(57)【要約】【課題】パワー素子の寿命を正確に推定することが可能な寿命推定回路を提供する。【解決手段】パワーモジュールの寿命推定回路３は、パワー素子部１の温度を検出する温度検出器４と、温度検出器４の出力信号Ｖｔに基づいて、パワー素子部１の温度変化の変曲点を検出する変曲点検出部５と、今回検出された変曲点におけるパワー素子部１の温度と前回検出された変曲点におけるパワー素子部１の温度との差の絶対値を求める演算部８と、温度差の絶対値がしきい値温度Ｔｔｈに到達した回数をカウントするカウント回路９と、カウント回路９のカウント値Ｃがしきい値回数Ｃｔｈに到達した場合に、パワー素子部１の寿命が来たことを示す警告信号ＡＬを出力する信号発生部１０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子の寿命を推定する寿命推定回路であって、
前記パワー素子の温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器の検出結果に基づいて、前記パワー素子の温度変化の変曲点を検出する変曲点検出部と、
前記変曲点検出部によって今回検出された変曲点における前記パワー素子の温度と前回検出された変曲点における前記パワー素子の温度との差の絶対値を求める演算部と、
前記演算部によって求められた温度差の絶対値が第１のしきい値温度に到達した第１の温度変化の回数をカウントするカウント回路と、
前記カウント回路のカウント値に基づいて、前記パワー素子の寿命に関連する信号を出力する信号発生部とを備える、寿命推定回路。
【請求項２】
前記信号発生部は、前記第１の温度変化の回数が第１のしきい値回数に到達したことに応じて、前記パワー素子の寿命が来たことを示す信号を前記パワー素子の寿命に関連する信号として出力する、請求項１に記載の寿命推定回路。
【請求項３】
前記カウント回路は、さらに、前記演算部によって求められた温度差の絶対値が前記第１のしきい値温度よりも低い第２のしきい値温度に到達した第２の温度変化の回数をカウントし、
前記信号発生部は、さらに、前記第２の温度変化の回数が前記第１のしきい値回数よりも大きな第２のしきい値回数に到達したことに応じて、前記パワー素子の寿命が来たことを示す信号を出力する、請求項２に記載の寿命推定回路。
【請求項４】
前記信号発生部は、第１のしきい値回数と前記第１の温度変化の回数との差に基づいて前記パワー素子の第１の残り寿命を求め、前記パワー素子の第１の残り寿命を示す信号を前記パワー素子の寿命に関連する信号として出力する、請求項１に記載の寿命推定回路。
【請求項５】
前記カウント回路は、さらに、前記演算部によって求められた温度差の絶対値が前記第１のしきい値温度よりも低い第２のしきい値温度に到達した第２の温度変化の回数をカウントし、
前記信号発生部は、さらに、前記第１のしきい値回数よりも大きな第２のしきい値回数と前記第２の温度変化の回数との差に基づいて前記パワー素子の第２の残り寿命を求め、前記パワー素子の第２の残り寿命を示す信号を出力する、請求項４に記載の寿命推定回路。
【請求項６】
前記パワー素子の寿命に関連する信号はデジタル信号である、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の寿命推定回路。
【請求項７】
前記温度検出器は、前記パワー素子の温度を示す信号を出力し、
前記変曲点検出部は、前記温度検出器の出力信号を微分する微分回路を含む、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の寿命推定回路。
【請求項８】
前記温度検出器は、順方向電圧が前記パワー素子の温度に応じて変化する第１のダイオードを含む、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の寿命推定回路。
【請求項９】
前記第１のダイオードは、前記パワー素子と同じ基板に搭載されている、請求項８に記載の寿命推定回路。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の寿命推定回路と、
前記パワー素子と、
前記パワー素子を制御する制御部とを備える、半導体装置。
【請求項１１】
前記寿命推定回路の少なくとも一部と前記制御部とは、同じ制御ＩＣに搭載されている、請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記パワー素子は、
Ｓｉで形成されたトランジスタと、
ＳｉＣで形成された第２のダイオードとを含む、請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記パワー素子は、
ＳｉＣで形成されたトランジスタと、
ＳｉＣで形成された第２のダイオードとを含む、請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記パワー素子は、ＳｉＣで形成された逆導通ＩＧＢＴを含み、
前記逆導通ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴに逆並列に接続された第２のダイオードとを含む、請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は寿命推定回路およびそれを用いた半導体装置に関し、特に、パワー素子の寿命を推定する寿命推定回路と、それを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー素子は、通電電流の増減に伴い、著しい温度変動を繰り返す。この温度変動に伴い、パワー素子と電極を接続するワイヤーの接合が次第に劣化し、最終的には破断してパワー素子が寿命に到達する。著しい温度変動により、各部を接続するハンダに応力が掛かり、クラックや剥離が進行してパワー素子の放熱性が悪化し、熱破壊に到るケースもある。
【０００３】
しかし、パワー素子の応用製品は多岐にわたり、使用環境も多様であるため、寿命推定は非常に困難である。このため使用中のパワー素子が寿命に到達し、ユーザ側システムが異常停止してしまうという問題がある。ユーザ側にパワー素子の在庫がない場合は、パワー素子を入手して交換するまでシステムを停止する必要があり、ユーザに多大な損害が発生する。
【０００４】
一方、パワー素子が正常に動作をしていても、使用期間が一定時間に達した時点でパワー素子を新品と交換し、システムの異常故障を未然に回避するユーザもある。この場合、寿命に到達していないパワー素子が廃棄されることとなり、ユーザ側システムのコスト高を招いていた。
【０００５】
この対策として特許文献１には、パワー素子の温度を検出し、その温度がしきい値温度(たとえば５０℃)を超えた回数をカウントし、そのカウント値がしきい値に到達した場合に、パワー素子の寿命が来たことを警告する寿命アラーム信号を出力する寿命推定回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−５６４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、たとえばパワー素子の温度が２５℃→７５℃→６０℃→８５℃と変化した場合、しきい値温度（たとえば５０℃）を超えた回数は１回のみであるので、寿命に関係する温度変化は１回と判断されていた。
【０００８】
しかし、実際には、７５℃から６０℃に変化した場合は−１５℃の温度変化が発生し、６０℃から８５℃に変化した場合は＋２５℃の温度変化が発生しており、パワー素子には大きな熱的ストレスが印加されている。したがって、特許文献１では、パワー素子に印加される熱的ストレスが過小評価され、パワー素子の寿命を正確に推定することができなかった。
【０００９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、パワー素子の寿命を正確に推定することが可能な寿命推定回路と、それを用いた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る寿命推定回路は、パワー素子の寿命を推定する寿命推定回路であって、パワー素子の温度を検出する温度検出器と、温度検出器の検出結果に基づいて、パワー素子の温度変化の変曲点を検出する変曲点検出部と、変曲点検出部によって今回検出された変曲点におけるパワー素子の温度と前回検出された変曲点におけるパワー素子の温度との差の絶対値を求める演算部と、演算部によって求められた温度差の絶対値が第１のしきい値温度に到達した第１の温度変化の回数をカウントするカウント回路と、カウント回路のカウント値に基づいて、パワー素子の寿命に関連する信号を出力する信号発生部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る寿命推定回路では、パワー素子の温度変化の変曲点を検出し、今回検出した変曲点におけるパワー素子の温度と前回検出した変曲点におけるパワー素子の温度との差の絶対値を求め、その絶対値が第１のしきい値温度に到達した第１の温度変化の回数をカウントし、そのカウント値に基づいて、パワー素子の寿命に関連する信号を出力する。したがって、パワー素子に印加された熱的ストレスを正確に検出することができ、パワー素子の寿命を正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示したパワーモジュールの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態４によるパワーモジュールの構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態５によるパワーモジュールの要部を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態６によるパワーモジュールの構成を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示すブロック図である。図１において、このパワーモジュールは、パワー素子部１、制御部２、および寿命推定回路３を備える。
【００１４】
パワー素子部１は、複数のパワー素子を含み、制御部２によって制御され、たとえば直流電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣに変換する。パワー素子は、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどである。
【００１５】
制御部２は、たとえば正弦波状に変化する電圧指令値ＶＣに基づいて、パワー素子部１の複数のパワー素子の各々をオン／オフさせることにより、直流電圧ＶＤＣを正弦波状の交流電圧ＶＡＣに変換させる。パワー素子に電流を流すと、パワー素子で損失（すなわち熱）が発生し、パワー素子の温度が上昇する。パワー素子に流れる電流を遮断すると、パワー素子の温度が低下する。
【００１６】
寿命推定回路３は、パワー素子部１の温度変動に基づいてパワー素子部１の寿命を推定し、パワー素子部１の寿命が来たと判断した場合に警告信号ＡＬを非活性化レベルの「Ｌ」レベルから活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げる。寿命推定回路３は、温度検出器４、変曲点検出部５、記憶部６，７、演算部８、カウント回路９、および信号発生部１０を含む。
【００１７】
温度検出器４は、パワー素子部１の温度を検出し、検出値を示す信号Ｖｔを出力する。信号Ｖｔのレベルは、パワー素子部１の温度に応じて変化する。変曲点検出部５は、温度検出器４の出力信号Ｖｔに基づいて、パワー素子部１の温度変化の変曲点を検出する。温度変化の変曲点は、温度が上昇から下降に転じるか、温度が下降から上昇に転じる点である。
【００１８】
変曲点検出部５は、たとえば、パワー素子部１に含まれるパワー素子をオン／オフさせる周期よりも十分に短い周期で温度検出器４の出力信号Ｖｔをサンプリングし、サンプリングした信号Ｖｔのレベルをデジタル信号に変換する。変曲点検出部５は、サンプリングした複数の信号Ｖｔのレベルが増加しているか減少しているかを判別し、判別結果に基づいて変曲点を検出する。
【００１９】
変曲点検出部５は、変曲点を検出する度に、その変曲点における信号Ｖｔのレベル（すなわちパワー素子部１の温度Ｔ）を示すデジタル信号を記憶部６，７に交互に書き込む。たとえば、今回検出された変曲点におけるパワー素子部１の温度Ｔｎを示すデジタル信号が記憶部６に書き込まれ、前回検出された変曲点におけるパワー素子部１の温度Ｔ（ｎ−１）を示すデジタル信号が記憶部７に書き込まれる。記憶部６，７に書き込まれた温度Ｔｎ，Ｔ（ｎ−１）を示すデジタル信号は演算部８に与えられる。ｎは任意の整数である。
【００２０】
演算部８は、記憶部６，７からのデジタル信号に基づいて、今回検出された変曲点におけるパワー素子部１の温度Ｔｎと前回検出された変曲点におけるパワー素子部１の温度Ｔ（ｎ−１）との差ΔＴ＝Ｔｎ−Ｔ（ｎ−１）の絶対値｜ΔＴ｜を求める。演算部８は、絶対値｜ΔＴ｜を示すデジタル信号をカウント回路９に与える。
【００２１】
カウント回路９は、演算部８からの絶対値｜ΔＴ｜を示すデジタル信号に基づいて、予め定められた温度変化が発生した回数をカウントする。カウント回路９は、たとえば、｜ΔＴ｜としきい値温度Ｔｔｈを比較し、｜ΔＴ｜≧Ｔｔｈである場合は予め定められた温度変化が発生したと判別してカウント値Ｃをインクリメント（＋１）し、｜ΔＴ｜＜Ｔｔｈである場合は予め定められた温度変化が発生していないと判別してカウント値Ｃを変化させずに維持する。
【００２２】
信号発生部１０は、カウント値Ｃとしきい値回数Ｃｔｈとを比較し、Ｃ≧Ｃｔｈである場合はパワー素子部１の寿命が来たことを警告する警告信号ＡＬを活性化レベルの「Ｈ」レベルにし、Ｃ＜Ｃｔｈである場合は警告信号ＡＬを非活性化レベルの「Ｌ」レベルに維持する。
【００２３】
次に、このパワーモジュールの動作について説明する。たとえば、パワー素子部１の出力電圧ＶＡＣによって負荷（たとえばモータ）を駆動させるものとする。負荷の消費電流が増大してパワー素子部１に流れる電流が増大すると、パワー素子部１の温度が上昇する。負荷の消費電流が減少してパワー素子部１に流れる電流が減少すると、パワー素子部１の温度が低下する。パワー素子部１の温度は、温度検出器４によって検出され、温度検出器４の出力信号Ｖｔは変曲点検出部５に与えられる。
【００２４】
負荷の消費電流が増大した後に減少に転じると、パワー素子部１の温度が上昇した後に下降に転じ、パワー素子部１の温度変化（すなわち温度検出器４の出力信号Ｖｔのレベル変化）に変曲点が発生する。変曲点検出部５によってその変曲点Ｐ（ｎ−１）が検出され、その変曲点Ｐ（ｎ−１）におけるパワー素子部１の温度Ｔ（ｎ−１）を示すデジタル信号が記憶部７に書き込まれる。
【００２５】
次いで、負荷の消費電流が減少から増大に転じると、パワー素子部１の温度が下降から上昇に転じ、パワー素子部１の温度変化（すなわち温度検出器４の出力信号Ｖｔのレベル変化）に変曲点が発生する。変曲点検出部５によってその変曲点Ｐｎが検出され、その変曲点Ｐｎにおけるパワー素子部１の温度Ｔｎを示すデジタル信号が記憶部６に書き込まれる。
【００２６】
今回検出された変曲点Ｐｎにおけるパワー素子部１の温度Ｔｎと前回検出された変曲点Ｐ（ｎ−１）におけるパワー素子部１の温度Ｔ（ｎ−１）との差ΔＴ＝Ｔｎ−Ｔ（ｎ−１）の絶対値｜ΔＴ｜が演算部８によって演算される。カウント回路９によって｜ΔＴ｜としきい値温度Ｔｔｈとが比較され、｜ΔＴ｜≧Ｔｔｈの場合にカウント値Ｃがインクリメント（＋１）される。
【００２７】
信号発生部１０によってカウント値Ｃとしきい値回数Ｃｔｈとが比較され、Ｃ≧Ｃｔｈの場合に警告信号ＡＬが活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、パワー素子部１の寿命が来たことがユーザに警告される。ユーザは、警告信号ＡＬが「Ｈ」レベルに立ち上げられたことによってパワー素子部１の寿命が来たことを検知し、適切なタイミングでシステムを停止させてパワーモジュールを新品と交換する。
【００２８】
この実施の形態１では、パワー素子部１の温度変化の変曲点を検出し、今回検出した変曲点Ｐｎにおけるパワー素子部１の温度Ｔｎと前回検出した変曲点Ｐ（ｎ−１）におけるパワー素子部１の温度Ｔ（ｎ−１）との差ΔＴ＝Ｔｎ−Ｔ（ｎ−１）の絶対値｜ΔＴ｜を求める。その絶対値｜ΔＴ｜がしきい値温度Ｔｔｈに到達した場合に温度変化が発生したと判別してカウント値Ｃをインクリメントし、そのカウント値がしきい値回数Ｃｔｈに到達した場合に警告信号ＡＬを活性化レベルにする。したがって、パワー素子部１に印加された熱的ストレスを正確に検出することができ、パワー素子部１の寿命を正確に推定することができる。
【００２９】
[実施の形態２]
図２は、この発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成を示すブロック図であって、図１と対比される図である。図２を参照して、このパワーモジュールが図１のパワーモジュールと異なる点は、カウント回路９および信号発生部１０がそれぞれカウント回路１５および信号発生部１６と置換されている点である。
【００３０】
カウント回路１５は、第１〜第３のしきい値温度Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ３と演算部８によって求められた温度差の絶対値｜ΔＴ｜とを比較し、比較結果に基づいて第１〜第３の温度変化ΔＴ１〜ΔＴ３のうちのいずれの温度変化が発生したかを判別する。Ｔｔｈ１＞Ｔｔｈ２＞Ｔｔｈ３である。Ｔｔｈ１＜｜ΔＴ｜である場合は、第１の温度変化ΔＴ１が発生したと判別される。Ｔｔｈ２＜｜ΔＴ｜＜Ｔｔｈ１である場合は、第２の温度変化ΔＴ２が発生したと判別される。Ｔｔｈ１＜｜ΔＴ｜＜Ｔｔｈ２である場合は、第３の温度変化ΔＴ３が発生したと判別される。
【００３１】
カウント回路１５は、第１の温度変化ΔＴ１が発生した場合は第１のカウント値Ｃ１をインクリメント（＋１）し、第２の温度変化ΔＴ２が発生した場合は第２のカウント値Ｃ２をインクリメント（＋１）し、第３の温度変化ΔＴ３が発生した場合は第３のカウント値Ｃ３をインクリメント（＋１）する。
【００３２】
信号発生部１６は、３つのしきい値回数Ｃｔｈ１〜Ｃｔｈ３とカウント回路１５のカウント値Ｃ１〜Ｃ３とをそれぞれ比較する。Ｃｔｈ１＜Ｃｔｈ２＜Ｃｔｈ３である。信号発生部１６は、Ｃ１≧Ｃｔｈ１となった場合、Ｃ２≧Ｃｔｈ２となった場合、およびＣ３≧Ｃｔｈ３となった場合のいずれの場合も、パワー素子部１の寿命が来たことを警告する警告信号ＡＬを活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。信号発生部１６は、Ｃ１＜Ｃｔｈ１であり、Ｃ２＜Ｃｔｈ２であり、かつＣ３＜Ｃｔｈ３である場合は、警告信号ＡＬを非活性化レベルの「Ｌ」レベルに維持する。
【００３３】
なお、３つのしきい値回数Ｃｔｈ１〜Ｃｔｈ３のうちでＣｔｈ１が最も小さな値に設定されているのは、３つの温度変化ΔＴ１〜ΔＴ３のうちでΔＴ１による温度ストレスが最大であるからである。逆に、３つのしきい値回数Ｃｔｈ１〜Ｃｔｈ３のうちでＣｔｈ３が最も大きな値に設定されているのは、３つの温度変化ΔＴ１〜ΔＴ３のうちでΔＴ３による温度ストレスが最小であるからである。
【００３４】
図３（ａ）（ｂ）は、図２に示したパワーモジュールの動作を模式的に示す図である。特に、図３（ａ）はパワー素子部１の温度Ｔの時間変化を示し、図３（ｂ）は第１〜第３の温度変化ΔＴ１〜ΔＴ３のカウント値Ｃ１〜Ｃ３およびしきい値回数Ｃｔｈ１〜Ｃｔｈ３を示している。
【００３５】
ここでは、パワー素子部１の出力電圧ＶＡＣによって負荷を駆動させるものとする。初期状態では、パワー素子部１から負荷への電力供給は停止されており、パワー素子部１の温度Ｔは室温であるものとする。時刻ｔ１において、パワー素子部１から負荷への電力供給が開始され、パワー素子部１の温度Ｔが上昇し始める。パワー素子部１の運転の開始点（時刻ｔ１）では、変曲点Ｐ１が発生したとみなされ、時刻ｔ１におけるパワー素子部１の温度Ｔ１を示すデジタル信号がたとえば記憶部６に書き込まれる。
【００３６】
時刻ｔ２において、負荷の消費電流が減少してパワー素子部１の温度Ｔが上昇から下降に転じると、変曲点Ｐ２が検出され、その変曲点Ｐ２におけるパワー素子部１の温度Ｔ２を示すデジタル信号が記憶部７に書き込まれる。演算部８によって今回検出された変曲点Ｐ２におけるパワー素子部１の温度Ｔ２と前回検出された変曲点Ｐ１におけるパワー素子部１の温度Ｔ１との差の絶対値｜Ｔ２−Ｔ１｜とが求められる。カウント回路１５によって３つのしきい値Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ３と｜Ｔ２−Ｔ１｜とが比較される。Ｔｔｈ１＜｜Ｔ２−Ｔ１｜であり、時刻ｔ１〜ｔ２では第１の温度変化ΔＴ１が発生したものと判別され、第１のカウント値Ｃ１がインクリメントされる。
【００３７】
時刻ｔ３において、負荷の消費電流が増大してパワー素子部１の温度Ｔが下降から上昇に転じると、変曲点Ｐ３が検出され、その変曲点Ｐ３におけるパワー素子部１の温度Ｔ３を示すデジタル信号が記憶部６に書き込まれる。演算部８によって今回検出された変曲点Ｐ３におけるパワー素子部１の温度Ｔ３と前回検出された変曲点Ｐ２におけるパワー素子部１の温度Ｔ２との差の絶対値｜Ｔ３−Ｔ２｜とが求められる。カウント回路１５によって３つのしきい値Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ３と｜Ｔ３−Ｔ２｜とが比較される。Ｔｔｈ２＜｜Ｔ３−Ｔ２｜＜Ｔｔｈ１であり、時刻ｔ２〜ｔ３では第２の温度変化ΔＴ２が発生したものと判別され、第２のカウント値Ｃ２がインクリメントされる。
【００３８】
時刻ｔ４において、負荷の消費電流が減少してパワー素子部１の温度Ｔが上昇から下降に転じると、変曲点Ｐ４が検出され、その変曲点Ｐ４におけるパワー素子部１の温度Ｔ４を示すデジタル信号が記憶部７に書き込まれる。演算部８によって今回検出された変曲点Ｐ４におけるパワー素子部１の温度Ｔ４と前回検出された変曲点Ｐ３におけるパワー素子部１の温度Ｔ３との差の絶対値｜Ｔ４−Ｔ３｜とが求められる。カウント回路１５によって３つのしきい値Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ３と｜Ｔ４−Ｔ３｜とが比較される。Ｔｔｈ３＜｜Ｔ４−Ｔ３｜＜Ｔｔｈ２であり、時刻ｔ３〜ｔ４では第３の温度変化ΔＴ３が発生したものと判別され、第３のカウント値Ｃ３がインクリメントされる。
【００３９】
同様に、時刻ｔ５において変曲点Ｐ５が検出され、その変曲点Ｐ５におけるパワー素子部１の温度Ｔ５を示すデジタル信号が記憶部６に書き込まれる。時刻ｔ４〜ｔ５では第３の温度変化ΔＴ３が発生したものと判別され、第３のカウント値Ｃ３がインクリメントされる。
【００４０】
時刻ｔ６において変曲点Ｐ６が検出され、その変曲点Ｐ６におけるパワー素子部１の温度Ｔ６を示すデジタル信号が記憶部７に書き込まれる。時刻ｔ５〜ｔ６では第３の温度変化ΔＴ３が発生したものと判別され、第３のカウント値Ｃ３がインクリメントされる。
【００４１】
時刻ｔ６〜ｔ７において、パワー素子部１から負荷に供給される電流が定格値から０Ａまで減少される。パワー素子部１の運転が停止されてパワー素子部１の温度Ｔが室温になった時刻ｔ７では、変曲点Ｐ７が発生したとみなされ、時刻ｔ７におけるパワー素子部１の温度Ｔ７が記憶部６に書き込まれる。
【００４２】
演算部８によって今回検出された変曲点Ｐ７におけるパワー素子部１の温度Ｔ７と前回検出された変曲点Ｐ６におけるパワー素子部１の温度Ｔ６との差の絶対値｜Ｔ７−Ｔ６｜とが求められる。カウント回路１５によって３つのしきい値Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ３と｜Ｔ７−Ｔ６｜とが比較される。Ｔｔｈ３＜｜Ｔ７−Ｔ６｜であり、時刻ｔ６〜ｔ７では第１の温度変化ΔＴ１が発生したものと判別され、第１のカウント値Ｃ１がインクリメントされる。
【００４３】
図３（ａ）で示した例では、図３（ｂ）に示すように、Ｃ１＝２，Ｃ２＝１，Ｃ３＝３となった。図３（ｂ）では、Ｃ１＜Ｃｔｈ１、Ｃ２＜Ｃｔｈ２、およびＣ３＜Ｃｔｈ３であるので、警告信号ＡＬは非活性化レベルの「Ｌ」レベルに維持される。パワー素子部１の運転がさらに行なわれて、Ｃ１≧Ｃｔｈ１、Ｃ２≧Ｃｔｈ２、またはＣ３≧Ｃｔｈ３となった場合は、警告信号ＡＬが活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、パワー素子部１の寿命が来たことがユーザに警告される。
【００４４】
この実施の形態２では、２つの変曲点間の温度差の絶対値｜ΔＴ｜の大きさに応じて３種類の温度変化ΔＴ１〜ΔＴ３のうちのいずれの温度変化が発生したかを判別し、温度変化の種類に応じてしきい値回数Ｃｔｈ１〜Ｃｔｈ３を変えるので、実施の形態１よりもパワー素子部１の寿命を正確に推定することができる。
【００４５】
なお、２つの変曲点間の温度差の絶対値｜ΔＴ｜の大きさに応じてＭ種類の温度変化ΔＴ１〜ΔＴＭのうちのいずれの温度変化が発生したかを判別し、温度変化の種類に応じてしきい値回数Ｃｔｈ１〜ＣｔｈＭを変えても構わない。Ｍは２以上の整数である。カウント回路１５は、｜ΔＴ｜としきい値温度Ｔｔｈ１〜ＴｔｈＭとを比較する。Ｔｔｈｍ＞Ｔｔｈ（ｍ＋１）である。ｍは、１以上で（Ｍ−１）以下の整数である。｜ΔＴ｜＞Ｔｔｈ１である場合は、第１の温度変化ΔＴ１が発生したと判別する。Ｔｔｈｍ＞｜ΔＴ｜＞Ｔｔｈ（ｍ＋１）である場合は、第ｍの温度変化ΔＴｍが発生したと判別する。第１〜第Ｍの温度変化が発生した場合は、それぞれ第１〜第Ｍのカウント値Ｃ１〜ＣＭがインクリメントされる。信号発生部１６は、カウント値Ｃ１〜ＣＭとしきい値回数Ｃｔｈ１〜ＣｔｈＭとを比較する。Ｃ１≧Ｃｔｈ１、Ｃ２≧Ｃｔｈ２、…、ＣＭ≧ＣｔｈＭのうちの少なくとも１つの条件が満たされると、警告信号ＡＬが活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。実施の形態２では、Ｍ＝３の場合について説明されている。
【００４６】
[実施の形態３]
図４は、実施の形態３によるパワーモジュールの構成を示すブロック図であって、図１と対比される図である。図４を参照して、このパワーモジュールが図１のパワーモジュールと異なる点は、信号発生部１０が信号発生部２０で置換されている点である。信号発生部２０は、しきい値回数Ｃｔｈとカウント値Ｃの差Ｃｔｈ−Ｃを示すデジタル信号ＤＯを出力する。デジタル信号ＤＯは、許容される温度変化の回数、すなわちパワー素子部１の残り寿命を示す信号となる。
【００４７】
この実施の形態３では、パワー素子部１の残り寿命を示す信号ＤＯに基づいて、システムのメンテナンス、パワーモジュールの交換などを計画的に行なうことができる。
【００４８】
さらに、パワー素子部１の残り寿命を示すデジタル信号ＤＯを出力するので、パワー素子部１の残り寿命を示すアナログ信号を出力する場合に比べ、回路規模を小さくし、構成部品を少なくし、コストを下げ、不良率を下げることができる。
【００４９】
[実施の形態４]
図５は、実施の形態４によるパワーモジュールの構成を示すブロック図であって、図２と対比される図である。図５を参照して、このパワーモジュールが図２のパワーモジュールと異なる点は、信号発生部１６が信号発生部２５で置換されている点である。信号発生部２５は、しきい値回数Ｃｔｈ１とカウント値Ｃ１の差Ｃｔｈ１−Ｃ１を示すデジタル信号ＤＯ１と、しきい値回数Ｃｔｈ２とカウント値Ｃ２の差Ｃｔｈ２−Ｃ２を示すデジタル信号ＤＯ２と、しきい値回数Ｃｔｈ３とカウント値Ｃ３の差Ｃｔｈ３−Ｃ３を示すデジタル信号ＤＯ３とを出力する。
【００５０】
デジタル信号ＤＯ１は、許容される第１の温度変化ΔＴ１の回数、すなわちパワー素子部１の第１の残り寿命を示す信号となる。デジタル信号ＤＯ２は、許容される第２の温度変化ΔＴ２の回数、すなわちパワー素子部１の第２の残り寿命を示す信号となる。デジタル信号ＤＯ３は、許容される第３の温度変化ΔＴ３の回数、すなわちパワー素子部１の第３の残り寿命を示す信号となる。
【００５１】
この実施の形態４では、実施の形態３よりもパワー素子部１の残り寿命を正確に推定することができる。
【００５２】
なお、第１〜第Ｍの温度変化ΔＴ１〜ΔＴＭが発生した回数をカウントし、しきい値回数Ｃｔｈ１〜ＣｔｈＭとカウント値Ｃ１〜ＣＭとの差Ｃｔｈ１−Ｃ１，…，ＣｔｈＭ−ＣＭをデジタル信号ＤＯ１〜ＤＯＭとして出力しても構わない。Ｍは２以上の整数であり、実施の形態４ではＭ＝３の場合について説明されている。
【００５３】
[実施の形態５]
図６は、この発明の実施の形態５によるパワーモジュールの要部を示すブロック図であって、図１と対比される図である。図６を参照して、このパワーモジュールが図１のパワーモジュールと異なる点は、変曲点検出部５が変曲点検出部３０で置換されている点である。変曲点検出部３０は、微分回路３１、パルス発生回路３２、Ａ／Ｄ変換回路３３、および書込回路３４を含む。温度検出器４の出力信号Ｖｔは、アナログ電圧信号であるものとする。
【００５４】
微分回路３１は、たとえばＣＲフィルタ回路であり、温度検出器４の出力信号Ｖｔを微分する。信号Ｖｔの変曲点では、微分回路３１の出力信号Ｖ３１は０Ｖとなる。パルス発生回路３２は、微分回路３１の出力信号Ｖ３１が０Ｖになる度にパルス信号φ３２を出力する。
【００５５】
Ａ／Ｄ変換回路３３は、パワー素子部１に含まれるパワー素子をオン／オフさせる周期よりも十分に短い周期で温度検出器４の出力信号Ｖｔをサンプリングし、サンプリングした各信号Ｖｔをデジタル信号に変換して書込回路３４に与える。
【００５６】
書込回路３４は、パルス発生回路３２からのパルス信号φ３２に応答して、Ａ／Ｄ変換回路３３からのデジタル信号を記憶部６，７に交互に書き込む。たとえば、書込回路３４は、奇数番のパルス信号φ３２に応答してデジタル信号を記憶部７に書き込み、偶数番のパルス信号φ３２に応答してデジタル信号を記憶部６に書き込む。
【００５７】
この実施の形態５では、微分回路３１を用いて変曲点を検出するので、回路規模の小型化を図ることができる。
【００５８】
[実施の形態６]
図７は、この発明の実施の形態６によるパワーモジュールの構成を示す回路ブロック図である。図７において、このパワーモジュールは、パワー素子部１Ａおよび制御ＩＣ４０を備える。
【００５９】
パワー素子部１Ａは、直流入力端子Ｔａ，Ｔｂ、交流出力端子Ｔｃ〜Ｔｅ、信号端子Ｔｆ，Ｔｇ、トランジスタＱ１〜Ｑ６、およびダイオードＤ１〜Ｄ９を含む。直流入力端子Ｔａ，Ｔｂは、直流電源(図示せず)からそれぞれ直流電圧ＶＰ，ＶＮを受ける。直流電圧ＶＰは、直流電圧ＶＮよりも高い電圧である。交流出力端子Ｔｃ〜Ｔｅには、三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが出力される。
【００６０】
トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、たとえばＩＧＢＴである。トランジスタＱ１〜Ｑ３のコレクタはともに直流入力端子Ｔａに接続され、それらのエミッタはそれぞれ交流出力端子Ｔｃ〜Ｔｅに接続される。トランジスタＱ４〜Ｑ６のコレクタはそれぞれ交流出力端子Ｔｃ〜Ｔｅに接続され、それらのエミッタはともに直流入力端子Ｔｂに接続される。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、それぞれトランジスタＱ１〜Ｑ６に逆並列に接続される。トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、制御部２によってオン／オフされる。
【００６１】
トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６は、直流電源(図示せず)から直流入力端子Ｔａ，Ｔｂを介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、交流出力端子Ｔｃ〜Ｔｅを介して負荷に出力するインバータを構成する。トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の各々は、パワー素子である。
【００６２】
ダイオードＤ７〜Ｄ９は、信号端子Ｔｆ，Ｔｇ間に順方向に直列接続される。信号端子Ｔｆは定電流源４ａの出力電流を受け、信号端子Ｔｇは基準電圧ＶＳＳを受ける。信号端子Ｔｆには、ダイオードＤ７〜Ｄ９の順方向電圧ＶＦが現れる。ダイオードＤ７〜Ｄ９の順方向電圧ＶＦは、ダイオードＤ７〜Ｄ９の温度に応じて変化する。ダイオードＤ７〜Ｄ９および定電流源４ａは、図１の温度検出器４の一部を構成する。温度検出器４の出力信号Ｖｔは、ダイオードＤ７〜Ｄ９の順方向電圧ＶＦに基づいて生成される。
【００６３】
すなわち、ダイオードＤ７〜Ｄ９は、インバータ（すなわちトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６）と同じ基板(図示せず)に搭載されている。インバータから負荷に電流が供給されると、トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の各々で損失（すなわち熱）が発生し、負荷の消費電流に応じてトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の温度が変化する。
【００６４】
トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６で発生した熱はダイオードＤ７〜Ｄ９に伝達し、トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の温度に応じてダイオードＤ７〜Ｄ９の温度も変化する。ダイオードＤ７〜Ｄ９の順方向電圧ＶＦは、ダイオードＤ７〜Ｄ９の温度に応じて変化する。定電流源４ａを含む寿命推定回路３Ａと、制御部２とは、同じ制御ＩＣ４０に搭載される。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。
【００６５】
この実施の形態６では、温度検出用のダイオードＤ７〜Ｄ９をパワー素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｄ１〜Ｄ６と同じ基板に搭載したので、パワー素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｄ１〜Ｄ６の温度を正確に検出することができる。さらに、寿命推定回路３Ａおよび制御部２を１つの制御ＩＣ４０に搭載したので、回路規模を小さくし、構成部品を少なくし、コストを下げ、不良率を下げることができる。
【００６６】
なお、トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、ＩＧＢＴ以外の半導体スイッチング素子でも構わない。たとえば、バイポーラトランジスタでもよいし、ＭＯＳＦＥＴでも構わない。
【００６７】
以下、本実施の形態６の種々の変更例について説明する。第１の変更例では、トランジスタＱ１〜Ｑ６はシリコン（Ｓｉ）を用いて形成され、ダイオードＤ１〜Ｄ６は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いて形成される。炭化ケイ素で形成された半導体素子は耐電圧が高く、許容電流密度が大きい。したがって、ダイオードＤ１〜Ｄ６の小型化を図ることができ、パワーモジュールの小型化を図ることができる。
【００６８】
第２の変更例では、トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６のすべてが炭化ケイ素を用いて形成される。したがって、トランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の小型化を図ることができ、第１の変更例よりもパワーモジュールの小型化を図ることができる。
【００６９】
第３の変更例では、図７の６組のトランジスタＱおよびダイオードＤが６つの逆導通ＩＧＢＴで置換され、各逆導通ＩＧＢＴは炭化ケイ素を用いて形成される。逆導通ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードを含む半導体素子である。したがって、第２の変更例よりもパワーモジュールの小型化を図ることができ、さらに組み立て作業の簡単化を図ることができる。
【００７０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７１】
１，１Ａ  パワー素子部、２  制御部、３，３Ａ  寿命推定回路、４  温度検出器、４ａ  定電流源、５，３０  変曲点検出部、６，７  記憶部、８  演算部、９，１５  カウント回路、１０，１６，２０，２５  信号発生部、３１  微分回路、３２  パルス発生回路、３３  Ａ／Ｄ変換回路、３４  書込回路、Ｔａ〜Ｔｇ  端子、Ｑ１〜Ｑ６  トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ９  ダイオード、４０  制御ＩＣ。
【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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