JP6164995B2

JP6164995B2 - Heating element lifetime estimation device and module

Info

Publication number: JP6164995B2
Application number: JP2013186920A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　健一; 健一鈴木
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: JP2015056415A

Description

本発明は、動作中に発熱する発熱素子［例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を含む素子］の寿命を推定する発熱素子寿命推定装置と、この発熱素子寿命推定装置を備えたモジュール（例えば、パワー半導体素子をスイッチングして電力変換を行うパワーモジュール）と、に関するものである。 The present invention relates to a heating element lifetime estimating apparatus for estimating the lifetime of a heating element that generates heat during operation [for example, an element including a power semiconductor element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) or MOSFET], and the heating element lifetime estimating apparatus. (For example, a power module that performs power conversion by switching a power semiconductor element).

図２は、特許文献１等に記載された従来のパワー素子寿命推定装置を備えたパワーモジュールを示す概略の構成図である。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a power module including a conventional power element lifetime estimating apparatus described in Patent Document 1 and the like.

このパワーモジュール１は、配線基板２を有し、この配線基板２上に、パワー素子部１０及び制御部２０が搭載されている。パワー素子部１０は、例えば、直流（以下「ＤＣ」という。）電力Ｐｉを入力し、このＤＣ電力Ｐｉを３相の交流（以下「ＡＣ」という。）電力Ｐｏに変換する３相インバータであり、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の複数のパワー素子等により構成されている。パワー素子部１０内の少なくとも２箇所には、このパワー素子部１０の内部温度を検出する２つの温度センサ１１，１２が設けられている。 The power module 1 includes a wiring board 2, and a power element unit 10 and a control unit 20 are mounted on the wiring board 2. The power element unit 10 is, for example, a three-phase inverter that receives direct current (hereinafter referred to as “DC”) power Pi and converts the DC power Pi into three-phase alternating current (hereinafter referred to as “AC”) power Po. , IGBTs, MOSFETs, and other power elements. Two temperature sensors 11 and 12 for detecting the internal temperature of the power element unit 10 are provided in at least two places in the power element unit 10.

制御部２０は、パワー素子部１０内の複数のパワー素子をスイッチングして、そのパワー素子部１０の運転と停止を制御する回路である。この制御部２０には、複数のパワー素子をスイッチング駆動するためのパルス幅変調（以下「ＰＷＭ」という。）信号Ｓを生成する駆動信号生成回路２１、及び寿命推定回路２２等が設けられている。温度センサ１１，１２及び寿命推定回路２２により、パワー素子寿命推定装置が構成されている。装置駆動信号生成回路２１は、例えば、出力電圧指令値ＶＩｉと図示しない基準三角波との大小を比較演算して、複数のＰＷＭ信号Ｓを生成し、複数のパワー素子を駆動する。 The control unit 20 is a circuit that switches a plurality of power elements in the power element unit 10 and controls operation and stop of the power element unit 10. The control unit 20 includes a drive signal generation circuit 21 that generates a pulse width modulation (hereinafter referred to as “PWM”) signal S for switching driving a plurality of power elements, a life estimation circuit 22, and the like. . The temperature sensor 11, 12 and the lifetime estimation circuit 22 constitute a power element lifetime estimation device. For example, the device drive signal generation circuit 21 compares the output voltage command value VIi with a reference triangular wave (not shown) to generate a plurality of PWM signals S and drives a plurality of power elements.

パワー素子部１０内のパワー素子は、スイッチングする時に発生する熱によって劣化（例えば、パワー素子と配線基板２とを接合する半田層等が亀裂）する。寿命推定回路２２は、パワー素子が劣化し、このパワー素子が許容できるジャンクション温度の限界値（例えば、１５０°Ｃ）を超えて破壊する前に、パワー素子部１０の寿命を推定する回路である。この寿命推定回路２２は、パワー素子部１０内の２つの温度センサ１１，１２の温度検出結果から、２箇所の温度勾配（温度差）に基づいて、パワー素子の劣化（即ち、寿命）を推定して寿命信号ＡＳを出力する。これにより、パワー素子部１０が破壊する前に、劣化したパワー素子の交換等が行える。 The power element in the power element unit 10 is deteriorated by heat generated during switching (for example, a solder layer that joins the power element and the wiring board 2 is cracked). The life estimation circuit 22 is a circuit that estimates the life of the power element unit 10 before the power element deteriorates and breaks beyond a limit value (for example, 150 ° C.) of an allowable junction temperature. . The life estimation circuit 22 estimates the deterioration (that is, the life) of the power element from the temperature detection results of the two temperature sensors 11 and 12 in the power element unit 10 based on two temperature gradients (temperature difference). The life signal AS is output. Thereby, before the power element unit 10 is destroyed, the deteriorated power element can be replaced.

特開２００６−１１４５７５号公報JP 2006-114575 A

しかしながら、従来のパワー素子寿命推定装置では、パワー素子部１０内の半田層の亀裂に起因して生じる２箇所の温度勾配を基準値と比較し、この比較結果からパワー素子の寿命を推定している。そのため、半田層に亀裂が生じないと、パワー素子の寿命を推定できないので、パワー素子が劣化する前に、事前に寿命を推定することができず、不利不便であった。 However, in the conventional power element life estimation apparatus, the temperature gradient at two locations caused by cracks in the solder layer in the power element unit 10 is compared with a reference value, and the life of the power element is estimated from this comparison result. Yes. Therefore, if the solder layer does not crack, the life of the power element cannot be estimated. Therefore, the life cannot be estimated in advance before the power element deteriorates, which is disadvantageous.

本発明の発熱素子寿命推定装置は、動作中に発熱する発熱素子を有する発熱素子部の内部温度を検出して温度検出結果を出力する１つ又は複数の温度検出手段と、温度の異なる複数の温度閾値を設定する温度閾値設定手段と、１つ又は複数の寿命判定閾値を設定する寿命判定閾値設定手段と、第１比較手段と、計数手段と、第２比較手段と、を備えることを特徴とする。 The heat generating element life estimation apparatus of the present invention includes one or a plurality of temperature detecting means for detecting an internal temperature of a heat generating element portion having a heat generating element that generates heat during operation and outputting a temperature detection result, and a plurality of temperature detection units having different temperatures. A temperature threshold setting unit for setting a temperature threshold, a life determination threshold setting unit for setting one or a plurality of life determination thresholds, a first comparison unit, a counting unit, and a second comparison unit. And

ここで、前記第１比較手段は、前記発熱素子部の動作に伴って上昇する前記内部温度の第１の前記温度検出結果と前記温度閾値とを比較して前記第１の温度検出結果が前記温度閾値以上になり、且つ、前記発熱素子部の停止に伴って下降する前記内部温度の第２の前記温度検出結果と前記温度閾値とを比較して前記第２の温度検出結果が前記温度閾値以下になると、比較結果を出力するものである。前記計数手段は、前記比較結果を計数（カウント）して計数結果を出力するものである。更に、前記第２比較手段は、前記計数結果と前記寿命判定閾値とを比較して前記計数結果が前記寿命判定閾値以上になると、寿命警報を出力するものである。 Here, the first comparison means compares the first temperature detection result of the internal temperature that rises with the operation of the heating element unit and the temperature threshold value, and the first temperature detection result is The second temperature detection result of the internal temperature, which is equal to or higher than the temperature threshold and decreases as the heating element portion stops, is compared with the temperature threshold, and the second temperature detection result is the temperature threshold. In the following case, the comparison result is output. The counting means counts the comparison result and outputs the counting result. Further, the second comparison means compares the count result with the life determination threshold value, and outputs a life warning when the count result is equal to or greater than the life determination threshold value.

本発明のモジュールは、前記発明の発熱素子寿命推定装置と、前記発熱素子を有する前記発熱素子部と、を備え、前記発熱素子を駆動して前記発熱素子部の運転と停止を制御することを特徴とする。 The module of the present invention comprises the heating element lifetime estimation device of the present invention and the heating element unit having the heating element, and controls the operation and stop of the heating element unit by driving the heating element. Features.

前記モジュールにおいて、例えば、前記発熱素子は、電力を変換するパワー素子であり、前記発熱素子部は、前記パワー素子を有するパワー素子部であり、前記モジュールは、前記パワー素子をスイッチングして前記パワー素子部の運転と停止を制御するパワーモジュールである。 In the module, for example, the heating element is a power element that converts power, the heating element unit is a power element unit that includes the power element, and the module switches the power element to perform the power. It is a power module that controls the operation and stop of the element section.

本発明の発熱素子寿命推定装置及びこれを備えたモジュールによれば、発熱素子部内の温度変化をカウントし、予め設定した寿命判定閾値（即ち、回数）となった時に寿命警報を出力する。これにより、発熱素子部が劣化（故障）する前に寿命警報が出るため、故障する前に事前に交換等の対応ができる。更に、温度閾値は、複数設定可能になっているので、温度変化の大小に応じて的確に寿命の推定が行え、信頼性の高い発熱素子寿命推定装置及びこれを備えたモジュールを提供できる。 According to the heating element lifetime estimation apparatus and the module including the same according to the present invention, the temperature change in the heating element section is counted, and a lifetime warning is output when a preset lifetime determination threshold value (that is, the number of times) is reached. As a result, a life warning is issued before the heat generating element portion deteriorates (fails), and therefore, replacement or the like can be performed in advance before the failure. Furthermore, since a plurality of temperature threshold values can be set, the lifetime can be accurately estimated according to the temperature change, and a highly reliable heating element lifetime estimation device and a module including the same can be provided.

図１は本発明の実施例１における発熱素子寿命推定装置を備えたパワーモジュールを示す概略の構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a power module including a heat generating element lifetime estimating apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. 図２は従来のパワー素子寿命推定装置を備えたパワーモジュールを示す概略の構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a power module provided with a conventional power device life estimation apparatus. 図３は図１のパワー素子部４０における寿命特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing life characteristics in the power element unit 40 of FIG. 図４は図１のパワー素子部４０における内部温度の変化特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change characteristic of the internal temperature in the power element unit 40 of FIG. 図５は図１中の発熱素子寿命推定装置の動作を示すフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the heating element lifetime estimating apparatus in FIG.

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。 Modes for carrying out the present invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments when read in light of the accompanying drawings. However, the drawings are only for explanation and do not limit the scope of the present invention.

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における発熱素子寿命推定装置を備えたモジュール（例えば、パワーモジュール）を示す概略の構成図である。 (Configuration of Example 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a module (for example, a power module) provided with a heating element lifetime estimation apparatus in Embodiment 1 of the present invention.

モジュールの１つであるパワーモジュール３０は、配線基板３１を有し、この配線基板３１上に、発熱素子部としてのパワー素子部４０と、このパワー素子部４０の駆動を制御する制御部５０と、が搭載されている。 A power module 30 that is one of the modules has a wiring board 31, a power element part 40 as a heating element part on the wiring board 31, and a control unit 50 that controls driving of the power element part 40, , Is installed.

パワー素子部４０は、例えば、ＤＣ電力Ｐｉを３相のＡＣ電力Ｐｏに変換して３相の負荷へ供給するものであり、３相インバータにより構成されている。このパワー素子部４０は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を含む発熱素子により構成された６つの発熱素子（例えば、パワー素子）４１−１〜４１−６を有している。２つのパワー素子４１−１，４１−２は、接続点Ｎ１を介して直列に接続されて第１アームを構成している。同様に、２つのパワー素子４１−３，４１−４も、接続点Ｎ２を介して直列に接続されて第２アームを構成し、更に、２つのパワー素子４１−５，４１−６も、接続点Ｎ３を介して直列に接続された第３アームを構成している。 The power element unit 40 converts, for example, DC power Pi into three-phase AC power Po and supplies it to a three-phase load, and is constituted by a three-phase inverter. The power element section 40 includes six heating elements (for example, power elements) 41-1 to 41-6 configured by heating elements including power semiconductor elements such as IGBTs and MOSFETs. The two power elements 41-1 and 41-2 are connected in series via the connection point N1 to form a first arm. Similarly, the two power elements 41-3 and 41-4 are connected in series via the connection point N2 to form the second arm, and the two power elements 41-5 and 41-6 are also connected. A third arm connected in series via the point N3 is configured.

前記第１アーム〜第３アームは、ＤＣ電力Ｐｉを入力する電源線ＰＬと、グランドＧＮＤに接続されたグランド線ＧＬと、の間に並列に接続されている。３つの接続点Ｎ１〜Ｎ３から、３相のＡＣ電力Ｐｏが出力される。各パワー素子４１−１〜４１−６には、各還流ダイオード４２−１〜４２−６がそれぞれ逆並列に接続されている。 The first arm to the third arm are connected in parallel between a power supply line PL for inputting DC power Pi and a ground line GL connected to the ground GND. Three-phase AC power Po is output from the three connection points N1 to N3. The free-wheeling diodes 42-1 to 42-6 are connected in antiparallel to the power elements 41-1 to 41-6, respectively.

各パワー素子４１−１〜４１−６には、各駆動回路４３−１〜４３−６がそれぞれ接続されている。各駆動回路４３−１〜４３−６は、トランジスタ等により構成され、制御部５０から供給される各ＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６をそれぞれ駆動して駆動パルスを生成し、これらの駆動パルスにより各パワー素子４１−１〜４１−６を駆動（即ち、スイッチング）する回路である。 The drive circuits 43-1 to 43-6 are connected to the power elements 41-1 to 41-6, respectively. Each drive circuit 43-1 to 43-6 is configured by a transistor or the like, and drives each PWM signal S1 to S6 supplied from the control unit 50 to generate a drive pulse, and each power element is generated by these drive pulses. This is a circuit for driving (ie, switching) 41-1 to 41-6.

パワー素子部４０内には、１つ又は複数の温度センサ４４が設けられている。図１では、例えば、１つの温度センサ４４が図示されている。温度センサ４４は、例えば、パワー素子４１−１〜４１−６の近傍に設けられ、パワー素子部４０の内部温度を検出してアナログの温度検出信号ＡＴを出力するものであり、サーミスタ、感温ダイオード等により構成されている。 One or more temperature sensors 44 are provided in the power element unit 40. In FIG. 1, for example, one temperature sensor 44 is illustrated. For example, the temperature sensor 44 is provided in the vicinity of the power elements 41-1 to 41-6, detects the internal temperature of the power element section 40, and outputs an analog temperature detection signal AT. It is composed of a diode or the like.

制御部５０は、パワー素子部４０へ供給するＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する駆動信号生成部６０と、パワー素子部４０が劣化（故障）する前に寿命警報である寿命アラームＬＡを出力する寿命判定部７０と、その他の図示しない回路部（例えば、パワー素子部４０の過電流保護部、電源電圧監視部等）と、を有し、マイクロコンピュータ等により構成されている。 The control unit 50 generates a drive signal generation unit 60 that generates PWM signals S1 to S6 to be supplied to the power element unit 40, and a lifetime that outputs a lifetime alarm LA that is a lifetime warning before the power element unit 40 deteriorates (fails). The determination unit 70 and other circuit units (not shown) (for example, an overcurrent protection unit of the power element unit 40, a power supply voltage monitoring unit, etc.) are included, and are configured by a microcomputer or the like.

温度センサ４４及び寿命判定部７０により、本実施例１の発熱素子寿命推定装置が構成されている。 The temperature sensor 44 and the lifetime determination unit 70 constitute the heating element lifetime estimation device of the first embodiment.

駆動信号生成部６０は、出力電圧指令値ＶＩｉと、図示しない発振回路等で生成された基準三角波ＣＰと、を比較演算してＰＷＭ信号ＰＳを生成する演算回路６１を有し、この出力側に、パルス分配回路６２が接続されている。パルス分配回路６２は、入力されるＰＷＭ信号ＰＳを３相各アーム分に分配して６つのＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６を出力し、各駆動回路４３−１〜４３−６へ与える回路である。 The drive signal generator 60 includes an arithmetic circuit 61 that generates a PWM signal PS by comparing the output voltage command value VIi with a reference triangular wave CP generated by an oscillation circuit (not shown). The pulse distribution circuit 62 is connected. The pulse distribution circuit 62 is a circuit that distributes the input PWM signal PS to each of the three-phase arms, outputs six PWM signals S1 to S6, and supplies them to the drive circuits 43-1 to 43-6.

寿命判定部７０は、アナログの温度検出信号ＡＴをデジタル信号からなる温度検出結果ＤＴに変換するアナログ／デジタル変換部（以下「Ａ／Ｄ変換部」という。）７１を有している。Ａ／Ｄ変換部７１は、温度センサ４４と共に、温度検出手段を構成している。更に、寿命判定部７０は、複数の温度閾値ＴＨｋ（但し、ｋ＝２又は２以上の整数）を設定する温度閾値設定手段としての温度閾値設定レジスタ７２と、１つ又は複数の寿命判定閾値ＬＨｍ（但し、ｍ＝１又は１以上の整数）を設定する寿命判定閾値設定手段としての寿命判定閾値設定レジスタ７３と、を有している。これらのＡ／Ｄ変換部７１、温度閾値設定レジスタ７２、及び寿命判定閾値設定レジスタ７３の出力側には、演算部７４が接続されている。演算部７４には、寿命判定プログラムを格納した読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）等のプログラムメモリ７５と、ワーキングテータ等を格納する随時読み書き可能なメモリ（ＲＡＭ）等のデータメモリ７６と、が接続されている。 The life determination unit 70 includes an analog / digital conversion unit (hereinafter referred to as “A / D conversion unit”) 71 that converts an analog temperature detection signal AT into a temperature detection result DT composed of a digital signal. The A / D converter 71 and the temperature sensor 44 constitute temperature detecting means. Further, the life determination unit 70 includes a temperature threshold setting register 72 as temperature threshold setting means for setting a plurality of temperature thresholds THk (where k = 2 or an integer equal to or greater than 2), and one or more life determination thresholds LHm. A lifetime determination threshold setting register 73 as lifetime determination threshold setting means for setting (where m = 1 or an integer equal to or greater than 1). A calculation unit 74 is connected to the output side of the A / D conversion unit 71, temperature threshold setting register 72, and life determination threshold setting register 73. The arithmetic unit 74 is connected to a program memory 75 such as a read-only memory (ROM) that stores a life determination program and a data memory 76 such as a memory (RAM) that can be read and written as needed to store a working data. Yes.

演算部７４は、プログラムメモリ７５に格納された寿命判定プログラムに従い、入力される温度検出結果ＤＴ、温度閾値ＴＨｋ、及び寿命判定閾値ＬＨｍを演算して、寿命アラームＬＡを出力するものであり、第１比較手段としてのコンパレータ７４ａ、計数手段としてのカウンタ７４ｂ、及び第２比較手段としてのコンパレータ７４ｃ等を有している。コンパレータ７４ａの出力側には、カウンタ７４ｂが接続され、更に、このカウンタ７４ｂの出力側と、寿命判定閾値レジスタ７３の出力側とに、コンパレータ７４ｃが接続されている。 The calculation unit 74 calculates the input temperature detection result DT, temperature threshold value THk, and life determination threshold value LHm according to the life determination program stored in the program memory 75, and outputs a life alarm LA. It has a comparator 74a as one comparison means, a counter 74b as counting means, a comparator 74c as second comparison means, and the like. A counter 74b is connected to the output side of the comparator 74a, and a comparator 74c is connected to the output side of the counter 74b and the output side of the life determination threshold value register 73.

コンパレータ７４ａは、パワー素子部４０の運転に伴って上昇するこのパワー素子部４０の内部温度に対する温度検出結果ＤＴ（以下、これを「第１の温度検出結果ＤＴ１」という。）と、温度閾値ＴＨｋと、を比較し、（第１の温度検出結果ＤＴ１≧温度閾値ＴＨｋ）になり、且つ、パワー素子部４０の停止に伴って下降するこのパワー素子部４０の内部温度に対する温度検出結果ＤＴ（以下、これを「第２の温度検出結果ＤＴ２」という。）と、温度閾値ＴＨｋと、を比較し、（第２の温度検出結果ＤＴ２≦温度閾値ＴＨｋ）になると、比較結果としての比較パルスＣＲをカウンタ７４ｂへ出力する機能を有している。 The comparator 74a includes a temperature detection result DT (hereinafter referred to as “first temperature detection result DT1”) with respect to the internal temperature of the power element unit 40 that increases with the operation of the power element unit 40, and a temperature threshold value THk. And the temperature detection result DT (hereinafter referred to as “first temperature detection result DT1 ≧ temperature threshold THk”) with respect to the internal temperature of the power element unit 40 that decreases as the power element unit 40 stops. This is referred to as “second temperature detection result DT2”) and the temperature threshold value THk. When (second temperature detection result DT2 ≦ temperature threshold value THk) is satisfied, a comparison pulse CR as a comparison result is obtained. It has a function of outputting to the counter 74b.

カウンタ７４ｂは、比較パルスＣＲをカウントして計数結果であるカウント結果としてのカウント値Ｃをコンパレータ７４ｃへ出力する機能を有している。コンパレータ７４ｃは、カウント値Ｃと寿命判定閾値ＬＨｍとを比較して、（カウント値Ｃ≧寿命判定閾値ＬＨｍ）になると、寿命アラームＬＡを出力する機能を有している。 The counter 74b has a function of counting the comparison pulse CR and outputting a count value C as a count result, which is a count result, to the comparator 74c. The comparator 74c has a function of comparing the count value C with the life determination threshold value LHm and outputting a life alarm LA when (count value C ≧ life determination threshold value LHm) is satisfied.

（実施例１のパワーモジュールの電力変換動作）
図１のパワーモジュール３０において、電源が投入されて運転が開始されると、駆動信号生成部６０内の演算回路６１は、外部から入力される出力電圧指令値ＶＩｉと、図示しない発振回路等で生成された基準三角波ＣＰと、を比較演算してＰＷＭ信号ＰＳを生成し、パルス分配回路６２へ与える。すると、パルス分配回路６２は、入力されたＰＷＭ信号ＰＳを３相各アーム分に分配して６つのＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６を出力し、パワー素子部４０内の各駆動回路４３−１〜４３−６へ与える。 (Power conversion operation of the power module of Example 1)
In the power module 30 of FIG. 1, when the power is turned on and the operation is started, the arithmetic circuit 61 in the drive signal generation unit 60 includes an output voltage command value VIi input from the outside, an oscillation circuit (not shown), and the like. The generated reference triangular wave CP is compared and generated to generate a PWM signal PS, which is supplied to the pulse distribution circuit 62. Then, the pulse distribution circuit 62 distributes the input PWM signal PS to each of the three-phase arms and outputs six PWM signals S1 to S6, and the drive circuits 43-1 to 43- in the power element section 40. Give to 6.

各駆動回路４３−１〜４３−６は、入力された各ＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６をそれぞれ駆動して駆動パルスを生成し、これらの駆動パルスにより各パワー素子４１−１〜４１−６をスイッチングする。上アームのパワー素子４１−１，４１−３，４１−５と、下アームのパワー素子４１−２，４１−４，４１−６と、は交互にスイッチングされ、ＤＣ電力Ｐｉが、出力電圧指令値ＶＩｉに追従した電圧を有する３相のＡＣ電力Ｐｏに変換されて、３つの接続点Ｎ１〜Ｎ３からそのＡＣ電力Ｐｏが出力され、負荷へ供給される。パワー素子４１−１〜４１−６がオフした際には、負荷電流を還流ダイオード４２−１〜４２−６側へ還流させて、パワー素子４１−１〜４１−６を保護する。 The drive circuits 43-1 to 43-6 drive the input PWM signals S1 to S6, respectively, to generate drive pulses, and switch the power elements 41-1 to 41-6 with these drive pulses. . The upper arm power elements 41-1, 41-3, and 41-5 and the lower arm power elements 41-2, 41-4, and 41-6 are alternately switched, and DC power Pi is output voltage command. The AC power Po is converted into three-phase AC power Po having a voltage following the value VIi, and the AC power Po is output from the three connection points N1 to N3 and supplied to the load. When the power elements 41-1 to 41-6 are turned off, the load current is returned to the reflux diodes 42-1 to 42-6 side to protect the power elements 41-1 to 41-6.

（実施例１の発熱素子寿命推定装置の動作）
図３は、図１のパワー素子部４０における寿命特性を示す図である。 (Operation of Heating Element Life Estimation Device of Example 1)
FIG. 3 is a diagram showing a life characteristic in the power element unit 40 of FIG.

図３の横軸は、パワー素子部４０における温度変化の回数であり、縦軸は、パワー素子部４０の寿命である。図３中のＬＨｍ（例えば、ＬＨ１＝９５００）は、寿命判定閾値である。 The horizontal axis in FIG. 3 is the number of temperature changes in the power element unit 40, and the vertical axis is the life of the power element unit 40. LHm (for example, LH1 = 9500) in FIG. 3 is a lifetime determination threshold value.

パワー素子部４０は、運転時において、スイッチング動作をしているので、パワー素子部４０の内部温度が上昇し、運転停止時において、スイッチング動作が停止するので、パワー素子部４０の内部温度が下降していく。パワー素子部４０の寿命は、パワー素子部４０における内部温度の上昇及び下降の温度変化の回数（例えば、最大１００００回）で規定でき、温度変化の回数が少ない場合には、パワー素子部４０の寿命が長く、温度変化の回数が多くなるに従ってその寿命が短くなっていく。そのため、パワー素子部４０の内部温度における温度変化の回数をカウントすれば、寿命を予測できる。 Since the power element unit 40 performs a switching operation during operation, the internal temperature of the power element unit 40 increases, and when the operation is stopped, the switching operation stops, so that the internal temperature of the power element unit 40 decreases. I will do it. The life of the power element unit 40 can be defined by the number of temperature changes (for example, a maximum of 10,000 times) of the rise and fall of the internal temperature in the power element unit 40, and when the number of temperature changes is small, The lifetime is long, and the lifetime decreases as the number of temperature changes increases. Therefore, if the number of temperature changes at the internal temperature of the power element unit 40 is counted, the lifetime can be predicted.

図４は、図１のパワー素子部４０における内部温度の変化特性を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a change characteristic of the internal temperature in the power element unit 40 of FIG.

図４の横軸は、経過時間であり、縦軸は、パワー素子部４０の内部温度（°Ｃ）である。図４中のＴＨ１は、温度閾値（例えば、５０°Ｃ）、ＴＨ２は、温度閾値（例えば、１００°Ｃ）である。 The horizontal axis in FIG. 4 is the elapsed time, and the vertical axis is the internal temperature (° C.) of the power element unit 40. In FIG. 4, TH1 is a temperature threshold (for example, 50 ° C.), and TH2 is a temperature threshold (for example, 100 ° C.).

パワー素子４１−１〜４１−６が許容できるジャンクション温度の限界値は、例えば、１５０°Ｃである。そのため、パワーモジュール３０の最大負荷条件においても、ジャンクション温度が１５０°Ｃ以下となるようにパワーモジュール３０の定格が選定され、更に、パワーモジュール３０の負荷運転条件が設計されている。パワー素子部４０の内部温度は、運転時において、第１の温度検出結果ＤＴ１の上昇線の矢印で示すように、室温（例えば、２５°Ｃ）から上昇していき（最大が１５０°Ｃ以下）、停止時において、第２の温度検出結果ＤＴ２の下降線の矢印で示すように、下降していく。 The limit value of the junction temperature that can be allowed by the power elements 41-1 to 41-6 is, for example, 150 ° C. Therefore, even under the maximum load condition of the power module 30, the rating of the power module 30 is selected so that the junction temperature is 150 ° C. or lower, and further, the load operation condition of the power module 30 is designed. During operation, the internal temperature of the power element unit 40 increases from room temperature (for example, 25 ° C) as indicated by the rising line arrow of the first temperature detection result DT1 (maximum is 150 ° C or less). ) At the time of stoppage, as shown by the arrow of the descending line of the second temperature detection result DT2, it descends.

図５は、図１中の発熱素子寿命推定装置の動作を示すフローチャートである。
図５において、プログラムメモリ７５に格納された寿命判定プログラムに従い、寿命判定部７０の寿命推定動作が開始されると、ステップＳＴ１へ進む。ステップＳＴ１において、温度センサ４４により、運転時におけるパワー素子部４０の内部温度が検出され、この温度センサ４４から、アナログの温度検出信号ＡＴが出力される。アナログの温度検出信号ＡＴは、Ａ／Ｄ変換部７１により、デジタル信号の第１の温度検出結果ＤＴ１に変換されて、コンパレータ７４ａへ送られる。コンパレータ７４ａでは、図４中の矢印方向に上昇する第１の温度検出結果ＤＴ１と、温度閾値設定レジスタ７２で設定された温度閾値ＴＨｋ（例えば、温度閾値ＴＨ１；５０°Ｃ）と、を比較する。
第１の温度検出結果ＤＴ１＜温度閾値ＴＨ１
の場合は、前記比較処理を繰り返す。コンパレータ７４ａは、
第１の温度検出結果ＤＴ１≧温度閾値ＴＨ１
になると、次に、第１の温度検出結果ＤＴ１と、温度閾値ＴＨｋ（例えば、温度閾値ＴＨ２；１００°Ｃ）と、を比較する。
第１の温度検出結果ＤＴ１＜温度閾値ＴＨ２
の場合は（ＮＯ）、前記比較処理を繰り返す。コンパレータ７４ａは、
第１の温度検出結果ＤＴ１≧温度閾値ＴＨ２
になると（ＹＥＳ）、ステップＳＴ２へ進む。 FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the heating element lifetime estimation apparatus in FIG.
In FIG. 5, when the life estimation operation of the life determination unit 70 is started in accordance with the life determination program stored in the program memory 75, the process proceeds to step ST1. In step ST <b> 1, the temperature sensor 44 detects the internal temperature of the power element unit 40 during operation, and the temperature sensor 44 outputs an analog temperature detection signal AT. The analog temperature detection signal AT is converted into the first temperature detection result DT1 of the digital signal by the A / D conversion unit 71 and sent to the comparator 74a. The comparator 74a compares the first temperature detection result DT1 that rises in the direction of the arrow in FIG. 4 with the temperature threshold value THk set by the temperature threshold setting register 72 (for example, temperature threshold value TH1; 50 ° C.). .
First temperature detection result DT1 <temperature threshold TH1
In this case, the comparison process is repeated. The comparator 74a
First temperature detection result DT1 ≧ temperature threshold TH1
Then, the first temperature detection result DT1 is compared with a temperature threshold value THk (for example, a temperature threshold value TH2; 100 ° C.).
First temperature detection result DT1 <temperature threshold TH2
In the case of (NO), the comparison process is repeated. The comparator 74a
First temperature detection result DT1 ≧ temperature threshold TH2
(YES), the process proceeds to step ST2.

ステップＳＴ２において、コンパレータ７４ａは、図４中の矢印方向に下降する第２の温度検出結果ＤＴ２と、温度閾値設定レジスタ７２で設定された温度閾値ＴＨｋ（例えば、温度閾値ＴＨ２；１００°Ｃ）と、を比較する。
第２の温度検出結果ＤＴ２＞温度閾値ＴＨ２
の場合は、前記比較処理を繰り返す。コンパレータ７４ａは、
第２の温度検出結果ＤＴ２≦温度閾値ＴＨ２
になると、次に、第２の温度検出結果ＤＴ２と、温度閾値ＴＨｋ（例えば、温度閾値ＴＨ１；５０°Ｃ）と、を比較する。
第２の温度検出結果ＤＴ２＞温度閾値ＴＨ１
の場合は（ＮＯ）、前記比較処理を繰り返す。コンパレータ７４ａは、
第２の温度検出結果ＤＴ２≦温度閾値ＴＨ１
になると（ＹＥＳ）、１サイクルの比較パルスＣＲをカウンタ７４ｂへ出力し、ステップＳＴ３へ進む。ここで、１サイクルとは、第１、第２の温度検出結果ＤＴ１，ＤＴ２が、温度閾値ＴＨ１と温度閾値ＴＨ２を２回超えた時のサイクルである。 In step ST <b> 2, the comparator 74 a calculates the second temperature detection result DT <b> 2 descending in the direction of the arrow in FIG. 4, the temperature threshold THk set in the temperature threshold setting register 72 (e.g., temperature threshold TH2; 100 ° C.) , Compare.
Second temperature detection result DT2> temperature threshold TH2
In this case, the comparison process is repeated. The comparator 74a
Second temperature detection result DT2 ≦ temperature threshold TH2
Then, the second temperature detection result DT2 is compared with a temperature threshold value THk (for example, temperature threshold value TH1; 50 ° C.).
Second temperature detection result DT2> temperature threshold TH1
In the case of (NO), the comparison process is repeated. The comparator 74a
Second temperature detection result DT2 ≦ temperature threshold TH1
(YES), one cycle of the comparison pulse CR is output to the counter 74b, and the process proceeds to step ST3. Here, one cycle is a cycle when the first and second temperature detection results DT1 and DT2 exceed the temperature threshold value TH1 and the temperature threshold value TH2 twice.

ステップＳＴ３において、カウンタ７４ｂは、１サイクルの比較パルスＣＲを入力すると、カウント値Ｃを＋１加算し、ステップＳＴ４へ進む。 In step ST3, when the counter 74b receives one cycle of the comparison pulse CR, the counter 74b adds +1 to the count value C and proceeds to step ST4.

ステップＳＴ４において、コンパレータ７４ｃは、カウント値Ｃのカウント値合計ΣＣと、寿命判定閾値設定レジスタ７３で設定された寿命判定閾値ＬＨｍ（例えば、寿命判定閾値ＬＨ１；９５００）と、を比較し、
カウント値合計ΣＣ＜寿命判定閾値ＬＨ１
の場合には（ＮＯ）、ステップＳＴ１へ戻り、
カウント値合計ΣＣ≧寿命判定閾値ＬＨ１
の場合には（ＹＥＳ）、ステップＳＴ５へ進む。 In step ST4, the comparator 74c compares the count value total ΣC of the count value C with the life determination threshold value LHm (for example, the life determination threshold value LH1; 9500) set in the life determination threshold value setting register 73,
Count value total ΣC <lifetime determination threshold LH1
In the case of (NO), return to step ST1,
Total count value ΣC ≧ lifetime determination threshold LH1
In the case of (YES), the process proceeds to step ST5.

ステップＳＴ５において、コンパレータ７４ｃは、寿命アラームＬＡを外部へ出力し、寿命推定動作を終了する。 In step ST5, the comparator 74c outputs a life alarm LA to the outside, and ends the life estimation operation.

（実施例１の効果）
本実施例１の発熱素子寿命推定装置及びこれを備えたパワーモジュール３０によれば、パワー素子部４０の内部温度を温度センサ４４で検出し、その内部温度の温度変化を演算部７４でカウントし、このカウント値合計ΣＣが、予め設定した寿命判定閾値ＬＨ１（＝９５００）の回数となった時に、寿命アラームＬＡを出力する構成になっている。これにより、パワー素子部４０が故障する前に警報アラームＬＡが出るため、パワーモジュール３０が壊れる前に、事前交換等の対応ができる。 (Effect of Example 1)
According to the heating element lifetime estimating apparatus of the first embodiment and the power module 30 including the same, the internal temperature of the power element unit 40 is detected by the temperature sensor 44, and the temperature change of the internal temperature is counted by the calculation unit 74. When the total count value ΣC reaches the preset number of times of the lifetime determination threshold LH1 (= 9500), the lifetime alarm LA is output. Thereby, since the alarm alarm LA is issued before the power element unit 40 breaks down, it is possible to take measures such as prior replacement before the power module 30 is broken.

（変形例）
本発明は、上記実施例１に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｆ）のようなものがある。 (Modification)
The present invention is not limited to the first embodiment, and various usage forms and modifications are possible. For example, the following forms (a) to (f) are used as the usage form and the modified examples.

（ａ）実施例１では、温度閾値ＴＨｋとして２つの温度閾値ＴＨ１，ＴＨ２（例えば、ＴＨ１＝５０°Ｃ、ＴＨ２＝１００°Ｃ）を用いて、パワー素子部４０における内部温度の温度変化をカウントしているが、３つ以上の温度閾値ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３，・・・を用いて、温度変化をカウントすれば、サイクル毎の温度変化の大きさが異なる場合等にも対応でき、寿命判定を的確に行うことができる。例えば、図４の括弧書きで示すように、３つの温度閾値ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３（ＴＨ１＝５０°Ｃ、ＴＨ２＝１００°Ｃ、ＴＨ３＝７５°Ｃ）を用いて、温度変化をカウントする場合を説明する。図４において、実線で示す１サイクル目の温度変化の大きさと、一点鎖線で示す２サイクル目の温度変化の大きさと、が異なる場合、２サイクル目の温度変化の最大値（例えば、９０°Ｃ）が、温度閾値ＴＨ２（＝１００°Ｃ）よりも小さいため、実施例１では、一点鎖線で示す２サイクル目の温度変化をカウントできない。これに対して、温度閾値ＴＨ３（＝７５°Ｃ）を設けておけば、一点鎖線で示す２サイクル目の温度変化をカウントでき、寿命判定を的確に行うことができる。 (A) In the first embodiment, two temperature thresholds TH1 and TH2 (for example, TH1 = 50 ° C., TH2 = 100 ° C.) are used as the temperature threshold THk, and the temperature change of the internal temperature in the power element unit 40 is counted. However, if three or more temperature thresholds TH1, TH2, TH3,... Are used to count the temperature change, it is possible to cope with the case where the temperature change magnitude varies from cycle to cycle, etc. Can be performed accurately. For example, as shown in parentheses in FIG. 4, when temperature changes are counted using three temperature thresholds TH1, TH2, TH3 (TH1 = 50 ° C., TH2 = 100 ° C., TH3 = 75 ° C.). Will be explained. In FIG. 4, when the magnitude of the temperature change in the first cycle indicated by the solid line is different from the magnitude of the temperature change in the second cycle indicated by the alternate long and short dash line, the maximum value of the temperature change in the second cycle (for example, 90 ° C.) ) Is smaller than the temperature threshold value TH2 (= 100 ° C.), the temperature change in the second cycle indicated by the alternate long and short dash line cannot be counted in the first embodiment. On the other hand, if the temperature threshold value TH3 (= 75 ° C.) is provided, the temperature change in the second cycle indicated by the alternate long and short dash line can be counted, and the life determination can be accurately performed.

（ｂ）実施例１では、寿命判定閾値ＬＨｍとして１つの寿命判定閾値ＴＨ１（＝９５００）を用いて、寿命アラームＬＡを出力しているが、２つ以上の寿命判定閾値ＬＨ１，ＬＨ２，・・・を用いて、寿命アラームＬＡ及び補助アラームを出力すれば、パワー素子部４０における劣化状態の把握等が可能になる。例えば、図３の括弧書きで示すように、２つの寿命判定閾値ＬＨ１，ＬＨ２（ＬＨ１＝９５００、ＬＨ２＝６０００）を用いて、カウント値合計ΣＣが寿命判定閾値ＬＨ２を超えた時に、コンパレータ７４ｃから補助アラームを出力し、カウント値合計ΣＣが寿命判定閾値ＬＨ１を超えた時に、コンパレータ７４ｃから寿命アラームＬＡを出力する。このようにすれば、その補助アラームから、パワー素子部４０における劣化状態の把握等が可能になる。 (B) In the first embodiment, the life alarm LA is output using one life determination threshold TH1 (= 9500) as the life determination threshold LHm, but two or more life determination thresholds LH1, LH2,. If the life alarm LA and the auxiliary alarm are output by using-, it is possible to grasp the deterioration state of the power element unit 40. For example, as shown in parentheses in FIG. 3, when the total count value ΣC exceeds the life determination threshold value LH2 using the two life determination threshold values LH1 and LH2 (LH1 = 9500, LH2 = 6000), the comparator 74c An auxiliary alarm is output, and when the total count value ΣC exceeds the life determination threshold value LH1, a life alarm LA is output from the comparator 74c. In this way, it is possible to grasp the deterioration state of the power element unit 40 from the auxiliary alarm.

（ｃ）実施例１では、１つの温度センサ４４を用いて、パワー素子部４０の内部温度を検出しているが、複数の温度センサを用いて、パワー素子部４０における複数箇所の内部温度を検出しても良い。複数箇所で検出された内部温度は、それらの平均温度等を使用することにより、パワー素子部４０における内部温度の温度変化をより的確にカウントできる。 (C) In the first embodiment, the internal temperature of the power element unit 40 is detected using one temperature sensor 44, but the internal temperatures at a plurality of locations in the power element unit 40 are detected using a plurality of temperature sensors. It may be detected. As for the internal temperatures detected at a plurality of locations, the temperature change of the internal temperature in the power element unit 40 can be counted more accurately by using the average temperature thereof.

（ｄ）パワー素子部４０と、これを駆動する駆動信号生成部６０とは、図示以外の種々の構成に変更できる。 (D) The power element unit 40 and the drive signal generation unit 60 for driving the power element unit 40 can be changed to various configurations other than those illustrated.

（ｅ）寿命判定部７０は、図示以外の構成に変更できる。例えば、温度閾値設定レジスタ７２や寿命判定閾値設定レジスタ７３は、メモリ等の他の設定手段で構成しても良い。コンパレータ７４ａ，７４ｃは、算術論理ユニット（ＡＬＵ）等の他の比較手段で構成しても良い。又、カウンタ７４ｂは、アキュムレータ（累算器）等の他の計数手段で構成しても良い。 (E) The life determination unit 70 can be changed to a configuration other than that illustrated. For example, the temperature threshold setting register 72 and the life determination threshold setting register 73 may be configured by other setting means such as a memory. The comparators 74a and 74c may be constituted by other comparison means such as an arithmetic logic unit (ALU). The counter 74b may be constituted by other counting means such as an accumulator (accumulator).

（ｆ）実施例１では、モジュールとしてパワーモジュール３０を例にして説明したが、本発明は、パワーモジュールに限定されない。本発明は、動作中に発熱する発熱素子を有する発熱素子部を備え、その発熱素子を駆動して発熱素子部の運転と停止を制御する種々のモジュールに適用できる。 (F) In the first embodiment, the power module 30 is described as an example of the module. However, the present invention is not limited to the power module. The present invention can be applied to various modules that include a heating element portion having a heating element that generates heat during operation, and that controls the operation and stop of the heating element portion by driving the heating element.

３０パワーモジュール
４０パワー素子部
４１−１〜４１−６パワー素子
４４温度センサ
５０制御部
６０駆動信号生成部
７０寿命判定部
７２温度閾値設定レジスタ
７３寿命判定閾値設定レジスタ
７４演算部
７４ａ，７４ｃコンパレータ
７４ｂカウンタ
７５プログラムメモリ DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Power module 40 Power element part 41-1 to 41-6 Power element 44 Temperature sensor 50 Control part 60 Drive signal generation part 70 Life judgment part 72 Temperature threshold setting register 73 Life judgment threshold setting register 74 Operation part 74a, 74c Comparator 74b Counter 75 Program memory

Claims

動作中に発熱する発熱素子を有する発熱素子部の内部温度を検出して温度検出結果を出力する１つ又は複数の温度検出手段と、
温度の異なる複数の温度閾値を設定する温度閾値設定手段と、
１つ又は複数の寿命判定閾値を設定する寿命判定閾値設定手段と、
前記発熱素子部の動作に伴って上昇する前記内部温度の第１の前記温度検出結果と前記温度閾値とを比較して前記第１の温度検出結果が前記温度閾値以上になり、且つ、前記発熱素子部の停止に伴って下降する前記内部温度の第２の前記温度検出結果と前記温度閾値とを比較して前記第２の温度検出結果が前記温度閾値以下になると、比較結果を出力する第１比較手段と、
前記比較結果を計数して計数結果を出力する計数手段と、
前記計数結果と前記寿命判定閾値とを比較して前記計数結果が前記寿命判定閾値以上になると、寿命警報を出力する第２比較手段と、
を備えることを特徴とする発熱素子寿命推定装置。 One or a plurality of temperature detection means for detecting the internal temperature of the heating element portion having a heating element that generates heat during operation and outputting a temperature detection result;
Temperature threshold setting means for setting a plurality of temperature thresholds having different temperatures;
Life determination threshold setting means for setting one or more life determination thresholds;
The first temperature detection result of the internal temperature that rises with the operation of the heat generating element portion is compared with the temperature threshold value, and the first temperature detection result is equal to or higher than the temperature threshold value, and the heat generation The second temperature detection result of the internal temperature that falls with the stop of the element unit is compared with the temperature threshold value, and when the second temperature detection result becomes equal to or lower than the temperature threshold value, a comparison result is output. 1 comparison means;
Counting means for counting the comparison results and outputting the counting results;
A second comparing means for outputting a life warning when the counting result is equal to or greater than the life judging threshold by comparing the counting result with the life judging threshold;
A heating element lifetime estimation apparatus comprising:

請求項１記載の発熱素子寿命推定装置と、
前記発熱素子を有する前記発熱素子部と、を備え、
前記発熱素子を駆動して前記発熱素子部の運転と停止を制御することを特徴とするモジュール。 The heating element lifetime estimation device according to claim 1;
The heating element portion having the heating element,
A module, wherein the heating element is driven to control operation and stop of the heating element unit.

前記発熱素子は、電力を変換するパワー素子であり、
前記発熱素子部は、前記パワー素子を有するパワー素子部であり、
前記モジュールは、前記パワー素子をスイッチングして前記パワー素子部の運転と停止を制御するパワーモジュールである、
ことを特徴とする請求項２記載のモジュール。 The heating element is a power element that converts electric power,
The heating element portion is a power element portion having the power element,
The module is a power module that controls the operation and stop of the power element unit by switching the power element.
The module according to claim 2.

前記第１比較手段及び前記第２比較手段は、それぞれコンパレータにより構成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のモジュール。 4. The module according to claim 2, wherein each of the first comparison unit and the second comparison unit includes a comparator.

前記計数手段は、カウンタにより構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載のモジュール。 The module according to any one of claims 2 to 4, wherein the counting means includes a counter.

前記温度検出手段は、
前記発熱素子部の前記内部温度を検出してアナログの温度検出信号を出力する温度センサと、
前記温度検出信号をデジタル信号からなる前記温度検出結果に変換するアナログ／デジタル変換器と、
を有することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載のモジュール。 The temperature detecting means includes
A temperature sensor that detects the internal temperature of the heating element unit and outputs an analog temperature detection signal;
An analog / digital converter for converting the temperature detection signal into the temperature detection result comprising a digital signal;
The module according to claim 2, wherein

前記温度閾値設定手段は、前記温度閾値を格納する温度閾値設定レジスタにより構成されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項記載のモジュール。 The module according to claim 2, wherein the temperature threshold setting unit includes a temperature threshold setting register that stores the temperature threshold.

前記寿命判定閾値設定手段は、前記寿命判定閾値を格納する寿命判定閾値設定レジスタにより構成されていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項記載のモジュール。 The module according to any one of claims 2 to 7, wherein the life determination threshold value setting means includes a life determination threshold value setting register that stores the life determination threshold value.

前記発熱素子は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴを含むパワー半導体素子であることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項記載のモジュール。 The module according to claim 2, wherein the heat generating element is a power semiconductor element including an IGBT and a MOSFET.