータ装置において、
前記余寿命ΔＮEXが所定の値より短くなった場合には、上位の制御装置に異常信号を伝達することを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２に従来技術のインバータ装置の半導体スイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor 以下ＩＧＢＴと略す）とフラホイールダイオードを備えたＩＧＢＴモジュールの実装形態を示す。ＩＧＢＴモジュールは、ＩＧＢＴ１とフライホイールダイオード８とが絶縁基板４上に配置され、アルミニウムワイヤボンディング３によって、図示していない金属配線パターンに配線され、複数の絶縁基板４が金属ベース５に半田によって接続されている。この金属ベース５は放熱フィン６に接続されている。
【０００３】
ＩＧＢＴ１はｎｐｎｐ構造とＭＯＳＦＥＴの複合構造であり、内部に寄生サイリスタを持つため、ラッチアップを起こしてゲートで電流を制御できなくなることもある。このラッチアップは高温になるほど起こりやすいために、ＩＧＢＴの動作を温度で制限する必要があるので、例えばサーミスタ７を放熱フィン６につけて動作温度を検出している。このような従来技術が特許文献１に記載されている。
【０００４】
別の従来技術として、ＩＧＢＴチップ上に温度センサとなるダイオードを内蔵する方法が特許文献１、特許文献２に記載されている。このようにＩＧＢＴ上のダイオードを利用した温度検知回路の一例を図３に示す。マイコン３０からの指令信号はドライバＩＣ２０内の駆動回路１１で増幅されてＩＧＢＴ１を駆動する。ドライバＩＣ２０内に定電流源１０が設けられており、ＩＧＢＴ１のチップ上のダイオード２に電流を供給している。ダイオード２のアノード側は電圧検知回路１２のマイナス側に接続し、電圧検知回路１２のプラス側には基準電源１４が接続されている。ダイオード２は高温になるほど順方向の電圧降下ＶF （以後、順方向電圧と呼ぶ。）が小さくなる。予め温度とダイオードの順方向電圧の関係を測定しておき、所定温度での順方向電圧と等しい電圧を基準電位に設定しておき、設定電圧以上になると電圧検知回路１２から信号が出力され駆動回路１１からＩＧＢＴ１へオフ信号が発生するとともに、マイコン３０にも異常信号を出力する。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１５８３８号公報
【特許文献２】特開２００４−８０８６５号公報
【特許文献３】特開２００１−１３３３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術では、ＩＧＢＴのラッチアップ破壊を回避するように最高動作温度を決めていた。しかしながら、ＩＧＢＴがラッチアップしない温度以下でも温度ストレスが繰り返されることによって、半導体チップが破損することがある。
【０００７】
シリコン半導体チップと電流を取り出すための金属配線体とはアルミニウムワイヤボンディングあるいは半田によって接続されている。ＩＧＢＴが動作すると、ＩＧＢＴチップ自身の損失により周囲温度と温度差が生じ、アルミニウムワイヤボンディングとシリコン半導体チップとの界面、あるいは半田と金属ベースとの界面に熱応力が発生する。ＩＧＢＴが作動と停止とを繰り返すと発熱、冷却の温度サイクルを生じ、この温度サイクルによって、界面に亀裂が入り最終的にはシリコン半導体チップとの接続面がはがれる恐れがあった。
【０００８】
しかし、上記従来技術では、温度差とその繰り返し回数を測定する手段がなく、また、温度測定用ダイオードの素子特性のばらつきが大きく温度が正確に測定できない問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、温度ストレスに対する信頼性が高いインバータ装置の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のインバータ装置は、温度を電圧に変換する回路と、その電圧を記憶する回路と、一定期間の最高温度Ｔ１を保持する手段と、周囲温度Ｔ２を測定する手段と、測定温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２から基準温度差ΔＴｓｔｄの温度サイクル数に変換する演算器とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のインバータ装置では、ＩＧＢＴの温度と周囲温度との温度差と、温度サイクルの回数を測定できるので、ＩＧＢＴモジュールの余寿命を高い精度で予測でき、インバータ装置の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。なお、以下の実施例では絶縁ゲート型電力半導体素子として、ＩＧＢＴを例に説明するが、パワーＭＯＳＦＥＴの場合も同様である。また、以下の実施例ではインバータ装置を構成している複数個のＩＧＢＴのうちの１つのＩＧＢＴを例に説明するが、他のＩＧＢＴについても同様である。
【実施例１】
【００１３】
図１に本実施例を示す。インバータ装置を構成する半導体電力スイッチング素子であるＩＧＢＴ１には温度検知用のダイオード２が図１の破線で囲んだモジュールに内蔵されている。モジュールからは、ＩＧＢＴ１の主端子と制御端子の他に、温度検知用のダイオード２の端子が別に配置されている。
【００１４】
ドライバＩＣ２０は定電流源１０と駆動回路１１を備え、定電流電源１０の端子がダイオード２の端子に図１に示すように接続し、駆動回路１１の駆動信号がＩＧＢＴ１の制御電極であるゲート電極に印加されている。駆動回路１１はＩＧＢＴ１のゲートに電圧を供給し、ＩＧＢＴ１をオンオフする。
【００１５】
マイコン３０はＡＤ変換器３１と加減乗除演算器３２とを備え、このＡＤ変換器３１にはドライバＩＣ２０を経由して温度検知用のダイオード２の信号を入力する。マイコン３０は別チップのメモリ４０とデータをやり取りしている。なお、メモリ４０はマイコン３０と同じチップに形成されていても良い。
【００１６】
次に本実施例の動作を説明する。ＩＧＢＴ１の温度は、定電流電源１によって所定の電流を流しているダイオード２の順方向電圧を測定することによって、電圧に変換される。具体的には、インバータ動作前のダイオード２の順方向電圧ＶF1を測定して記憶し、インバータ動作中のダイオード２の順方向電圧ＶF2を測定して、順方向電圧差比（ＶF1−ＶF2）／ＶF1を計算し、あらかじめメモリに記憶しておいた順方向電圧比と温度差との関係からＩＧＢＴ１のインバータ動作前の温度とインバータ動作中の温度との温度差を測定する。順方向電圧はマイコン３０に送られ、ＡＤ変換器３１でデジタル信号に変換される。
【００１７】
マイコン３０では予め定めた期間中の最高温度をメモリ４０に保存する。ここで、予め定めた期間は、例えば本実施例のインバータ装置がハイブリッド自動車に搭載されている場合には、エンジンをスタートさせてからエンジンを停止させるまでの期間とすればよい。
【００１８】
ところで、図４のように温度の繰り返し揺さぶりにより、ワイヤボンディングとシリコンチップとの界面に応力が加わると、亀裂が入り、最終的にワイヤボンディングが切断して破損する。この現象を以下パワーサイクルと呼ぶ。パワーサイクル寿命ＮEXと温度差ΔＴとは、（数１）式に示す関係がある。
【００１９】
ＮEX＝α×ΔＴn                                                   …（数１）
但し、αとｎとはそれぞれ定数であり、ｎは自然数である。また、温度差ΔＴはインバータのスタート時の温度と実働時の温度との温度差である。
【００２０】
今、事前試験で温度差ΔＴEXにて求めた寿命がＮEXであれば、図４に示すように温度揺さぶりΔＴｊ１がＮ１回（図４では３回）、ΔＴｊ２がＮ２回（図４では１回）あった場合には、おのおのΔＴEXでの換算寿命Ｎ１EX、Ｎ２EXは、（数２）式，（数３）式のようになる。
【００２１】
Ｎ１EX＝Ｎ１×(ΔＴｊ１／ΔＴEX)n                                 …（数２）
Ｎ２EX＝Ｎ２×(ΔＴｊ２／ΔＴEX)n                                 …（数３）
これより、余寿命ΔＮEXは（数４）式で示すようになる。
【００２２】
ΔＮEX＝ＮEX−Ｎ１EX−Ｎ２E
＝Ｎ１EX−Ｎ１×(ΔＴｊ１／ΔＴEX)n −Ｎ２×(ΔＴｊ２／ΔＴEX)n 
…（数４）
すなわち、予め測定し求めた温度差ΔＴEXでの寿命ＮEX、実動作時の温度差ΔＴとその繰り返し回数とを用いて、（数４）式を用いて余寿命が予測できる。
【００２３】
図５に、本実施例のインバータ装置のマイコン３０で、（数４）式を用いた余寿命を計算するフローチャートを示す。マイコン３０は、図５に示す以下の計算ステップを実行する。
（１）寿命ＮEXをメモリ４０に記憶させ、余寿命ΔＮEXの初期値とする。
（２）デジタル変換した温度信号を、メモリ４０に記憶する。
（３）一定周期の最高温度、最低温度を測定し、その差から温度差ΔＴｊを測定する。
（４）Ｎ＝Ｎ１×(ΔＴ／ΔＴEX)n により、温度差ΔＴEXでのサイクル数に換算する。
（５）余寿命ΔＮEX＝ΔＮEX−Ｎを計算する。
（６）余寿命ΔＮEXが設定値より短くなった場合、その旨を上位マイコンに伝達する。達していない場合、ステップ（２）に戻り判定を繰り返す。
【００２４】
本実施例ではこのようにＩＧＢＴの余寿命ΔＮEXを管理するので温度サイクルモードに起因するインバータ装置の不良を除去することができ、インバータ装置の信頼性が向上する。
【００２５】
なお、本実施例では温度差ΔＴをインバータのスタート時の温度と実働時の温度との温度差としたが、たとえば、インバータ装置の周囲温度を測定する別の温度センサを配置し、この温度センサとモジュールに内蔵した温度センサとの温度差を用いて同様に余寿命を計算しても良い。
【実施例２】
【００２６】
図６に本実施例を示す。本実施例では、ＩＧＢＴ１の温度情報であるダイオード２の順方向電圧を、三角波発生回路１３と電圧検知回路１２で比較することで、温度をパルス幅に変換している点が実施例１と異なる。
【００２７】
マイコン３０はカウンタ３３を備えており、このカウンタ３３でパルス幅を測定し、予めメモリ４０に記憶しておいたパルス幅と温度との関係式、あるいはパルス幅と温度との関係テーブルを用いて温度を測定する。
【００２８】
本実施例のインバータ装置ではドライバＩＣ２０とマイコン３０との間は電位が異なっているので、フォトカプラ等で絶縁されている。そのために、ＩＧＢＴ１の温度情報であるダイオード２の順方向電圧信号を直接マイコンに送ることはできない。
【００２９】
そこで、本実施例のインバータ装置では、ＩＧＢＴ１の温度情報を一度パルス幅に変換、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）し、アナログ信号をデジタル信号に変換することによって、フォトカプラ等の絶縁回路を通してもＩＧＢＴ１の温度情報をマイコン３０が認識できるようにした。
【００３０】
本実施例では、図７に示すステップで温度をパルス幅に変換し、高い精度で温度差を測定する。この方法のフローチャートを以下説明する。
（１）インバータ動作前の温度Ｔ１でのパルス幅ｔ２ａを測定する。
（２）インバータ動作後の温度Ｔ２でのパルス幅ｔ２ｂを測定する。
（３）パルスの周期をｔ１としたとき温度差を、（ｔ２ａ／ｔ１）÷（ｔ２ｂ／ｔ１）＝ｔ２ａ／ｔ２ｂで求める。
【００３１】
このように、本実施例ではインバータ装置の動作前後の温度をパルス比ｔ１／ｔ２の計算で求めている。パルス比の温度変化を事前に測定しておき、その関係を用いて温度差を高い精度で求めることができる。このようにして求めた温度差を用いて、実施例１と同様にしてＩＧＢＴ１の余寿命ΔＮEXを求める。なお、ここで、温度差をｔ２ｂ／ｔ２ａから同様に求めても良いことは言うまでもない。
【００３２】
本実施例のインバータ装置では、温度をパルス幅変調した信号に変換することにより、高い精度で温度差を求め、ＩＧＢＴ１の余寿命ΔＮEXを管理するので、温度サイクルモードに起因するインバータ装置の不良を除去することができ、インバータ装置の信頼性が向上する。
【実施例３】
【００３３】
図８に本実施例を示す。本実施例はガソリンエンジンやジーゼルエンジンなどの内燃機のエンジン６０と、図示しない電動機との両方の駆動力を有するハイブリッド車両の場合である。本実施例の電動機は実施例１あるいは、実施例２に記載したインバータ装置で駆動する。
【００３４】
本実施例ではＩＧＢＴ駆動用のマイコン３０は上位の制御装置であるエンジン制御マイコン５０と通信を行っており、ＩＧＢＴ１のパワーサイクル数が事前に設定した回数に近づき余寿命ΔＮEXが短くなった場合、駆動力に占めるエンジン出力の割合を初期に設定した割合より増し、電動機出力の割合を初期に設定した割合より減らすように制御して、インバータ装置のＩＧＢＴ１の寿命を伸ばす。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１のインバータ装置の説明図。
【図２】従来技術のインバータ装置の説明図。
【図３】従来技術のインバータ装置のＩＧＢＴの温度測定回路。
【図４】温度サイクルパターンの説明図。
【図５】実施例１の余寿命の計算フローチャート。
【図６】実施例２のインバータ装置の説明図。
【図７】実施例２の温度差測定のフローチャート。
【図８】実施例３のハイブリッド車の説明図。
【符号の説明】
【００３６】
１…ＩＧＢＴ、２…ダイオード、３…アルミニウムワイヤボンディング、４…絶縁基板、５…金属ベース、６…放熱フィン、７…サーミスタ、８…フライホイールダイオード、１０…定電流源、１１…駆動回路、１２…電圧検知回路、１３…三角波発生回路、１４…基準電源、２０…ドライバＩＣ、３０…マイコン、３１…ＡＤ変換器、３２…加減乗除演算器、３３…カウンタ、４０…メモリ、５０…エンジン制御マイコン、６０…エンジン。
【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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