(57)【要約】【課題】一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供する。【解決手段】動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子を有し、複数の半導体素子に流れる電流を合成した通電電流を出力する半導体装置の異常検出方法であって、所定の温度域にある複数の半導体素子を第１のパルスで駆動したときに検出される通電電流の、時間変化の波形である第１の波形を求め、所定の温度域にある複数の半導体素子を第２のパルスで駆動したときに検出される通電電流の、時間変化の波形である第２の波形を求め、第２の波形と第１の波形との差分を検出することにより、複数の半導体素子の一部が過熱状態にあることを検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子を有し、前記複数の半導体素子に流れる電流を合成した通電電流を出力する半導体装置の異常検出方法であって、
所定の温度域にあり、かつ所定の時間の間、温度変化が所定の値以内に収まっている場合に、前記複数の半導体素子を放熱が過渡熱領域で収まる通電状態を生成する第１のパルスで駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第１の波形を求め、
放熱が定常熱領域となる通電状態を生成する第２のパルスで前記複数の半導体素子を駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第２の波形を求め、
前記第２の波形と前記第１の波形との差分を検出することにより、前記複数の半導体素子の一部が過熱状態にあることを検出することを特徴とする、半導体装置の異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置における発熱異常の発生を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力半導体素子は高電圧および大電流の使用環境下にさらされることから、素子を劣化および破壊から保護するために過熱状態を検出することが広く行われている。
【０００３】
特許文献１には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップ上にＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient)素子を接合して配置してＩＧＢＴチップの温度を監視することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００６／０６８０８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＩＧＢＴチップのように単位セルの集合体からなる半導体領域を有する半導体装置では、半導体領域内に含まれる単位セルごとに半導体素子が形成されている。車両などに設けられるインバータにおいては大電流が流れるゆえにチップサイズの大きい素子が設けられており、放熱体への接合不均一などによりチップ内での発熱分布に偏りが生じる虞がある。いずれか一部のセルの半導体素子が過熱状態にある、部分過熱の状態になると、チップの反りなどの変形による接続箇所の信頼性低下や部分的な熱破壊による故障が生じ得る。
【０００６】
しかしながら、従来の温度監視法では、セルの集合体の状態を代表するマクロな温度を知り得るだけである。したがって、チップ内で部分過熱が発生したことを検出するのは困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子を有し、前記複数の半導体素子に流れる電流を合成した通電電流を出力する半導体装置の異常検出方法であって、所定の温度域にあり、かつ所定の時間の間、温度変化が所定の値以内に収まっている場合に、前記複数の半導体素子を放熱が過渡熱領域で収まる通電状態を生成する第１のパルスで駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第１の波形を求め、放熱が定常熱領域となる通電状態を生成する第２のパルスで前記複数の半導体素子を駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第２の波形を求め、前記第２の波形と前記第１の波形との差分を検出することにより、前記複数の半導体素子の一部が過熱状態にあることを検出する。
【０００９】
第１の発明によれば、所定の温度域にあり、かつ温度変化が所定の範囲に収まっている場合に、複数の半導体素子を第１の駆動方法で駆動したときの通電電流の時間変化の波形を求め、次に第２の駆動方法で求めた波形との差分を検出することにより、一部の半導体素子が過熱状態となる部分過熱の発生を検出する。動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子においては、部分過熱の発生は、通電電流の波形に第１の波形からの特有の変化を引き起こす。したがって、第２の波形と第１の波形との差分を検出すれば、波形に特有の変化が生じたか否かが分かり、部分過熱の発生を検出することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法を実行する装置を含む装置群の構成を示す回路ブロック図
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法による処理を説明するタイムチャート
【図３】本発明の実施形態に係り、半導体装置の異常を検出する原理を説明するグラフ
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法により求まる電流波形を説明するグラフ
【図５】本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法による処理を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図１〜図５を参照しながら、実施の形態を説明する。
【００１３】
［制御装置を含む装置群の構成］
図１に、本実施形態に係る半導体装置の異常検出方法を実行する装置を含む装置群の構成を示す。当該半導体装置の異常検出方法は、半導体装置１の通電電流の時間変化の波形を求め、当該波形の特徴から、部分過熱という発熱異常を検出するものである。上記装置群は、例えば自動車などの車両に備えられ、半導体装置１、駆動装置２、電流センサ３、温度センサ４、および、制御装置５を備えている。
【００１４】
半導体装置１は、単位セルＵの集合体からなる半導体領域Ｒを有している。単位セルＵは１つの機能単位を構成するＩＧＢＴ（半導体素子）１ａを包含している。ＩＧＢＴ１ａのゲート閾値電圧（動作閾値電圧）は、温度上昇に伴って低下する、いわゆる負の温度特性を有している。全ての単位セルＵのＩＧＢＴ１ａどうしは、並列に接続されている。各ＩＧＢＴ１ａのコレクタは互いに接続されて、当該コレクタどうしの接続点が半導体領域Ｒのコレクタ端子Ｃとして半導体装置１の外に引き出されている。各ＩＧＢＴ１ａのエミッタは互いに接続されて、当該エミッタどうしの接続点が半導体領域Ｒのエミッタ端子Ｅとして半導体装置１の外に引き出されている。
【００１５】
また、半導体装置１は、図示しない冷却器により冷却されている。図示しない温度センサにより当該冷却器温度Ｔｃが検出され、冷却器温度Ｔｃの温度情報が制御装置５に入力される。また、制御装置５には、図示しない車速センサから車速Ｖｓが入力される。
【００１６】
駆動装置２は、各ＩＧＢＴ１ａをパルス幅制御などによって駆動する。駆動装置２の動作は制御装置５により制御される。
【００１７】
電流センサ３は、ＩＧＢＴ１ａの駆動時にエミッタ端子Ｅから流出する電流、すなわち半導体領域Ｒの通電電流Ｉｃを検出する。通電電流Ｉｃは、全てのＩＧＢＴ１ａのコレクタ電流の合成電流である。通電電流Ｉｃは、コレクタ端子Ｃへ流入する電流から検出されてもよい。電流センサ３による検出電流の情報は制御装置５へ入力される。
【００１８】
温度センサ４は、半導体領域Ｒ中または半導体領域Ｒの近傍でＩＧＢＴ１ａの素子温度Ｔｉｇｂｔを検出する。温度センサ４は、検出した素子温度Ｔｉｇｂｔの情報を制御装置５へ伝達する。温度センサ４は、例えば温度検出ダイオードまたはサーミスタで構成される。
【００１９】
制御装置５は、駆動装置２がＩＧＢＴ１ａに行う通常の駆動を制御する他、次の動作を行う。制御装置５は、電流センサ３から取得した通電電流Ｉｃの情報から、図４に示すような通電電流Ｉｃの時間変化の波形を求める。一部のＩＧＢＴ１ａが過熱状態にあるときには、当該波形が常温時の波形から特有の変化を生じたものとなる。したがって、この特有の変化を検出すれば、半導体領域Ｒが部分過熱の状態にあることが検出できる。制御装置５は、部分過熱が発生していれば、ＩＧＢＴ１ａの制御モードを変更するとともに、ユーザに報知を行うよう制御する。
【００２０】
[制御装置の処理]
次に、図２ないし図４を用いて、制御装置５による電流波形の取得処理および評価処理を説明する。半導体装置１は、車両の走行用モータに電力を供給するインバータを構成するものとする。図２は、車両の状態と制御装置５の処理との関係を示す。図２において、（Ａ）は車両状態およびＩＧＢＴ１ａの制御モードを時系列にみたときの変遷を、（Ｂ）はＩＧＢＴ１ａの駆動信号波形を、（Ｃ）は素子温度Ｔｉｇｂｔの変化を、（Ｄ）は車速Ｖｓの変化を、それぞれ示す。図３は、ＩＧＢＴ１ａのゲート電圧と通電電流Ｉｃとの関係を示す。図４は、制御装置５が、取得した通電電流Ｉｃの情報から求めた、通電電流Ｉｃの時間変化の波形を示す。
【００２１】
説明の便宜のために、図２の（Ａ）では、通常モード期間Ｆ０、一旦停止期間Ｆ１、測定期間Ｆ２、出力制限モード期間Ｆ３の、４つの期間が順に続くものとする。測定期間Ｆ２の前半において通電電流Ｉｃの正常な電流波形である基準電流波形（第１の波形）を求めておき、測定期間Ｆ２の後半において新たに電流波形（第２の波形）を求めて基準電流波形と比較する。比較により波形に特有の変化が認められ、部分過熱の発生が検出されたとして、当該検出に応じた出力制限モード期間Ｆ３の車両走行が行われる。
【００２２】
図３に実線で示すように、半導体領域Ｒの発熱が均一な時には、ＩＧＢＴ１ａのゲート電圧と通電電流Ｉｃとの関係は、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ０の前後を滑らかに結ぶ曲線ｆとなる。複数のＩＧＢＴ１ａが駆動されて、一部のＩＧＢＴ１ａが過熱状態になると、当該一部のＩＧＢＴ１ａのゲート閾値電圧Ｖｔｈ１はゲート閾値電圧Ｖｔｈ０よりも小さくなる。したがって、過熱状態のＩＧＢＴ１ａは他のＩＧＢＴ１ａよりも低いゲート電圧でオン状態へ移行する。これにより、ゲート電圧と通電電流Ｉｃとの関係に、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ１を超えた辺りで電流が増加する方向への歪みｄｆが現れる。
【００２３】
通常モード期間Ｆ０では、車両が走行しており、半導体装置１は温間状態にある。通常モード期間Ｆ０を継続するには素子温度Ｔｉｇｂｔが閾値温度Ｔｔｈよりも低いことを条件とする。図２の（Ｃ）に示すように、素子温度Ｔｉｇｂｔが波形取得開始の可否を決定する基準温度Ｔ０（後述）を越える状態も存在する。また、図示しないが、温間状態では、冷却器温度Ｔｃも当該温度域にある。このような通常モード期間Ｆ０中において、制御装置５は車速Ｖｓ、素子温度Ｔｉｇｂｔ、および冷却器温度Ｔｃの取得を定期的に行い、その都度通電電流Ｉｃの波形情報取得に適しているか否かの判定を行う。
【００２４】
一旦停止期間Ｆ１では、車両が停止しており、半導体装置１は停止状態（非通電状態）にある。図２の（Ｃ）に示すように、素子温度Ｔｉｇｂｔは、通電されていない半導体装置１が発熱しないことにより、冷却器温度Ｔｃに準じた温度付近で、ある程度の範囲内に安定する。通常モード期間Ｆ０より制御装置５が定期的に取得している車速Ｖｓ、素子温度Ｔｉｇｂｔ、および冷却器温度Ｔｃが、通電電流Ｉｃの波形取得の開始に適した状態と判断されると、測定期間Ｆ２に移行する。当該波形取得の開始に適した状態とは、（ｉ）車速Ｖｓが０（ゼロ）であり、かつ、（ｉｉ）素子温度Ｔｉｇｂｔおよび冷却器温度Ｔｃが波形取得の開始を許容する上限温度である基準温度Ｔ０より低く、かつ、（ｉｉｉ）所定の期間における、素子温度Ｔｉｇｂｔの変動幅ΔＴｉｇｂｔおよび冷却器温度Ｔｃの変動幅ΔＴｃが、所定の値ΔＴ１より小さくなった（安定した）、と判定される状態である。通電電流Ｉｃの波形取得に適した状態と判断されない場合は、制御装置５は引き続き継続して定期的に車速Ｖｓ、素子温度Ｔｉｇｂｔ、および冷却器温度Ｔｃの取得を行い、測定期間Ｆ２には移行しない。
【００２５】
続く測定期間Ｆ２では、制御装置５は、初めに通電電流Ｉｃの基準電流波形を取得する処理を行う。当該処理では、ＩＧＢＴ１ａの通電に伴う半導体領域Ｒの発熱がＩＧＢＴ１ａと冷却器の接合状態に依存せず均一になる、すなわち熱拡散が冷却器まで到達しない、放熱の過渡熱領域を生成する。制御装置５は、ＩＧＢＴ１ａに、放熱が過渡熱領域で収まるような通電状態を生成するように長さが設定された規定パルス（第１のパルス）Ｍ１を、規定回数だけ印加する。制御装置５は、規定パルスＭ１の印加の都度、通電電流Ｉｃの波形情報を取得する（基準電流波形）。規定パルスＭ１の印加終了から規定の時間が経過すると、制御装置５は、ＩＧＢＴ１ａに規定パルス（第２のパルス）Ｍ２を規定回数だけ印加する。規定パルスＭ２の長さは、ＩＧＢＴ１ａの通電に伴う半導体領域Ｒの発熱に対して、発生した熱が冷却器まで充分到達し、かつ、ＩＧＢＴ１ａと冷却器との接合状態によっては部分的に冷却が不足するように、すなわち部分過熱が発生し得るように設定される。当該長さの規定パルスＭ２の印加により、放熱がいわゆる定常熱領域となる通電状態が生成される。制御装置５は、規定パルスＭ２の印加の都度、通電電流Ｉｃ（発熱時電流波形）の波形情報を取得する。このとき、図４に一点鎖線で示すように、波形ｇに歪みｄｇが生じている期間ｔａがあれば、部分過熱が発生していることが分かる。歪みｄｇは、電流値が増加する向きに歪んだ部分として生じる。制御装置５は、先に取得した基準電流波形を基準にして、歪みｄｇの大きさを判定する。歪みｄｇの大きさは、歪みｄｇの波形と期間ｔａの基準電流波形との差分ΔＩとして算出される。差分ΔＩの規定方法は任意でよく、例えば期間ｔａにおける両波形間の最大の電流値差とする。制御装置５は、差分ΔＩが閾値を超えていれば、半導体領域Ｒに部分過熱が発生したと判定する。
【００２６】
続く出力制限モード期間Ｆ３では、車両が再び走行する。制御装置５は、各ＩＧＢＴ１ａを出力制限モードで駆動制御することにより発熱を抑制する。出力制限モードでは、例えば、素子温度Ｔｉｇｂｔが閾値温度Ｔｔｈ以上となるときと同様に、負荷率を制限する制御が行われる。なお、図２の例には示されていないが、通常モード期間Ｆ０中であっても、Ｔｉｇｂｔ≧Ｔｔｈになると出力制限モードへの移行が行われる。
【００２７】
次に、図５のフローチャートを参照して、制御装置５が実行する処理手順を説明する。当該処理手順は、制御装置５に備えられたコンピュータが記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行する、あるいは、制御装置５に作り込まれたハードウェアが必要に応じて記憶媒体との間でデータ入出力を伴いながら実行するものである。
【００２８】
図５に、制御装置５による波形取得の可否判断、基準電流波形取得、発熱時電流波形取得、部分過熱判断までの一連のフローチャートを示す。なお、以下では、車両電源がオン状態となる度に、定期的に当該処理が開始されるものとする。車両電源がオン状態になると、まずステップＳ１０１において、制御装置５は、制御を通常モードに設定し、通常モード継続およびＩＧＢＴ過熱検知測定への移行についての、基本条件確認ステップであるＳ１０２へ進む。
【００２９】
次に、ステップＳ１０２では、制御装置５は、通常モード継続可否、およびＩＧＢＴ過熱検知測定への移行可否の判断のため、素子温度Ｔｉｇｂｔを閾値温度Ｔｔｈと比較する。Ｔｉｇｂｔ＜Ｔｔｈであれば通常モード継続およびＩＧＢＴ過熱検知測定への移行が可能であると判断し、ステップＳ１０３へ進む。Ｔｉｇｂｔ≧Ｔｔｈであれば、ステップＳ１１２に進み本フローは終了する。
【００３０】
次に、ステップＳ１０３では、制御装置５は、車速Ｖｓが０であるか否か、すなわち車両が停止しているか否かを判定する。Ｖｓ＝０であればステップＳ１０４へ進み、Ｖｓ＝０でなければステップＳ１０２へ戻る。ステップＳ１０４では、制御装置５は、取得した冷却器温度Ｔｃおよび素子温度Ｔｉｇｂｔを、図２で説明した基準温度Ｔ０と比較する。Ｔｃ＜Ｔ０であり、かつ、Ｔｉｇｂｔ＜Ｔ０であれば、半導体装置１がＩＧＢＴ過熱検知測定に適した温度範囲にあるので、ステップＳ１０５へ進む。Ｔｃ≧Ｔ０である、または、Ｔｉｇｂｔ≧Ｔ０であれば、ＩＧＢＴ過熱検知測定が不可であると判断しステップＳ１０２へ戻る。ステップＳ１０５では、制御装置５は、素子温度Ｔｉｇｂｔおよび冷却器温度Ｔｃを所定の時間間隔の間に複数回取得し、その変動幅ΔＴｉｇｂｔおよびΔＴｃが所定の幅ΔＴ１に収まっているかどうかを判定する。ΔＴｉｇｂｔ＜ΔＴ１であり、かつΔＴｃ＜ΔＴ１であれば、ＩＧＢＴ過熱検知測定が可能であると判断し、ステップＳ１０６へ進む。ΔＴｉｇｂｔ≧ΔＴ１であり、またはΔＴｃ≧ΔＴ１であれば、ＩＧＢＴ過熱検知測定が不可であると判断しステップＳ１０２へ戻る。
【００３１】
ステップＳ１０６では、制御装置５は、各ＩＧＢＴ１ａに規定パルスＭ１を印加するよう駆動装置２を制御する。続くステップＳ１０７では、制御装置５は、電流センサ３から入力される通電電流Ｉｃの情報を一定の時間間隔で取得し、通電電流Ｉｃの時間変化の波形を求める。制御装置５は、こうして基準電流波形のデータを取得し、記憶媒体に記憶する。そして、続くステップＳ１０８において、制御装置５は、各ＩＧＢＴ１ａに規定パルスＭ２を印加するよう駆動装置２を制御する。続くステップＳ１０９では、制御装置５は、電流センサ１から入力される通電電流Ｉｃの情報を一定の時間間隔で取得し、通電電流Ｉｃの時間変化の波形を求める。そして、続くステップＳ１１０において、制御装置５は、取得した電流波形データを、記憶媒体から読み出した基準電流波形データと比較する。次いで、ステップＳ１１１において、制御装置５は、両波形間の差分ΔＩが、閾値Ｉｆａｉｌを超えているか否かを判定する。ΔＩ＞ＩｆａｉｌであればステップＳ１１２へ進み、ΔＩ≦ＩｆａｉｌであればステップＳ１０２へ戻る。ΔＩ＞Ｉｆａｉｌであることは、図４の歪みｄｇが生じていることに対応している。
【００３２】
ステップＳ１１２では、制御装置５は、各ＩＧＢＴ１ａの制御を出力制限モードに設定する。また、車内インジケータにより故障予測を示したり車両の修理入庫を促したりする制御を行うとともに、ユーザへの報知を行い、本フローは終了する。
【００３３】
［実施の形態の効果等］
本実施形態によれば、基準温度Ｔ０よりも低い範囲の温度域で、温度変動が所定の幅ΔＴ１よりも小さいという、通電電流Ｉｃの波形取得に適した状態にある複数のＩＧＢＴ１ａを規定の駆動パルスで駆動して（規定パルスＭ１による駆動に続いて、規定パルスＭ２で駆動して）、各々における通電電流Ｉｃの時間変化の波形を求める。それぞれの波形を比較し、差分を検出することにより、一部のＩＧＢＴ１ａが過熱状態となる部分過熱の発生を検出する。ＩＧＢＴ１ａは動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有するので、半導体領域Ｒにおける部分過熱の発生は、通電電流の波形に基準電流波形からの特有の変化を引き起こす。したがって、定常熱領域での電流波形と基準電流波形との差分を検出することにより、波形に特有の変化が生じたか否かが分かり、部分過熱の発生を検出することができる。以上により、一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、車両システムを始めとして、インバータを備えたシステム等に適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１            半導体装置
１ａ          ＩＧＢＴ
２            駆動装置
３            電流センサ
４            温度センサ
５            制御装置
Ｃ            コレクタ端子
Ｅ            エミッタ端子
Ｆ０          通常モード期間
Ｆ１          一旦停止期間
Ｆ２          測定期間
Ｆ３          出力制限モード期間
ｄｆ、ｄｇ          歪み
ｇ            波形
ΔＩ          差分
Ｉｆａｉｌ    閾値
Ｍ１、Ｍ２    規定パルス
Ｒ            半導体領域
ΔＴ１        所定の値
Ｔｉｇｂｔ    素子温度
Ｔ０          基準温度
Ｔｔｈ        閾値温度
Ｔｃ          冷却器温度
ｔａ          期間
Ｕ            単位セル
Ｖｓ          車速
Ｖｔｈ０、Ｖｔｈ１          ゲート閾値電圧
【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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