(57)【要約】【課題】パワーモジュールを分解することなくボンディングワイヤの部分断線を診断することができるパワーモジュールの故障検出装置を提供することである。【解決手段】  パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を光ファイバ２４で検出し、光ファイバで検出された光信号を光電変換器１８で電気信号に変換する。一方、半導体素子１２のコレクタ電極に流れるコレクタ電流をコレクタ電流検出回路２０で検出し、制御信号発生回路２１はコレクタ電流検出回路２０で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する。そして、演算回路１９は、制御信号発生回路２１からの制御信号が出力されているとき光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光信号を検出したか否かを判定し、光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは警報回路２２に警報を出力する。【選択図】  図１
2009036656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、
前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項２】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、
前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項３】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、
前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項４】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、
前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、
前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき、または前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項５】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、
前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、
前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき、または前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項６】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、
前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、
前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき、または前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項７】
パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、
前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、
前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、
前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、
前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき、または前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき、または前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
【請求項８】
前記演算回路は、前記光センサが光信号を検出したと判定した回数を計数し、その計数値が所定値を越えたときに警報を出力するようにしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のパワーモジュールの故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を内蔵したパワーモジュールの故障検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換器として、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等を内蔵したパワーモジュールを用いて構成されたものがある。パワーモジュールには短絡故障や断線故障があり、例えば、短絡故障を検出するしきい値を主回路直流電圧をフィードバックして主回路直流電圧により決定し、ＩＧＢＴのゲート電圧を絞ることにより短絡電流を減じ、主回路直流電圧が変化しているときも短絡を正しく検出できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、パワーモジュールの断線故障に対しては、断線故障の兆候を事前に検出することが強く望まれている。すなわち、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワーモジュールは、外部端子とＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のシリコン電極との接続にボンディングワイヤが用いられており、このボンディングワイヤは１チップ当たり数本で接続されているので、１、２本が切断される状態、すなわち部分断線においてもパワーモジュールはスイッチング動作を継続させることができる。しかし、この状態を維持すると、一部のボンディングワイヤに電流が集中し末期にはすべてのボンディングワイヤが切断され断線故障になる可能性がある。
【０００４】
通常、パワーモジュールのボンディングワイヤの断線故障が発生すると、パワーモジュールで形成している電力変換器システム（例えば、インバータシステム）全体の停止に波及するため、事前に断線故障の兆候を検出することが強く望まれている。
【特許文献１】特開平７−２５０４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、パワーモジュールは密閉構造となっているため外部からボンディングワイヤの部分断線を診断することが難しい。このため、従来はパワーモジュールを分解して内部を確認していたが、一度分解してしまうと、そのパワーモジュールは使用することができなくなる。さらに、パワーモジュールの劣化を調べるために、数個のパワーモジュールを正常なパワーモジュールと取り替えてサンプルとして取り出し、工場にて分解調査を行っている。その結果、サンプルに劣化の傾向があれば、電力変換器システムに組込まれているすべてのパワーモジュールを取り替えるなどして対応している。従って、パワーモジュールの寿命があるにもかかわらず、すべてのパワーモジュールの取り替えを行うことになるので不経済である。
【０００６】
本発明の目的は、パワーモジュールを分解することなくボンディングワイヤの部分断線を診断することができるパワーモジュールの故障検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき、または前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき、または前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき、または前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、パワーモジュール内部の半導体素子の電極と外部端子とを接続するボンディングワイヤの部分放電による発光を検出する光センサと、前記光センサで検出された光信号を電気信号に変換する光電変換器と、前記半導体素子のコレクタ電極に流れるコレクタ電流を検出するコレクタ電流検出回路と、前記半導体素子のゲート電極とエミッタ電極との間のゲート・エミッタ間電圧を検出するゲート・エミッタ間電圧検出器と、前記半導体素子のコレクタ電極とエミッタ電極との間のコレクタ・エミッタ間電圧を検出するコレクタ・エミッタ間電圧検出器と、前記コレクタ電流検出回路で検出されたコレクタ電流が閾値を越えた状態のとき、または前記ゲート・エミッタ間電圧検出器で検出されたゲート・エミッタ間電圧が前記半導体素子をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるとき、または前記コレクタ・エミッタ間電圧検出器で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧が閾値を越えた状態のとき制御信号を発生する制御信号発生回路と、前記制御信号発生回路からの制御信号が出力されているとき前記光電変換器からの電気信号を取り込み、前記光センサが光信号を検出したか否かを判定し、前記光センサが光信号を検出したと判定したときは警報を出力する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明に係わるパワーモジュールの故障検出装置は、請求項１ないし７のいずれか１項の発明において、前記演算回路は、前記光センサが光信号を検出したと判定した回数を計数し、その計数値が所定値を越えたときに警報を出力するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パワーモジュールの半導体素子のスイッチング動作のときに、シリコン電極に接続されているボンディングワイヤの部分断線時に発生する部分放電による発光を検出して部分断線を検出するので、密閉型のパワーモジュールを分解することなく、運転中においてもボンディングワイヤの部分断線を診断することができる。これにより、劣化したパワーモジュールを断線故障前に検出できるので、事故範囲の拡大を防止できる。
【００１６】
また、パワーモジュール内部状態のサンプル調査をする必要がなくなり、部分放電を検出した特定のパワーモジュールのみを交換するだけでよいため、パワーモジュールの点検や交換に要する電力変換器システムの停止期間が短縮され信頼度の向上につながる。また、例えば、ＩＧＢＴ素子の寿命は１０〜２０年と言われているため、パワーモジュールの取り替え時期を最大で１０年遅らせることができ長寿命化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の構成図である。パワーモジュール１１はＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子１２や環流ダイオード１３等の素子が内蔵されており、外部端子１４ａ、１４ｂは半導体素子１２のシリコン電極にボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂに接続されている。また、半導体素子１２のゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅとの間にはゲート駆動回路１６によりゲート電圧Ｖｇｅが印加され、これにより半導体素子１２は導通する。
【００１８】
また、パワーモジュール１１には光ファイバ２４が差し込まれており、この光ファイバ２４の先端部１７が光センサとなりボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線時に発生する部分放電による光を検出する。光ファイバ２４の先端部１７は、例えば、石英を溶かすことで視野を広げている。また、パワーモジュール１１の内部は、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線時の部分放電による光が光ファイバ２４に到達し易くするために、鏡や反射板が配置されている。
【００１９】
光ファイバ２４で検出された光信号は光電変換器１８に導かれ、光電変換器１８で電気信号に変換されて演算回路１９に入力される。一方、半導体素子１２のコレクタ電極に流れるコレクタ電流Ｉｃを検出するコレクタ電流検出回路２０が設けられ、コレクタ電流検出回路２０で検出されたコレクタ電流Ｉｃは制御信号発生回路２１に入力される。
【００２０】
制御信号発生回路２１は、コレクタ電流検出回路２０で検出されたコレクタ電流Ｉｃが閾値を越えた状態のとき制御信号を発生し演算回路１９に出力する。演算回路１９は、制御信号発生回路２１からの制御信号が出力されているとき、光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光信号を検出したか否かを判定する。そして、光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは警報回路２２に警報を出力する。
【００２１】
図２は、制御信号発生回路２１が制御信号を発生するタイミングの説明図である。図２に示すように、コレクタ電流Ｉｃが閾値｜Ｉｃ１｜を越えた状態のとき（時点ｔ１〜ｔ２の期間Ｔ１や時点ｔ３〜ｔ４の期間Ｔ２）に、制御信号発生回路２１は制御信号を発生する。演算回路１９は、この期間Ｔ１、Ｔ２の間に光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光を検出しているか否かを判定する。つまり、期間Ｔ１、Ｔ２がボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の監視期間となる。
【００２２】
コレクタ電流Ｉｃが閾値｜Ｉｃ１｜を越えた状態のときに、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を監視するのは、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の検出精度を高めるためである。ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線が発生していると、コレクタ電流Ｉｃの値が大きいほど部分放電し易く、そのときの部分放電による発光量が大きくなるからである。
【００２３】
以上の説明では、演算回路１９は光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは、即座に警報回路２２に警報を出力するようにしたが、光ファイバ２４が光信号を検出した監視期間Ｔの回数を計数し、その計数値が所定値を越えたときに警報を出力するようにしてもよい。例えば、３回の監視期間Ｔにおいて、光ファイバ２４が光信号を検出したときに警報を出力する。これにより、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の検出の精度が向上する。また、コレクタ電流検出回路２０はパワーモジュール１１の外部に設けたが、パワーモジュール１１の内部に設けるようにしてもよい。
【００２４】
また、図３に示すように、光ファイバ２４及び光ファイバ先端部１７に代えて、電線２６及び受光素子２７を設け、パワーモジュール１１内部の発光現象を光センサとしての受光素子２７で検出するようにしてもよい。受光素子２７で検出された光信号は受光素子２７で光電変換されて電線２６に電気信号として出力される。受光素子１７は半導体素子１２のチップと同一の基板上やモジュール内壁に設置することができる。
【００２５】
第１の実施の形態によれば、コレクタ電流Ｉｃが閾値｜Ｉｃ１｜を越えた状態のときに、ボンディングワイヤ１１の部分断線による部分放電を光で検出するので、パワーモジュール１１を分解することなく、運転中においてもボンディングワイヤ１１の部分断線を検出できる。また、光信号を検出した回数が所定値を越えたときに警報を出力するので、より精度よくボンディングワイヤ１１の部分断線を検出できる。
【００２６】
図４は本発明の第２の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、コレクタ電流検出回路２０に代えて、ゲート・エミッタ間電圧検出回路２３を設け、制御信号発生回路２１は、ゲート・エミッタ間電圧検出器２３で検出されたゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅが半導体素子１２をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧、または、ＯＦＦからＯＮにするＯＮ制御電圧であるときに演算回路１９に制御信号を発生するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２７】
演算回路１９は、制御信号発生回路２１からの制御信号が出力されているとき光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光信号を検出したか否かを判定する。そして、光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは警報回路２２に警報を出力する。
【００２８】
図５は、制御信号発生回路２１が制御信号を発生するタイミングの説明図である。図５に示すように、ゲート・エミッタ電圧Ｖｇｅが半導体素子１２をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧であるとき（時点ｔ１１〜ｔ１２の期間Ｔ）に、制御信号発生回路２１は制御信号を発生する。演算回路１９は、この期間Ｔの間に光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光を検出しているか否かを判定する。つまり、期間Ｔがボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の監視期間となる。
【００２９】
ゲート・エミッタ電圧Ｖｇｅが半導体素子１２をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧のときに、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の監視するのは、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の検出精度を高めるためである。
【００３０】
ゲート・エミッタ電圧Ｖｇｅが半導体素子１２をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧のときには、ゲート・エミッタ電圧Ｖｇｅは絞られて低下し半導体素子１２はＯＦＦ状態に変化するので、半導体素子１２のコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅは逆にほぼ零から上昇する。ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線が発生していると、半導体素子１２のコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの変化に伴い、部分断線しているボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂ部分で部分放電し易く、そのときの部分放電による発光量が大きくなるからである。
【００３１】
以上の説明では、演算回路１９は光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは、即座に警報回路２２に警報を出力するようにしたが、第１の実施の形態と同様に、光ファイバ２４が光信号を検出した監視期間Ｔの回数を計数し、その計数値が所定値を越えたときに警報を出力するようにしてもよい。例えば、３回の監視期間Ｔにおいて、光ファイバ２４が光信号を検出したときに警報を出力する。これにより、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の検出の精度が向上する。また、ゲート・エミッタ間電圧検出回路２３はパワーモジュール１１の外部に設けたが、パワーモジュール１１の内部に設けるようにしてもよい。
【００３２】
また、図６に示すように、光ファイバ２４及び光ファイバ先端部１７に代えて、電線２６及び受光素子２７を設け、パワーモジュール１１内部の発光現象を光センサとしての受光素子２７で検出するようにしてもよい。受光素子２７で検出された光信号は受光素子２７で光電変換されて電線２６に電気信号として出力される。受光素子１７は半導体素子１２のチップと同一の基板上やモジュール内壁に設置することができる。  第２の実施の形態によれば、ゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅが半導体素子１２をＯＮからＯＦＦにするＯＦＦ制御電圧のときに、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線による部分放電を光で検出するので、パワーモジュール１１を分解することなく、運転中においてもボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を検出できる。また、光信号を検出した回数が所定値を越えたときに警報を出力するので、より精度よくボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を検出できる。
【００３３】
図７は本発明の第３の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、コレクタ電流検出回路２０に代えて、コレクタ・エミッタ間電圧検出回路２５を設け、制御信号発生回路２１は、コレクタ・エミッタ間電圧検出器２５で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが閾値を越えた状態のときに演算回路１９に制御信号を発生するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３４】
演算回路１９は、制御信号発生回路２１からの制御信号が出力されているとき光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光信号を検出したか否かを判定する。そして、光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは警報回路２２に警報を出力する。
【００３５】
図８は、制御信号発生回路２１が制御信号を発生するタイミングの説明図である。図８に示すように、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが閾値Ｖｃｅ１を越えた状態のとき（時点ｔ１〜ｔ２の期間Ｔ１や時点ｔ３〜ｔ４の期間Ｔ２）に、制御信号発生回路２１は制御信号を発生する。演算回路１９は、この期間Ｔ１、Ｔ２の間に光電変換器１８からの電気信号を取り込み、光ファイバ２４が光を検出しているか否かを判定する。つまり、期間Ｔ１、Ｔ２がボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の監視期間となる。
【００３６】
コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが閾値Ｖｃｅ１を越えた状態のときに、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を監視するのは、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の検出精度を高めるためである。
【００３７】
コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが閾値Ｖｃｅ１を越えた状態のときには、コレクタ電流Ｉｃが減少し、半導体素子１２がＯＮからＯＦＦに移行する状態と同じ状態であり、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線が発生していると、半導体素子１２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅの変化に伴い、部分断線しているボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂ部分で部分放電し易く、そのときの部分放電による発光量が大きくなるからである。
【００３８】
以上の説明では、演算回路１９は光ファイバ２４が光信号を検出したと判定したときは、即座に警報回路２２に警報を出力するようにしたが、第１の実施の形態と同様に、光ファイバ２４が光信号を検出した監視期間Ｔの回数を計数し、その計数値が所定値を越えたときに警報を出力するようにしてもよい。例えば、３回の監視期間Ｔにおいて、光ファイバ２４が光信号を検出したときに警報を出力する。これにより、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線の検出の精度が向上する。また、コレクタ・エミッタ間電圧検出回路２５はパワーモジュール１１の外部に設けたが、パワーモジュール１１の内部に設けるようにしてもよい。
【００３９】
また、図９に示すように、光ファイバ２４及び光ファイバ先端部１７に代えて、電線２６及び受光素子２７を設け、パワーモジュール１１内部の発光現象を光センサとしての受光素子２７で検出するようにしてもよい。受光素子２７で検出された光信号は受光素子２７で光電変換されて電線２６に電気信号として出力される。受光素子１７は半導体素子１２のチップと同一の基板上やモジュール内壁に設置することができる。  第３の実施の形態によれば、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが閾値Ｖｃｅ１を越えた状態のときに、ボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線による部分放電を光で検出するので、パワーモジュール１１を分解することなく、運転中においてもボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を検出できる。また、光信号を検出した回数が所定値を越えたときに警報を出力するので、より精度よくボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を検出できる。
【００４０】
以上述べた各実施の形態では、コレクタ電流検出回路２０、ゲート・エミッタ間電圧検出回路２３、コレクタ・エミッタ間電圧検出回路２５を個別に設けた場合について説明したが、これらを組み合わせて設けるようにしてもよい。すなわち、コレクタ電流検出回路２０とゲート・エミッタ間電圧検出回路２３との組み合せ、コレクタ電流検出回路２０とコレクタ・エミッタ間電圧検出回路２５との組み合せ、ゲート・エミッタ間電圧検出回路２３とコレクタ・エミッタ間電圧検出回路２５との組み合せ、さらには、これらすべてのコレクタ電流検出回路２０とゲート・エミッタ間電圧検出回路２３とコレクタ・エミッタ間電圧検出回路２５との組み合せとしてもよい。いずれの組合せの場合にも、制御信号発生回路２１が制御信号を発生したタイミングで、演算回路１９はその期間に光電変換器１８からの電気信号を取り込むことになる。
【００４１】
このように、本発明の実施の形態によれば、パワーモジュール１１に光ファイバ２４を組み込んで、電力変換器システムの運転中にボンディングワイヤ１５ａ、１５ｂの部分断線を部分放電による光で検出するので、パワーモジュール１１の非破壊検査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に制御信号発生回路が制御信号を発生するタイミングの説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の他の一例の構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の構成図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に制御信号発生回路が制御信号を発生するタイミングの説明図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の他の一例の構成図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の構成図。
【図８】本発明の第３の実施の形態に制御信号発生回路が制御信号を発生するタイミングの説明図。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係わるパワーモジュールの故障検出装置の他の一例の構成図。
【符号の説明】
【００４３】
１１…パワーモジュール、１２…半導体素子、１３…環流ダイオード、１４…外部端子、１５…ボンディングワイヤ、１６…ゲート駆動回路、１７…光ファイバの先端部、１８…光電変換器、１９…演算回路、２０…コレクタ電流検出回路、２１…制御信号発生回路、２２…警報回路、２３…ゲート・エミッタ間電圧検出回路、２４…光ファイバ、２５…コレクタ・エミッタ間電圧検出回路、２６…電線、２７…光電素子
【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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