JP5343901B2 - パワーサイクル寿命予測方法、寿命予測装置及び該寿命予測装置を備えた半導体装置 - Google Patents
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Description
応じて近似させる直線の傾き及び該直線において予め設定された基準温度差について寿命データレジスタに保持された演算パラメータを受領して寿命計算し寿命情報を出力する寿命演算回路と、該寿命演算回路で寿命計算を行うための演算パラメータを保持する寿命データレジスタと、を備えることを特徴とする。
図1は、本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置の構成概要を示す図である。本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置は、パワー半導体デバイスを組み込んだパワー半導体モジュールの寿命を予測するものである。以下において、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を組み込んだIGBTモジュールの寿命を予測する場合を例に説明する。通常、インバータは、直流を交流に変換する回路ブロックとして当業者によく知られており、その構成要素には上述したIGBTモジュールが用いられる。また、パワー半導体素子としては 、IGBTに限らず、パワートランジスタ、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ)などが使用されている。
ンディングワイヤ間,外部導出端子−ボンディングワイヤ間は、例えば超音波接合される。
例えば、パワー半導体素子(IGBT)の製造過程で、そのチップ内に温度検出用のダイオードを作製しておく。そしてこの温度検出用のダイオードの熱特性を使って、チップ表面の温度を検出するようにすればよい。IGBTに温度検出用のダイオードを内蔵させることで、発熱源に極めて近い箇所の温度検出が可能となる。また、IGBTモジュール内の限られたスペースを有効に活用でき、IGBTモジュールのパッケージサイズを小型化することができる。
なお本発明では主題ではないが、当業者に広く知られているように、インバータは、IGBTモジュール2によって構成され、制御装置4によりIGBTモジュール2をスイッチング駆動することにより、負荷へ交流電力の供給を行うものである。インバータに供給される直流電力は、例えば、商用電源からの交流電力を整流器1で整流して得る。
測定・解析してみて、実際の製品の寿命予測の前段階で取得し保持しておく。例えば、本発明の適用対象であるIGBTモジュールのパワーサイクル寿命カーブは、図3に示されるように、温度範囲によって傾きが異なる2つの直線により表す。これは、2つの直線が交差する点、すなわち変曲点(温度差ΔTx)を挟んで、低温側の直線で表されるパワーサイクル寿命カーブにおいては、傾きがa1で基準温度差がΔTs1であり、また高温側の直線で表されるパワーサイクル寿命カーブにおいては、傾きがa2で基準温度差がΔTs2としたものである。なお、基準温度差ΔTs1,ΔTs2は図3に示されるようなIGBTのパワーサイクル寿命カーブを基に予め設定する。
基準温度差パラメータ ΔTs:ΔTs1, ΔTs2(図4の場合には、更にΔTs3も)
ΔTsでの寿命サイクルパラメータ Ns:Ns1, Ns2(図4の場合には、更にNs3も)
サイクル寿命カーブにおける傾きパラメータ a:a1, a2(図4の場合には、更にa3も)
そのうえで寿命データレジスタ40は、ΔTx保持部/ΔT及びΔTx比較部32の出力であるΔTとΔTxとの大小関係の比較結果に基づき、予め保持している演算パラメータの中から最適なパラメータを選択し、ダメージ換算部33および累積ダメージ計算部34に出力する。またΔT検出部31は、検出したΔTをΔTx保持部/ΔT及びΔTx比較部32に出力するとともに計算命令1をダメージ換算部33に出力して計算処理を指示する。
(A)検出したΔTを元に、N1もしくはN2が更新され、計算命令2が入力されると、以下の計算を実行する。すなわち、
1)ΔT<ΔTxの場合には、
ND1 = N1_old + N1
2)ΔT>ΔTxの場合には、
ND2 = N2_old + N2
(B)次に、上記ND1, ND2と次の式(3)を用いて累積ダメージDの値を求め、Dの値を余寿命計算・寿命判定部50に出力する。
(イ)ΔT<ΔTxの領域(低温領域)では、以下の換算式
N1=(ΔTs1/ΔT)a1×Ns1
に基づいてΔTにおけるサイクル寿命回数N1を、基準温度差ΔTs1におけるサイクル寿命回数Ns1に換算(重み付け)して求める。ここでa1は近似する直線の傾きであるが上記式における重み係数でもある。
(ロ)ΔT>ΔTxの領域(高温領域)では、以下の換算式
N2=(ΔTs2/ΔT)a2×Ns2
に基づいてΔTにおけるサイクル寿命回数N2を、基準温度差ΔTs2におけるサイクル寿命回数Ns2に換算(重み付け)して求める。ここでa2は近似する直線の傾きであるが上記式における重み係数でもある。
1)ΔT<ΔTxの場合には、
ND1 = N1_old + N1
2)ΔT>ΔTxの場合には、
ND2 = N2_old + N2
によりそれぞれの温度領域で更新されたサイクル寿命回数ND1,ND2を求め、このサイクル寿命回数ND1,ND2についてマイナー則を用いて累積ダメージ(被害率)Dを、
D = (ND1/Ns1) + (ND2/Ns2)
により求め、累積ダメージ(被害率)DがD=1になるときを寿命に到達したと予測する。上記Dの算出式は、上記した式(3)そのものであり、これにて累積ダメージDの値を求め、Dの値を余寿命計算・寿命判定部50に出力する。なお図2においては図1に示していない余寿命計算・寿命判定部50を寿命演算回路30に付加しているが、上述したように、これは余寿命計算・寿命判定した結果まで提供する必要がある場合のオプションであって、寿命演算回路30の構成としては必須ではない。
(イ)ΔT<ΔTxの領域(低温領域)では、以下の式(7)で示される換算式
(ロ)ΔTx1<ΔT<ΔTx2の領域(中温領域)では、以下の式(8)で示される換算式
(ハ)ΔT>ΔTx2の領域(高温領域)では、以下の式(9)で示される換算式
Power Module:インテリジェント・パワー・モジュール)として応用することができる。
2 IGBTモジュール
2’ IGBTチップ
3 モータ
4 制御装置
5 ドライバ
10 温度センサ
20 A/D(アナログデジタル変換器)
30 寿命演算回路
31 ΔT検出部
32 ΔTx保持部/ΔT及びΔTx比較部
33 ダメージ換算部
34 累積ダメージ計算部
40 寿命データレジスタ
50 余寿命計算・寿命判定部
Claims (5)
- パワー半導体素子から成る半導体装置の全動作温度範囲を複数の温度領域に分割し、該温度領域内においてはそれぞれ設定した基準温度差におけるパワーサイクル数に重み付けした値を用いてサイクル数を算出し、該分割した温度領域間においては各算出した前記サイクル数を基にマイナー則を用いて累積ダメージを算出して寿命を予測することを特徴とするパワーサイクル寿命予測方法。
- 事前にパワーサイクル試験を経て解析された、複数の直線で近似されるパワーサイクル寿命カーブから、複数の直線が交差する点(変曲点)の温度差を取得するとともに前記複数の各直線における基準温度差を設定し且つ該直線の傾きを演算パラメータとして保持する過程を含み、実動作において、温度センサでパワー半導体素子の銅ベース温度を検知する過程、該温度センサ出力を一定のサンプリング周期でA/D変換する過程、および、該A/D変換から温度差を検出し、該検出した温度差と予め保持されている変曲点温度差とを比較し、その比較結果から前記検出した温度差が予めパワーサイクル試験を経て解析されたパワーサイクル寿命カーブを近似する複数の直線のいずれの側にあるかに応じて近似させる直線の傾き及び該直線において予め設定された基準温度差について保持された前記演算パラメータを受領して寿命計算し寿命情報を出力する過程、を含むことを特徴とするパワーサイクル寿命予測方法。
- パワー半導体素子の銅ベース温度を検知する温度センサと、該温度センサ出力を一定のサンプリング周期でA/D変換するA/D変換器と、該A/D変換器出力から温度差を検出し、該検出した温度差と予め保持されている変曲点温度差とを比較し、その比較結果から前記検出した温度差が予めパワーサイクル試験を経て解析されたパワーサイクル寿命カーブを近似する複数の直線のいずれの側にあるかに応じて近似させる直線の傾き及び該直線において予め設定された基準温度差について寿命データレジスタに保持された演算パラメータを受領して寿命計算し寿命情報を出力する寿命演算回路と、該寿命演算回路で寿命計算を行うための演算パラメータを保持する寿命データレジスタと、を備えることを特徴とするパワーサイクル寿命予測装置。
- 前記寿命演算回路は、前記A/D変換器出力から温度差を検出する温度差検出部と、変曲点温度差を保持すると共に前記温度差検出部から出力される温度差と予め保持している変曲点温度差とを比較する変曲点温度差保持部/温度差及び変曲点温度差比較部と、該温度差及び変曲点温度差比較部の比較結果にしたがって前記寿命データレジスタから出力される近似させる直線の傾き、該直線において予め設定された基準温度差及び該基準温度差での寿命サイクル値を演算パラメータとして受領するとともに前記変曲点温度差保持部/温度差及び変曲点温度差比較部から変曲点温度差と検出した温度差を受領して検出した温度差を前記基準温度差による寿命サイクルに換算するダメージ換算部と、該温度差及び変曲点温度差比較部の比較結果にしたがって前記寿命データレジスタから出力される近似させる直線の傾き、該直線において予め設定された基準温度差及び該基準温度差での寿命サイクル値を演算パラメータとして受領するとともに前記ダメージ換算部から出力される換算された寿命サイクル値を受領してマイナー則によって累積ダメージを計算して出力する累積ダメージ計算部とを備え、
前記寿命データレジスタは、累積ダメージを計算するための演算パラメータとして、予めパワーサイクル試験を経て解析されたパワーサイクル寿命カーブを近似する複数の直線についての、基準温度差ΔTs、該基準温度差ΔTsでの寿命サイクル、サイクル寿命カーブにおける傾きについてのデジタルデータを保持する、
ことを特徴とする請求項3に記載のパワーサイクル寿命予測装置。 - 前記請求項3又は4記載のパワーサイクル寿命予測装置を半導体モジュールのケース内
に取り付け一体化したことを特徴とするパワーサイクル寿命予測装置を備えた半導体装置。
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