JP3769220B2

JP3769220B2 - Power module repeated durability test method and test apparatus

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Publication number: JP3769220B2
Application number: JP2001331080A
Authority: JP
Inventors: 俊彦冨士井
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: JP2003130920A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールの耐久性能を試験する繰返し耐久試験装置および試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールの耐久性能を試験する装置として、定電流定電圧の電源を備え、電源からパワーモジュールに通電可能な回路を構成し、試験すべきパワーモジュールのゲートに予め定められた時間ＯＮ信号を入力することによって、パワーモジュールに一定電流を前記予め定められた時間だけ通電してパワーモジュールの温度を上昇させ、その後パワーモジュールのゲートに予め定められた時間ＯＦＦ信号を入力することによって、パワーモジュールへの通電を遮断して温度を下降させるものがある。この従来の試験装置は、前述したようなパワーモジュールの温度上昇と下降とを１サイクルとして指定サイクル数を繰返し、パワーモジュールの素子および接合部の局所発熱に基づく熱応力に対する耐久性能の評価を行うものである。
【０００３】
しかしながらパワーモジュールの素子および接合部などの電気的特性たとえば全抵抗値などは試験サイクル数の増加とともに経時変化する。このことによってパワーモジュールのゲートに入力されるＯＮ信号の時間が予め定められた時間に固定されたままであると、パワーモジュールの昇温する温度が試験サイクル数の増加に伴って変化するので、パワーモジュールの耐久性能評価を精度良く得ることができないという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するべく改善された技術として、パワーモジュールのゲートにＯＮ信号が入力されている状態でパワーモジュールの出力電圧を検出し、このパワーモジュールの出力電圧が高い場合にはＯＮ信号を入力する時間を短縮し、出力電圧が低い場合にはＯＮ信号を入力する時間を延長し、各試験サイクルにおけるパワーモジュールの上昇温度が均一になるように制御する試験装置が案出されており、またパワーモジュールに温度センサの設けられているものでは、温度センサの検出出力に応答し、パワーモジュールのゲートに入力するＯＮ／ＯＦＦ信号の動作制御を行い、各試験サイクルにおけるパワーモジュールの上昇温度が均一になるように制御する試験装置が案出されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のような改善された試験装置においてもなお次のような問題がある。従来のパワーモジュールの耐久試験装置では、複数のパワーモジュールの耐久性能を同時に試験することができるけれども、同一仕様の複数のパワーモジュールを同一条件の下において評価することを目的としているので、同一仕様の複数のパワーモジュールを個々に異なる条件で同時に耐久性能を試験し、または仕様がそれぞれ異なる複数のパワーモジュールをそれぞれ異なる条件で同時に耐久性能を試験することができないという問題がある。
【０００６】
また、パワーモジュールの耐久性能の評価試験を行うに際して用いられる前述した指定サイクル数には、たとえば１×１０⁶サイクルといった長いサイクル数が選択される。このようにパワーモジュールの耐久性能試験には、長いサイクル数が用いられるので、１サイクルあたりの時間を短くし、トータルの試験時間をできる限り短縮することが要求されている。
【０００７】
したがって一般的に加速試験が多用されており、できる限り加速するために発熱体であるパワーモジュールの素子を最大限に発熱させる方法が採られている。しかしながら、パワーモジュールを発熱させて昇温させる温度にも限界があり、パワーモジュールの素子ジャンクション温度以下でなければならない。何故ならば、パワーモジュールが不所望に高い温度に曝されて素子ジャンクションが損壊すると、耐久試験を継続することが不可能となるので、パワーモジュールが実際に使用されるであろう温度範囲内における耐久性能を評価したことにならないからである。
【０００８】
実用のパワーモジュールには、温度センサを伴わないものも多数ある。温度センサを伴わないパワーモジュールの耐久性能を試験する場合、別途熱電対を設けなければならないけれども、パワーモジュールの素子上に熱電対を別途設けることは難しいので、熱電対はパワーモジュールの素子の付近に配置される。パワーモジュールの構造および素子と熱電対との熱応力に対する劣化特性の相違によって、試験サイクルの進捗に伴い熱電対が検出する温度とパワーモジュールの素子温度との間に誤差が生じる。したがって、熱電対の検出出力に応答してパワーモジュールの耐久試験温度を制御していたのでは、パワーモジュールの素子ジャンクションに最大限の熱負荷を与えることができないので、パワーモジュールの耐久性能を精度良く評価することができないばかりでなく、最大限の加速を与えることができず試験所要時間の長期化を招くという問題がある。
【０００９】
このようなことから、別途熱電対を設けて温度を検出することなく、パワーモジュールのゲートがＯＮである時間によってパワーモジュールの素子温度を制御する方法の採られている装置もある。しかしながら、この方法においても試験サイクル数の進捗すなわち経時とともに一定時間におけるパワーモジュールの温度上昇特性が変化するので、パワーモジュールの素子に対する熱負荷の正確さに欠けるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、温度センサを伴わないパワーモジュールにおいても別途温度検出手段を設けることなく、精度よくパワーモジュールの試験温度を制御して耐久性能を精度良く評価することができ、また複数のパワーモジュールを異なる条件によって同時に試験することができるパワーモジュールの繰返し耐久試験装置および試験方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、並列に接続された複数のパワーモジュールを耐久試験する繰返し耐久試験装置において、
前記パワーモジュールに電力を供給する第１安定化電源と、
第１安定化電源に接続され第１安定化電源からパワーモジュールに供給される電力を可変に設定する電子負荷と、
パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを測定するためにパワーモジュールに電力を供給する第２安定化電源と、
第１安定化電源からパワーモジュールに対する電力の供給と、第２安定化電源からパワーモジュールに対する電力の供給とのいずれか一方に切換える切換手段と、
切換手段によって第２安定化電源から電力が供給されている状態でパワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを検出する電圧検出手段と、
パワーモジュールのゲートに電圧を印加する第３安定化電源と、
パワーモジュール毎に設けられ、パワーモジュールに対する通電を導通／遮断する開閉器と、
前記電圧検出手段の検出出力に応答し、第１安定化電源からパワーモジュールに電力が供給される通電時間を制御する制御手段とを含むことを特徴とするパワーモジュールの繰返し耐久試験装置である。
【００１２】
本発明に従えば、パワーモジュールに対する電力の供給は、第１または第２安定化電源からのいずれか一方に切換手段によって切換えられ、第２安定化電源から電力供給されている状態ではパワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを検出し、順方向立上がり電圧ＶＦの検出出力に応答して、第１安定化電源からパワーモジュールに電力が供給される通電時間が制御される。ここでパワーモジュールは、パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦに対する固有の温度勾配特性を有する。したがって、順方向立上がり電圧ＶＦからパワーモジュールの温度を求めることができる。順方向立上がり電圧ＶＦを検出する電圧検出手段の検出出力すなわちパワーモジュールの温度に応答して、制御手段はパワーモジュールに電力が供給される通電時間を制御するので、温度センサを伴わないパワーモジュールにおいても、パワーモジュールの温度検出手段を別途設けることなく精度よくパワーモジュールの試験温度を制御して耐久性能を精度良く評価することができる。
【００１３】
また本発明は、前記制御手段は、
第１安定化電源からパワーモジュールに電力が供給される通電時間と、
電子負荷によって設定される第１安定化電源からパワーモジュールに供給される電力とを、
耐久試験するべき各パワーモジュール毎に制御できるように構成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、制御手段は、各パワーモジュール毎に繰返し耐久試験条件を制御することができる。このことによって、仕様が同一の複数のパワーモジュールをそれぞれ異なる条件で同一の機会に繰返し耐久試験することができる。また仕様の異なる複数のパワーモジュールを、個々のパワーモジュールに適したそれぞれ異なる試験条件によって同一の機会に繰返し耐久試験することができる。
【００１５】
また本発明は、前記制御手段にはメモリが備えられ、
各パワーモジュール毎に通電された前記通電時間と前記電子負荷による設定値との実績が前記メモリにストアされることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、各パワーモジュールにおいて実施された繰返し耐久試験条件の実績をメモリにストアすることができる。このことによって、メモリから読出された試験条件の実績を用いて、たとえば外挿法によって次回にパワーモジュールに印加される通電時間を予測することが可能になる。また同一仕様のパワーモジュールについての試験条件および試験結果を読出し比較することによって、試験結果の異常等を容易に検知することが可能になる。
【００１７】
また本発明は、前記第１安定化電源からパワーモジュールに対して電力を供給する回路には電流を検出する電流検出手段が設けられ、
前記制御手段は、
各パワーモジュール毎に設けられる前記開閉器が遮断され第１安定化電源または電子負荷の電流が出力されている状態で、
電流検出手段の検出出力に応答し、電子負荷の出力をＯＦＦもしくは電子負荷の設定電流を零アンペアまたは第１安定化電源の出力電流を零アンペアになるように制御することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、各パワーモジュール毎に設けられる開閉器がいずれも遮断されて耐久試験を実施する状態にないとき、制御手段は、電子負荷の出力をＯＦＦもしくは電子負荷の設定電流を零アンペアまたは第１安定化電源の出力電流を零アンペアになるように制御する。このことによって、無駄な電力消費を抑制することができる。
【００１９】
また本発明は、前記制御手段は、
耐久試験すべきパワーモジュールに設けられる前記開閉器が導通され第１安定化電源または電子負荷の電流が出力されていない状態で、
電流検出手段の検出出力に応答し、前記耐久試験すべきパワーモジュールのゲート駆動シーケンスをスキップするように制御することを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、耐久試験するべきパワーモジュールが装置にセットされていないとき、または装置にセットされているパワーモジュールが耐久試験の結果損壊して通電不能の状態であるとき、試験サイクルを実施することなく次の耐久試験するべきパワーモジュールに移行することができる。このことによって、損壊または通電異常等の発生したパワーモジュールに試験サイクルの通電を行うことがないフェイルセイフが可能になる。
【００２１】
また本発明は、前記パワーモジュールには、各パワーモジュール毎に温度検出手段が設けられ、パワーモジュールの温度が予め定める限界温度Ｔｃｒ以上である状態で、
前記制御手段は、
温度検出手段の出力に応答し、電子負荷の出力をＯＦＦもしくは電子負荷の設定電流を零アンペアまたは第１安定化電源の出力電流を零アンペアになるように制御することを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、パワーモジュールの予め定められる限界温度Ｔｃｒを、たとえばパワーモジュールの素子ジャンクションの耐熱温度に設定することによって、パワーモジュールが素子ジャンクションの耐熱温度以上に曝されることを防止できる。このことによって、耐久試験するべきパワーモジュールを不所望な高温に曝して損壊させることなく、所望の温度範囲において精度良く繰返し耐久試験することができる。
【００２３】
また本発明は、前記パワーモジュールのゲートに印加される電圧を検出するゲート電圧検出手段と、
パワーモジュールにおいて発生する熱を放熱させる放熱板と、
放熱板をパワーモジュールに対して近接離反するように移動させる移動手段とをさらに備え、
前記制御手段は、
ゲート電圧検出手段の検出出力に応答し、第３安定化電源からパワーモジュールのゲートに電圧が印加されていない状態で放熱板がパワーモジュールに当接し、第３安定化電源からパワーモジュールのゲートに電圧が印加されている状態で放熱板がパワーモジュールから離間するように移動手段を制御することを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、制御手段は、ゲート電圧検出手段の検出出力に応答し、パワーモジュールに通電されていないときには放熱板をパワーモジュールに当接し、パワーモジュールに通電されているときには放熱板をパワーモジュールから離間させる。このようにパワーモジュールに通電されていない冷却期間に、放熱板をパワーモジュールに当接させ伝熱損失を促進することによって、パワーモジュールの冷却速度を速くすることができる。このことによって、試験サイクルにおける冷却過程の時間を短くすることができるので、パワーモジュールの耐久試験に要する時間の短縮を実現することができる。
【００２５】
また本発明は、耐久試験するべきパワーモジュールに通電する通電電流値Ｉ１を定め、
パワーモジュールに通電電流値Ｉ１を通電する通電時間ｗ１を定め、
パワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１を通電時間ｗ１通電することをｎ回繰返し、
通電の繰返し回数ｎ回目に通電を終了したとき、パワーモジュールの温度が、予めそれぞれ定められる温度である上限温度ＴＨと下限温度ＴＬとによって設定される基準温度範囲（ＴＬ以上、ＴＨ以下）内にあるか否かを判断し、
前記基準温度範囲内にあるとき、パワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１を通電時間ｗ１で通電することをｎ回繰返し、
前記基準温度範囲外にあるとき、ｎ回目の通電時においてパワーモジュールの温度が、下限温度ＴＬまたは下限温度ＴＬと上限温度ＴＨとの中間において予め定められる温度ＴＭに到達する通電時間ｗ２を定め、パワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１を通電時間ｗ２で通電することをｎ回繰返し、
通電の繰返し回数ｎ回目毎に、通電終了時のパワーモジュールの温度が、前記基準温度範囲内にあるか否かを判断し、判断結果に応答して定められる通電時間でパワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１を通電することを、通電の繰返し回数の累積回数が予め定める回数に達するまでまたはパワーモジュールが損壊して通電することができない状態になるまで繰返すことを特徴とするパワーモジュールの繰返し耐久試験方法である。
【００２６】
本発明に従えば、パワーモジュールの繰返し耐久試験サイクル数ｎ回目ごとにパワーモジュールの温度を測定し、パワーモジュールの温度が基準温度範囲内にあるとき、前回と同じ通電時間で通電電流Ｉ１をパワーモジュールに対して通電することをｎサイクル繰返し、パワーモジュールの温度が基準温度範囲外にあるとき、パワーモジュールの温度が、予め定める基準温度範囲の下限温度ＴＬまたは基準温度範囲内の中間温度ＴＭに到達するために要する時間に従って通電時間を新たに定め、新たに定めた通電時間に基づいてパワーモジュールに対して通電することをｎサイクル繰返す。
【００２７】
このように、試験サイクル数ｎ回目ごとにパワーモジュールの温度を検出し、各試験サイクルにおいてパワーモジュールの昇温到達温度が予め定める基準温度範囲内にあるように、パワーモジュールに対する通電時間を補正するので、試験すべきパワーモジュールに精度の良い熱履歴を与えることが可能であり、耐久性能を精度良く評価することができる。
【００２８】
また本発明は、前記パワーモジュールの温度は、
パワーモジュールに電圧を印加する印加時間ｔと、パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを測定する測定点数ｍとを予め定め、
パワーモジュールへの電圧印加開始時の順方向立上がり初期電圧ＶＦ１を測定し、
前記初期電圧ＶＦ１に対応するパワーモジュールの温度を求め、
印加時間ｔを測定点数ｍで除した繰返し印加時間：ｔ／ｍを印加して順方向立上がり電圧ＶＦを測定し、
パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦが前記初期電圧ＶＦ１に戻ったとき、印加時間：２×ｔ／ｍを印加して印加後順方向立上がり電圧ＶＦを測定し、
さらにパワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦが前記初期電圧ＶＦ１に戻ったとき、電圧を印加して順方向立上がり電圧ＶＦを測定する操作を、印加時間：ｍ×ｔ／ｍを印加するまで繰返し、
各測定点における順方向立上がり電圧ＶＦと前記初期電圧ＶＦ１との電圧差ΔＶＦ（＝ＶＦ−ＶＦ１）と、前記初期電圧ＶＦ１に対応するパワーモジュールの温度とパワーモジュール固有の順方向立上がり電圧ＶＦに対する温度勾配の特性とに基づいて求められる温度であることを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、パワーモジュールの温度は、複数の測定点において測定されるパワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦと前記初期電圧ＶＦ１との電圧差ΔＶＦと、前記初期電圧ＶＦ１に対応するパワーモジュールの温度とパワーモジュール固有の順方向立上がり電圧ＶＦに対する温度勾配の特性とに基づいて求められる。したがって、パワーモジュールに別途温度検出手段を設けることなく、繰返し耐久試験におけるパワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを測定することによって、パワーモジュールの温度を検出することができる。ここで順方向立上がり初期電圧ＶＦ１は、パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係を求めるに際し、第２安定化電源によってパワーモジュールに電圧が印加されるとき、その電圧印加開始時に計測される順方向立上がり電圧値のことである。
【００３０】
また本発明は、耐久試験するべきパワーモジュールの順方向立上がり初期電圧ＶＦ１はメモリにストアされ、
パワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１が通電されていない状態でパワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを測定し、
測定された順方向立上がり電圧ＶＦとメモリから読出された前記初期電圧ＶＦ１とを比較し、
パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦが前記初期電圧ＶＦ１と等しくなったとき、通電電流値Ｉ１の通電を開始することを特徴とする。
【００３１】
本発明に従えば、パワーモジュールの順方向立上がり初期電圧ＶＦ１は、メモリにストアされる。この初期電圧ＶＦ１は、パワーモジュールの繰返し耐久試験サイクルにおいて、パワーモジュールに対して通電電流Ｉ１の通電が開始される温度に対応する。各試験サイクルのパワーモジュールの温度が下降する過程において、パワーモジュールの測定された順方向立上がり電圧ＶＦとメモリから読出された前記初期電圧ＶＦ１とが比較され、順方向立上がり電圧ＶＦが前記初期電圧ＶＦ１と等しくなったとき、通電電流値Ｉ１の通電が開始される。すなわち繰返し耐久試験サイクルにおいて、パワーモジュールに対する通電開始温度が前記初期温度ＶＦ１に基づいて制御されるので、精度の良い温度履歴をパワーモジュールに与えることが可能になる。
【００３２】
また本発明は、パワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１の通電が開始されるべき順方向立上がり初期電圧ＶＦ１には、
プラスおよびマイナス側に許容電圧範囲ΔＶＦ１が設けられることを特徴とする。
【００３３】
本発明に従えば、前記初期電圧ＶＦ１には、プラスおよびマイナス側に許容電圧範囲ΔＶＦ１が設けられる。このことによって、各試験サイクルにおけるパワーモジュールの温度が下降する過程で、パワーモジュールの温度下降に要する時間および到達温度にばらつきが生じた場合であっても、許容電圧範囲ΔＶＦ１内に達することによって、次の試験サイクルの通電が開始されるので、繰返し耐久試験が長時間断絶することなく継続が可能である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態であるパワーモジュールの繰返し耐久試験装置１の電気的構成を示す回路図であり、図２は図１に示すパワーモジュールの繰返し耐久試験装置１の全体構成を簡略化して示す系統図である。
【００３５】
パワーモジュールの繰返し耐久試験装置１（以後、耐久試験装置１と略称する）は、並列に接続された複数のパワーモジュール２の耐久性能を試験する装置である。耐久試験装置１は、パワーモジュール２に電力を供給する第１安定化電源３と、第１安定化電源３に接続され第１安定化電源３からパワーモジュール２に供給される電力を可変に設定する電子負荷４と、パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦを測定するためにパワーモジュール２に電力を供給する第２安定化電源５と、第１安定化電源３からパワーモジュール２に対して電力を供給する第１回路６と第２安定化電源５からパワーモジュール２に対して電力を供給する第２回路７とのいずれか一方に切換える切換手段８ａ，８ｂと、切換手段８ａ，８ｂによって第２安定化電源５から電力が供給されている状態でパワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦを検出する電圧検出手段９と、パワーモジュール２のゲートに電圧を印加する第３安定化電源１０と、パワーモジュール２毎に設けられ、パワーモジュール２への通電回路である第３回路１１ａ，１１ｂを導通／遮断する開閉器１２と、電圧検出手段９の検出出力に応答し、第１安定化電源３からパワーモジュール２に電力が供給される通電時間を制御する制御手段１３とを含む。
【００３６】
本実施の形態では、試験すべきパワーモジュール２はたとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor）などであり、耐久試験装置１には複数のパワーモジュール２が並列に接続され、各パワーモジュール２には温度検出手段１４である熱電対が設けられる。熱電対１４による温度検出出力は、増幅基板１５を介して制御手段１３に備えられるアナログデジタル変換ボード１６（以後、Ａ／Ｄボード１６と呼ぶ）に入力される。
【００３７】
第１安定化電源３は、耐久性能を試験するためにパワーモジュール２を昇温するべくパワーモジュール２に電力を供給する直流電源である。電子負荷４は、第１安定化電源３に直列に接続される可変抵抗器であり、抵抗値を変化させることによって、第１安定化電源３から出力されて試験すべきパワーモジュール２に供給される電力の設定値を調整する。電子負荷４は、ＧＰＩＢ１９（General Purpose Interface Bus）によって制御手段１３と接続され、制御手段１３によってＧＰＩＢ１９を介して抵抗値が制御される。第１安定化電源３の出力は電子負荷４を介して第１回路６を通じてパワーモジュール２に供給される。
【００３８】
第１安定化電源３と電子負荷４とを接続する第４回路１７には、第４回路１７を導通／遮断する開閉器である第１スイッチ１８が設けられ、第１安定化電源３から電子負荷４への出力の遮断を可能にする。第１スイッチ１８は、制御手段１３に備えられる入出力インターフェイス２０（以後、Ｉ／Ｏ２０と略称する）に接続され、制御手段１３からの制御信号によって開閉動作が制御される。また第１回路６には、第１安定化電源３および電子負荷４からの出力電流を検出する電流検出手段２１が設けられ、電流検出手段２１の検出出力は制御手段１３に入力される。
【００３９】
第２安定化電源５は、前述のようにパワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦを測定するために、パワーモジュール２に電力を供給する直流電源であり、その電源容量は第１安定化電源３よりも小さいものが選択される。第２安定化電源５からの出力は、第２回路７を通じてパワーモジュール２に供給される。
【００４０】
切換手段８ａ，８ｂは、前述のように第１安定化電源３からパワーモジュール２に対して電力を供給する第１回路６と、第２安定化電源５からパワーモジュールに対して電力を供給する第２回路７とをいずれか一方に切換える切換スイッチである。切換手段８ａは端子ａ，端子ｂおよび端子ｃを備え、切換手段８ｂは端子ｄ，端子ｅおよび端子ｆを備える。
【００４１】
耐久試験時、パワーモジュール２を昇温させるために第１安定化電源３からの電力をパワーモジュール２に供給するとき、切換手段８ａの端子ａと端子ｂとが接続され、切換手段８ｂの端子ｄと端子ｅとが接続される。このとき第４回路１７に設けられる第１スイッチ１８は導通状態である。一方、パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦを測定するために、第２安定化電源５からの電力をパワーモジュール２に供給するとき、切換手段８ａの端子ａと端子ｃとが接続され、切換手段８ｂの端子ｄと端子ｆとが接続される。この切換手段８ａ，８ｂによる第１回路６と第２回路７との切換動作は、パワーモジュール２を昇温させるために第１安定化電源３から電力の供給される通電時間に従い制御手段１３によって制御される。
【００４２】
切換手段８ａ，８ｂ以降のパワーモジュール２に対する第１または第２安定化電源３，５からの電力の供給は、第３回路１１ａ，１１ｂを通じて行われる。第３回路１１ａ，１１ｂには、並列に接続されるパワーモジュール２毎にパワーモジュール２に対する通電を導通／遮断する開閉器１２がそれぞれ設けられる。
【００４３】
切換手段８ａ，８ｂによって第２回路７と第３回路１１ａ，１１ｂとが導通するように切換えられ、パワーモジュール２に第２安定化電源５から電力供給されている状態で、電圧検出手段９はパワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦを検出する。電圧検出手段９によって検出されるパワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦは、制御手段１３に入力される。
【００４４】
制御手段１３は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）を搭載するマイクロコンピュータなどによって実現される処理回路である。前述したように制御手段１３にはＡ／Ｄボード１６、Ｉ／Ｏ２０およびＧＰＩＢ１９が備えられ、制御手段１３と各検出手段および各被制御部とが電気的に接続されて信号の伝達と制御とが行われる。制御手段１３には、たとえば電圧検出手段９による検出出力、熱電対１４による温度検出出力および電流検出手段２１による検出出力などが入力され、これらの入力信号に応答し制御手段１３は、パワーモジュールに負荷される電子負荷の設定値、通電時間および後述するフェイルセイフなどの制御を実行する。
【００４５】
また制御手段１３には、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）からなるメモリ２２が備えられ、パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦ、耐久試験に用いられた試験条件の実績および耐久試験の基本動作プログラムなどをストアすることができる。
【００４６】
この制御手段１３は、各パワーモジュール２毎に設けられる開閉器１２の開閉動作制御に対応させて、各パワーモジュール２に負荷される電子負荷の設定値および通電時間すなわち耐久試験条件を個別に制御することが可能である。このことによって、仕様が同一の複数のパワーモジュールをそれぞれ異なる条件で同一の機会に繰返し耐久試験すること、また仕様の異なる複数パワーモジュールを、個々のパワーモジュールに適したそれぞれ異なる試験条件によって同一の機会に繰返し耐久試験することが可能になる。
【００４７】
なお、耐久試験装置１の第１〜第３安定化電源３，５，１０は、図２の系統図において示される操作盤２９に収容され、耐久試験装置１には耐久試験条件および耐久試験結果などを表示することができる表示手段３０が備えられても良い。
【００４８】
次に本実施の形態の耐久試験装置１を用いた繰返し耐久試験方法について説明する。図３は、パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係を示す図である。パワーモジュール２は、順方向立上がり電圧ＶＦに対する固有の温度勾配を有しているので、パワーモジュール２に第２安定化電源５によって電圧が印加されるとき、その電圧印加開始時に計測される順方向立上がり電圧値である初期電圧ＶＦ１（以後、単に初期電圧ＶＦ１と呼ぶ）と環境温度との関係および時間経過に伴う各順方向立上がり電圧ＶＦと前記温度勾配との関係によって、パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係を予め求めておくことができる。このことによって、耐久試験時に検出される順方向立上がり電圧ＶＦからパワーモジュール２の温度情報を得ることができる。
【００４９】
図３を用いてパワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係を求める方法について説明する。図３に示す測定例においては、パワーモジュール２に電圧を印加する印加時間ｔを６秒とし、パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦを測定する測定点数ｍを２点とした。なお厳密には、電圧印加初期時の初期電圧ＶＦ１の測定点を含めると測定点は３点になるけれども、初期電圧ＶＦ１測定時においては印加時間は零秒であるので、測定点数からは除いた。立上がり電圧ＶＦ測定のための通電電流値として１ｍＡを用いた。まずパワーモジュール２への電圧印加開始時である時刻ｔ０すなわち第２安定化電源５からの電力供給開始時の初期電圧ＶＦ１を測定して６５０ｍＶを得、この初期電圧ＶＦ１：６５０ｍＶに対応するパワーモジュールの温度すなわち環境温度３０℃を求める。
【００５０】
次いで印加時間ｔ：６秒を測定点数ｍ：２点で除した繰返し印加時間：３秒の間電圧を印加した時刻ｔ１における順方向立上がり電圧ＶＦを測定する。このときの順方向立上がり電圧ＶＦは５００ｍＶである。時刻ｔ１における順方向立上がり電圧ＶＦ：５００ｍＶと初期電圧ＶＦ１：６５０ｍＶとの電圧差ΔＶＦ：１５０ｍＶ（＝ＶＦ−ＶＦ１）と、初期電圧ＶＦ１に対応するパワーモジュールの温度３０℃と、パワーモジュール固有の順方向立上がり電圧に対する温度勾配の特性、このパワーモジュールでは２ｍＶ／℃とを用い、時刻ｔ１におけるパワーモジュールの温度は、式（１）によって与えられる。
１０５℃＝３０（℃）＋１５０（ｍＶ）／２（ｍＶ／℃） …（１）
【００５１】
３秒間の電圧印加が終了した後、パワーモジュールの温度が下降すなわち順方向立上がり電圧ＶＦが上昇して初期電圧ＶＦ１：６５０ｍＶに戻ったとき、さらに印加時間：２×ｔ／ｍ＝６秒の間電圧を印加して時刻ｔ２における順方向立上がり電圧ＶＦを測定する。このときの順方向立上がり電圧ＶＦは３５０ｍＶである。時刻ｔ１における場合と同様にして、時刻ｔ２における順方向立上がり電圧ＶＦ：３５０ｍＶに相当するパワーモジュールの温度：１８０℃を得る。
【００５２】
このようにして試験すべき各パワーモジュールについて、順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係を求めることができる。なお試験すべき各パワーモジュールについて測定された順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係および初期電圧ＶＦ１は、制御手段１３に備えられるメモリ２２にストアされる。
【００５３】
図４は、パワーモジュールの繰返し耐久試験方法の概要を示す図である。パワーモジュールの繰返し耐久試験方法（以後、耐久試験方法と略称する）においては、まず耐久試験するべきパワーモジュール２に通電する通電電流値Ｉ１を定める。通電電流値Ｉ１は、第１安定化電源３を手動操作することによって所望の値に設定してもよく、また制御手段１３を介して第１安定化電源３を操作設定できる構成にしても良い。
【００５４】
通電電流値Ｉ１を定めた後、パワーモジュールに通電電流値Ｉ１を通電する通電時間ｗ１を定める。通電時間ｗ１には、試験サイクルにおいて通電によって昇温するパワーモジュール２の温度が、予め定める基準温度範囲内に到達することができる時間が選択される。ここで基準温度範囲とは、予め定められる上限温度ＴＨと下限温度ＴＬとによって画される温度範囲であり、パワーモジュール２の耐久性能を正確に評価するために各試験サイクルにおいてパワーモジュール２を昇温し到達させるべき温度範囲である。
【００５５】
基準温度範囲すなわち上限温度ＴＨおよび下限温度ＴＬが定められるのは、以下の理由による。第１安定化電源３からパワーモジュール２に通電電流値Ｉ１を通電する試験サイクルにおいて、パワーモジュールの到達温度が、下限温度ＴＬ未満ではパワーモジュール２に対する熱負荷が小さ過ぎて耐久性能が不当に長く評価されることになる。また上限温度ＴＨは、加速試験の観点からパワーモジュール２の素子ジャンクションの耐熱温度未満のできるだけ高い温度に設定されるので、試験サイクルにおけるパワーモジュールの到達温度が、上限温度ＴＨを超えると熱負荷が過大になり、耐久性能を不当に短く評価することになる。また甚だしい場合には、パワーモジュール２のジャンクションが溶損することになる。
【００５６】
試験サイクルにおいてパワーモジュール２を到達させるべき目標温度いわゆる狙い値は、下限温度ＴＬに設定されても良く、または上限温度ＴＨと下限温度ＴＬとの中間において定められる温度ＴＭ（以後、中間温度ＴＭと呼ぶ）に設定されても良い。ここでは、中間温度ＴＭを狙い値として設定した。
【００５７】
通電電流値Ｉ１および通電時間ｗ１が定められると、パワーモジュール２に対して通電電流値Ｉ１を通電時間ｗ１通電することをｎ回繰返す。図４（ａ）に示す第１ライン３１は、１回目の試験サイクルにおけるパワーモジュール２の昇温曲線である。第１ライン３１にて示す１回目の昇温では、通電時間ｗ１が経過したとき、パワーモジュール２の到達温度Ｔｐ１は、狙い値の中間温度である。
【００５８】
一方図４（ａ）に示す第２ライン３２は、ｎ回目の試験サイクルにおけるパワーモジュール２の昇温曲線である。試験サイクル数を経るのにともない、パワーモジュール２は経時変化するので、第２ライン３２は、第１ライン３１とは異なる挙動を示し、ｎ回目の昇温では、通電時間ｗ１が経過したとき、パワーモジュール２の到達温度Ｔｐｎは、前記基準温度範囲の上限温度ＴＨを超えている。
【００５９】
このパワーモジュール２の温度は、前述のように電圧検出手段９によって検出される順方向立上がり電圧ＶＦから求められる。すなわち通電時間ｗ１の通電終了後、制御手段１３は切換手段８ａ，８ｂの動作をただちに制御し、第１回路６から第２回路７へと接続を切換える。このことによって第２安定化電源５からの電力がパワーモジュール２に供給され、順方向立上がり電圧ＶＦを測定することが可能になる。測定された順方向立上がり電圧ＶＦは、メモリ２２から読出される順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係と比較されパワーモジュール２の到達温度が求められる。
【００６０】
前述のようにｎ回目の試験サイクルを終了した時点におけるパワーモジュール２の到達温度Ｔｐｎは、上限温度ＴＨを超えている。したがって前回と同一の通電時間ｗ１にて試験を継続するとパワーモジュール２に与えられる熱負荷が過大になるので、耐久性能を不当に評価することになる。したがって、パワーモジュール２の到達温度Ｔｐｎが、基準温度範囲外にあるとき、図４（ｂ）に示すようにｎ回目の通電時においてパワーモジュールの温度が、狙い値である中間温度ＴＭに到達する通電時間ｗ２を新たな通電時間として定め、次回にはパワーモジュールに対して通電電流値Ｉ１を通電時間ｗ２で通電することをｎ回繰返す。
【００６１】
図４ではｎ回目の通電終了後のパワーモジュール２の到達温度Ｔｐｎが、基準温度範囲外にあるときについて例示するけれども、ｎ回目の通電終了後のパワーモジュール２の到達温度Ｔｐｎが、基準温度範囲内にあるときには、パワーモジュール２に対して通電電流値Ｉ１を前回と同一の通電時間ｗ１で通電することをｎ回繰返す。
【００６２】
このように、通電の繰返し回数ｎ回目に通電を終了したとき、パワーモジュール２の到達温度Ｔｐｎが、基準温度範囲内にあるか否かを制御手段１３に備わる比較手段によって判断し、制御手段１３は判断結果に応答して定められる通電時間でパワーモジュール２に対して通電電流値Ｉ１を通電するように制御し、通電の繰返し回数の累積回数が予め定める回数たとえば１×１０⁶回に達するまでまたはパワーモジュール２が損壊して通電することができない状態になるまで繰返す。
【００６３】
図５は、耐久試験サイクルにおけるパワーモジュール２の熱履歴を示す図である。図５中に示す第３ライン３３は、試験サイクルにおいて測定されるパワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦの時間推移に伴う変化を示すものである。耐久試験サイクルにおいては、パワーモジュール２に通電電流値Ｉ１が定められた通電時間たとえばｗ１を通電された後、電力が供給されない期間においてはパワーモジュール２の温度が下降するいわゆる冷却過程が存在する。
【００６４】
この冷却過程におけるパワーモジュール２の温度は、前述のように通電時間の終了とともに切換手段８ａ，８ｂによって回路が切換えられ第２安定化電源５から電力供給される状態で、電圧検出手段９の検出出力である順方向立上がり電圧ＶＦとして求められる。パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦが上昇すなわち温度が下降し、前記初期電圧ＶＦ１を中央値としてプラスマイナス（以後、±で表す）ΔＶＦ１を有する電圧範囲内に達したとき、制御手段１３によって切換手段８ａ，８ｂが第２回路７から第１回路６へと切換動作制御されて次の試験サイクルの通電が開始される。
【００６５】
耐久試験するべきパワーモジュールの初期電圧ＶＦ１は、前述のように制御手段１３に備わるメモリ２２にストアされ、前記許容電圧範囲ΔＶＦ１もメモリ２２にストアされる。パワーモジュール２の降温過程において電圧検出手段９によって検出される順方向立上がり電圧ＶＦとメモリ２２から読出された電圧範囲ＶＦ１±ΔＶＦ１とが、制御手段１３に備わる比較手段によって比較され、順方向立上がり電圧ＶＦが電圧範囲ＶＦ１±ΔＶＦ１内に達したとき、比較結果に応答して制御手段１３が前述の通電開始制御を実行する。
【００６６】
このように、試験サイクルにおけるパワーモジュールに対する通電開始温度が初期電圧ＶＦ１に基づいて制御されるので、精度の良い温度履歴をパワーモジュールに与えることが可能になる。また初期電圧ＶＦ１には、プラスおよびマイナス側に許容電圧範囲ΔＶＦ１が設けられるので、パワーモジュールの温度下降に要する時間および到達温度にばらつきが生じた場合であっても、順方向立上がり電圧ＶＦが、電圧範囲ＶＦ１±ΔＶＦ１内に達することによって、次の試験サイクルの通電を開始することができ、長時間断絶することなく耐久試験の継続が可能になる。
【００６７】
本実施の形態の制御手段１３は、前述したような制御に加えてさらに以下のような制御をすることができる。制御手段１３は、各パワーモジュール２毎に設けられる開閉器１２がいずれも第３回路１１ａ，１１ｂを遮断しているにもかかわらず、パワーモジュールに対して電力を供給する第１回路６に第１安定化電源３または電子負荷４の出力電流が流れている状態で、前記電流検出手段２１の検出出力に応答し、ＧＰＩＢ１９を介して電子負荷４の出力をＯＦＦもしくは電子負荷４の設定電流を零アンペアまたはＩ／Ｏ２０を介して第１スイッチ１８を遮断させて第１安定化電源３の出力電流を零アンペアになるように制御する。このことによって、各パワーモジュール２毎に設けられる開閉器１２がいずれも遮断されて耐久試験を実施する状態に無いときの無駄な電力消費を抑制することができる。
【００６８】
また制御手段１３は、耐久試験すべきパワーモジュール２に設けられる開閉器１２が導通状態であるにもかかわらず、パワーモジュール２に対して電力を供給する第１回路６に第１安定化電源３または電子負荷４の出力電流が流れていないとき、電流検出手段２１の検出出力に応答し、耐久試験すべきパワーモジュール２のゲート駆動シーケンスをスキップするように制御する。
【００６９】
このように耐久試験するべきパワーモジュール２が装置にセットされていないとき、または装置にセットされているパワーモジュール２が耐久試験の結果損壊して通電不能の状態であるとき、試験サイクルを実施することなく次の耐久試験するべきパワーモジュール２に移行することができる。このことによって、損壊または通電異常等の発生したパワーモジュールに試験サイクルの通電を行うことがないフェイルセイフが可能になる。
【００７０】
また制御手段１３は、熱電対１４によって検出される検出出力に応答し、パワーモジュール２の温度が予め定める限界温度Ｔｃｒ以上であるとき、ＧＰＩＢ１９を介して電子負荷４の出力をＯＦＦもしくは電子負荷４の設定電流を零アンペアまたはＩ／Ｏ２０を介して第１スイッチ１８を遮断して第１安定化電源３の出力電流を零アンペアになるように制御する。このことによって、耐久試験するべきパワーモジュール２を不所望な高温に曝して損壊させることなく、所望の温度範囲において精度良く繰返し耐久試験することができる。
【００７１】
なお熱電対１４は、耐久試験すべきパワーモジュール２自体に備わるものではなく、別途設けられるものである。したがって、この熱電対１４の検出出力を用いてパワーモジュール２の試験サイクルの温度制御を行うには精度上充分なものではなく、あくまでもパワーモジュール２が過度に異常昇温した場合、パワーモジュール２への電力供給を停止して装置を保護するフェイルセイフ用に設けられるものである。
【００７２】
図６は、パワーモジュール２の繰返し耐久試験における試験サイクル数と通電時間ｗｔとの関係を示す図である。前述したように耐久試験においてパワーモジュール２を到達させるべき温度の狙い値である中間温度ＴＭに到達するために要する通電時間ｗｔは、パワーモジュール２の電気的特性の経時変化によって試験サイクル数の増加とともに短くなる。この通電時間ｗｔの実績は、制御手段１３に備わるメモリ２２にストアされ、試験サイクル数と通電時間ｗｔとの関係をメモリ２２から読出しグラフ化すると図６中の第４ライン３４のように示される。図６中における第４ライン３４上の「○」印は、試験サイクル数と通電時間ｗｔとの関係を表す実績値である。
【００７３】
耐久試験装置１の制御手段１３には演算手段が備わり、メモリ２２から読出した試験サイクル数と通電時間ｗｔとの関係の実績データを演算処理、たとえば補間法による外挿をすることによって、次のｎ回の試験サイクルにおいて中間温度ＴＭに達するのに要する通電時間ｗｔを予測することが可能である。図６中における「●」印は、前述のようにして求めた次のｎ回の試験サイクルにおける通電時間ｗｔの予測値である。
【００７４】
本実施の形態では、試験サイクル数ｎ回目毎に、パワーモジュール２の温度が基準温度範囲内にあるか否かを判断し、基準温度範囲外にあるときには、試験サイクル数ｎ回目に中間温度ＴＭに到達するのに要した時間の実績値を次のｎ回の試験サイクルにおいて用いる通電時間に定めているけれども、このようにして定める通電時間と前記予測値とが一致する場合、試験サイクル数ｎ回目に中間温度ＴＭに到達するのに要した時間の実績値に代えて、前記予測値を次のｎ回の試験サイクルに用いる通電時間として新たに設定するようにしても良い。
【００７５】
図７は、本発明の第２の実施の形態である耐久試験装置３５の要部の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の耐久試験装置３５は、実施の第１形態の耐久試験装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。耐久試験装置３５は、パワーモジュール２のゲートに印加される電圧を検出するゲート電圧検出手段３６と、パワーモジュール２において発生する熱を放熱させる放熱板３７と、放熱板３７をパワーモジュール２に対して近接離反するように移動させる移動手段３８とを含む。
【００７６】
放熱板３７は、たとえば銅またはアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属製の薄板であり、パワーモジュール２に当接したとき、パワーモジュール２から伝導される熱を大気中に放散してパワーモジュール２を迅速に降温させる働きをする。また放熱板３７には、パワーモジュール２と当接する側と反対側に放熱を促進するためのフィンが形成されても良い。
【００７７】
移動手段３８は、たとえば油圧などのシリンダ３９によって一端部に前記放熱板３７の装着されたロッド４０を矢符４１に示す方向に駆動し、放熱板３７をパワーモジュール２に当接させ、また離間させる。
【００７８】
制御手段１３は、ゲート電圧検出手段３６の検出出力に応答して移動手段３８の動作を制御し、第３安定化電源１０からパワーモジュール２のゲートに電圧が印加されている状態で放熱板３７をパワーモジュール２に当接させ、第３安定化電源１０からパワーモジュール２のゲートに電圧が印加されていない状態で放熱板３７をパワーモジュール２から離間させる。
【００７９】
このことによって、パワーモジュール２に通電されていない冷却過程においては、放熱板３７をパワーモジュール２に当接させ伝熱損失を促進することによって、パワーモジュール２の冷却速度を速くすることができる。したがって、試験サイクルにおける冷却過程に要する時間を短くすることができるので、パワーモジュール２の耐久試験に要する時間の短縮を実現することができる。
【００８０】
以上に述べたように、本実施の形態では、パワーモジュール２は、ＦＥＴモジュールであるけれども、これに限定されることなく、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュールなど他のモジュールであっても良い。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦからパワーモジュールの温度を求めることができ、順方向立上がり電圧ＶＦを検出する電圧検出手段の検出出力すなわちパワーモジュールの温度に応答して、制御手段はパワーモジュールに電力が供給される通電時間を制御するので、温度センサを伴わないパワーモジュールにおいても、パワーモジュールの温度検出手段を別途設けることなく精度よくパワーモジュールの試験温度を制御して耐久性能を精度良く評価することができる。
【００８２】
また本発明によれば、仕様が同一の複数のパワーモジュールをそれぞれ異なる条件で同一の機会に繰返し耐久試験することができ、また仕様の異なる複数パワーモジュールを、個々のパワーモジュールに適したそれぞれ異なる試験条件によって同一の機会に繰返し耐久試験することができる。
【００８３】
また本発明によれば、耐久試験の実績をメモリにストアすることができるので、メモリから読出された試験条件実績を用いて、たとえば外挿法によって次回にパワーモジュールに印加される通電時間を予測することが可能になり、また同一仕様のパワーモジュールについての試験条件および試験結果を読出し比較することによって、試験結果の異常等を容易に検知することが可能になる。
【００８４】
また本発明によれば、各パワーモジュール毎に設けられる開閉器がいずれも回路を遮断し、耐久試験を実施する状態にないとき、制御手段は、電子負荷の出力をＯＦＦもしくは電子負荷の設定電流を零アンペアまたは第１安定化電源の出力電流を零アンペアになるように制御するので、無駄な電力消費を抑制することができる。
【００８５】
また本発明によれば、耐久試験するべきパワーモジュールが装置にセットされていないとき、または装置にセットされているパワーモジュールが耐久試験の結果損壊して通電不能の状態であるとき、試験サイクルを実施することなく次の耐久試験するべきパワーモジュールに移行できるので、不所望に試験サイクルの通電を行うことがないフェイルセイフが可能になる。
【００８６】
また本発明によれば、耐久試験するべきパワーモジュールを不所望な高温に曝して損壊させることなく、所望の温度範囲において精度良く繰返し耐久試験することができる。
【００８７】
また本発明によれば、制御手段は、パワーモジュールに通電されていない冷却過程において、放熱板をパワーモジュールに当接させ伝熱損失を促進することによって、パワーモジュールの冷却速度を速くすることができるので、試験サイクルにおける冷却過程の時間を短くし、耐久試験に要する時間の短縮を実現することができる。
【００８８】
また本発明によれば、試験サイクル数ｎ回目ごとにパワーモジュールの温度を検出し、各試験サイクルにおいてパワーモジュールの昇温到達温度が予め定める基準温度範囲内にあるように、パワーモジュールに対する通電時間を補正するので、試験すべきパワーモジュールに精度の良い熱履歴を与えることが可能であり、耐久性能を精度良く評価することができる。
【００８９】
また本発明によれば、パワーモジュールに別途温度検出手段を設けることなく、繰返し耐久試験におけるパワーモジュールの順方向立上がり電圧を測定することによって、パワーモジュールの温度を検出することができる。
【００９０】
また本発明によれば、各試験サイクルのパワーモジュールの降温過程において、パワーモジュールの順方向立上がり電圧ＶＦと初期電圧ＶＦ１とが比較され、順方向立上がり電圧ＶＦが初期電圧ＶＦ１と等しくなったとき、通電電流値Ｉ１の通電が開始されるので、精度の良い温度履歴をパワーモジュールに与えることが可能になる。
【００９１】
また本発明によれば、初期電圧ＶＦ１には、プラスおよびマイナス側に許容電圧範囲ΔＶＦ１が設けられるので、パワーモジュールの温度下降に要する時間および到達温度にばらつきが生じた場合であっても、許容電圧範囲ΔＶＦ１内に達することによって、次の試験サイクルの通電が開始され耐久試験が長時間断絶することなく継続される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるパワーモジュールの繰返し耐久試験装置１の電気的構成を示す回路図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの繰返し耐久試験装置１の全体構成を簡略化して示す系統図である。
【図３】パワーモジュール２の順方向立上がり電圧ＶＦと温度との関係を示す図である。
【図４】パワーモジュールの繰返し耐久試験方法の概要を示す図である。
【図５】耐久試験サイクルにおけるパワーモジュール２の熱履歴を示す図である。
【図６】パワーモジュール２の繰返し耐久試験における試験サイクル数と通電時間ｗｔとの関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態である耐久試験装置３５の要部の構成を簡略化して示す系統図である。
【符号の説明】
１，３５耐久試験装置
２パワーモジュール
３第１安定化電源
４電子負荷
５第２安定化電源
８ａ，８ｂ切換手段
９電圧検出手段
１０第３安定化電源
１２開閉器
１３制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a repeated durability test apparatus and a test method for testing durability performance of a power module.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a device for testing the durability performance of a power module, a power supply with a constant current and a constant voltage is provided, a circuit capable of supplying power from the power supply to the power module is configured, and a predetermined time ON signal is applied to the gate of the power module to be tested By inputting a constant current to the power module for a predetermined time to increase the temperature of the power module, and then inputting a OFF signal for a predetermined time to the gate of the power module. Some modules cut the temperature by shutting off the power to the module. This conventional test apparatus repeats the designated number of cycles with the temperature rise and fall of the power module as described above as one cycle, and evaluates the durability performance against thermal stress based on local heat generation of the elements and joints of the power module. Is.
[0003]
However, electrical characteristics such as power module elements and joints, such as total resistance, change over time as the number of test cycles increases. As a result, if the time of the ON signal input to the gate of the power module remains fixed at a predetermined time, the temperature at which the power module rises changes as the number of test cycles increases. There was a problem that the durability performance evaluation of the module could not be obtained with high accuracy.
[0004]
As an improved technique to solve this problem, the output voltage of the power module is detected with the ON signal being input to the gate of the power module, and the ON signal is input when the output voltage of the power module is high. A test device has been devised to control the temperature rise of the power module in each test cycle to be uniform, by extending the time to input the ON signal when the output voltage is low, If the power module is equipped with a temperature sensor, the ON / OFF signal input to the power module gate is controlled in response to the detection output of the temperature sensor, and the temperature rise of the power module in each test cycle is uniform. A test apparatus has been devised to control the system so that
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the improved test apparatus as described above still has the following problems. Although the conventional power module durability test equipment can test the durability performance of multiple power modules at the same time, it aims to evaluate multiple power modules with the same specifications under the same conditions. However, it is impossible to simultaneously test the durability performance of the plurality of power modules under different conditions, or to simultaneously test the durability performance of power modules having different specifications under different conditions.
[0006]
In addition, the above-mentioned designated cycle number used when conducting the durability module evaluation test is, for example, 1 × 10. ⁶ A long cycle number such as a cycle is selected. Thus, since a long cycle number is used for the durability performance test of the power module, it is required to shorten the time per cycle and shorten the total test time as much as possible.
[0007]
Therefore, in general, an acceleration test is frequently used, and in order to accelerate as much as possible, a method is employed in which the power module element, which is a heating element, generates heat to the maximum. However, there is a limit to the temperature at which the power module is heated to raise the temperature, and it must be lower than the element junction temperature of the power module. This is because if the power module is exposed to an undesirably high temperature and the device junction breaks, it becomes impossible to continue the durability test, so that the power module is within the temperature range where the power module will actually be used. This is because the durability performance has not been evaluated.
[0008]
Many practical power modules do not involve a temperature sensor. When testing the durability performance of a power module without a temperature sensor, it is necessary to provide a separate thermocouple, but it is difficult to install a separate thermocouple on the power module element, so the thermocouple is close to the power module element. Placed in. Due to the structure of the power module and the difference in deterioration characteristics with respect to thermal stress between the element and the thermocouple, an error occurs between the temperature detected by the thermocouple and the element temperature of the power module as the test cycle progresses. Therefore, if the endurance test temperature of the power module is controlled in response to the detection output of the thermocouple, the maximum heat load cannot be applied to the element junction of the power module, so the endurance performance of the power module is accurate. In addition to not being able to evaluate well, there is a problem that the maximum acceleration cannot be given and the time required for the test is prolonged.
[0009]
For this reason, there is an apparatus that employs a method of controlling the element temperature of the power module according to the time during which the gate of the power module is ON without providing a separate thermocouple and detecting the temperature. However, even in this method, the temperature rise characteristic of the power module in a certain time changes with the progress of the number of test cycles, that is, with time, so that there is a problem that the heat load on the power module element is not accurate.
[0010]
The object of the present invention is to accurately evaluate the endurance performance by accurately controlling the test temperature of the power module without providing a separate temperature detection means even in a power module without a temperature sensor. It is an object to provide a power module repeated durability test apparatus and a test method capable of simultaneously testing a module under different conditions.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a repeated durability test apparatus for performing a durability test on a plurality of power modules connected in parallel.
A first stabilized power supply for supplying power to the power module;
An electronic load connected to the first stabilized power supply and configured to variably set the power supplied from the first stabilized power supply to the power module;
A second regulated power supply for supplying power to the power module to measure the forward rising voltage VF of the power module;
Switching means for switching between one of supply of power from the first stabilized power supply to the power module and supply of power from the second stabilized power supply to the power module;
Voltage detecting means for detecting a forward rising voltage VF of the power module in a state where power is supplied from the second stabilized power supply by the switching means;
A third stabilized power supply for applying a voltage to the gate of the power module;
A switch that is provided for each power module and that conducts / cuts off power to the power module;
A power module repetitive durability test apparatus comprising: a control means for controlling an energization time during which power is supplied from the first stabilized power supply to the power module in response to the detection output of the voltage detection means.
[0012]
According to the present invention, the supply of power to the power module is switched to one of the first and second stabilized power sources by the switching means, and in the state where the power is supplied from the second stabilized power source, The energization time during which power is supplied from the first stabilized power supply to the power module is controlled in response to detecting the forward rise voltage VF and responding to the detection output of the forward rise voltage VF. Here, the power module has an inherent temperature gradient characteristic with respect to the forward rising voltage VF of the power module. Therefore, the temperature of the power module can be obtained from the forward rising voltage VF. In response to the detection output of the voltage detection means for detecting the forward rising voltage VF, that is, the temperature of the power module, the control means controls the energization time during which power is supplied to the power module. However, it is possible to accurately evaluate the durability performance by accurately controlling the test temperature of the power module without separately providing a temperature detecting means for the power module.
[0013]
In the present invention, the control means includes
Energization time during which power is supplied from the first stabilized power supply to the power module;
The power supplied from the first stabilized power source set by the electronic load to the power module,
The power module is configured to be controllable for each power module to be subjected to a durability test.
[0014]
According to the present invention, the control means can control the repeated durability test conditions for each power module. As a result, a plurality of power modules having the same specification can be repeatedly subjected to an endurance test at the same opportunity under different conditions. Further, a plurality of power modules having different specifications can be repeatedly subjected to an endurance test on the same occasion under different test conditions suitable for individual power modules.
[0015]
In the present invention, the control means includes a memory,
A record of the energization time energized for each power module and the set value by the electronic load is stored in the memory.
[0016]
According to the present invention, the results of repeated durability test conditions performed in each power module can be stored in the memory. This makes it possible to predict the energization time to be applied to the power module next time, for example, by extrapolation using the results of the test conditions read from the memory. In addition, by reading and comparing test conditions and test results for power modules of the same specification, it is possible to easily detect abnormalities in the test results.
[0017]
In the present invention, a circuit for supplying power from the first stabilized power supply to the power module is provided with a current detection means for detecting current,
The control means includes
In the state where the switch provided for each power module is cut off and the current of the first stabilized power supply or electronic load is output,
In response to the detection output of the current detection means, the output of the electronic load is controlled to be turned off, or the set current of the electronic load is controlled to zero ampere, or the output current of the first stabilized power supply is set to zero ampere.
[0018]
According to the present invention, when none of the switches provided for each power module is shut off and in a state where the endurance test is performed, the control means turns off the output of the electronic load or sets the current of the electronic load to zero ampere. Alternatively, the output current of the first stabilized power supply is controlled to be zero amperes. As a result, wasteful power consumption can be suppressed.
[0019]
In the present invention, the control means includes
In a state where the switch provided in the power module to be subjected to the durability test is conducted and the current of the first stabilized power supply or the electronic load is not output,
In response to the detection output of the current detection means, control is performed such that the gate drive sequence of the power module to be subjected to the durability test is skipped.
[0020]
According to the present invention, when the power module to be subjected to endurance test is not set in the apparatus, or when the power module set in the apparatus is damaged as a result of the endurance test and cannot be energized, the test cycle is performed. It is possible to shift to the power module to be subjected to the next endurance test without doing so. This makes it possible to perform fail-safe without energizing the test cycle to the power module in which breakage or abnormality in energization has occurred.
[0021]
In the present invention, the power module is provided with a temperature detecting means for each power module, and the temperature of the power module is equal to or higher than a predetermined limit temperature Tcr.
The control means includes
Responsive to the output of the temperature detecting means, the electronic load output is controlled to be OFF, the electronic load set current is set to zero ampere, or the first stabilized power supply output current is set to zero ampere.
[0022]
According to the present invention, by setting the predetermined limit temperature Tcr of the power module to, for example, the heat resistant temperature of the element junction of the power module, the power module can be prevented from being exposed to the heat resistant temperature of the element junction or higher. As a result, the durability test can be repeated accurately and accurately in a desired temperature range without damaging the power module to be durability tested by exposing it to an undesirably high temperature.
[0023]
Further, the present invention provides a gate voltage detection means for detecting a voltage applied to the gate of the power module,
A heat sink that dissipates heat generated in the power module;
And a moving means for moving the heat sink so as to move closer to and away from the power module,
The control means includes
In response to the detection output of the gate voltage detection means, the heat sink comes into contact with the power module when no voltage is applied from the third stabilized power supply to the gate of the power module, and from the third stabilized power supply to the gate of the power module. The moving means is controlled so that the heat radiating plate is separated from the power module in a state where a voltage is applied.
[0024]
According to the present invention, the control means responds to the detection output of the gate voltage detection means, abuts the heat sink on the power module when the power module is not energized, and powers the heat sink when the power module is energized. Separate from the module. Thus, the cooling rate of the power module can be increased by bringing the heat sink into contact with the power module and promoting heat transfer loss during the cooling period when the power module is not energized. As a result, the time for the cooling process in the test cycle can be shortened, so that the time required for the durability test of the power module can be shortened.
[0025]
Further, the present invention defines an energization current value I1 for energizing a power module to be subjected to an endurance test,
The energization time w1 for energizing the power module with the energization current value I1 is determined,
Energizing the power module with the energization current value I1 energizing time w1 n times,
When energization is terminated at the nth energization cycle, the temperature of the power module falls within a reference temperature range (TL or more, TH or less) set by an upper limit temperature TH and a lower limit temperature TL, which are predetermined temperatures, respectively. Determine if there is,
When it is within the reference temperature range, energizing the power module with the energization current value I1 for the energization time w1 is repeated n times,
When the temperature is outside the reference temperature range, an energization time w2 for the temperature of the power module to reach a predetermined temperature TM in the middle of the lower limit temperature TL or the lower limit temperature TL and the upper limit temperature TH at the n-th energization is determined, Energizing the power module with the energization current value I1 for the energization time w2 is repeated n times,
Every nth energization cycle, it is determined whether the temperature of the power module at the end of energization is within the reference temperature range, and the power module is energized for an energization time determined in response to the determination result. Repeating the energization of the current value I1 until the accumulated number of repetitions of energization reaches a predetermined number or until the power module is damaged and cannot be energized. This is a test method.
[0026]
According to the present invention, the temperature of the power module is measured every nth cycle of the power module repeated durability test, and when the temperature of the power module is within the reference temperature range, the energization current I1 is supplied with the same energization time as before. When energizing the module is repeated n cycles, and the temperature of the power module is outside the reference temperature range, the temperature of the power module is set to the lower limit temperature TL of the predetermined reference temperature range or the intermediate temperature TM within the reference temperature range. The energization time is newly determined according to the time required for reaching, and energization of the power module based on the newly determined energization time is repeated n cycles.
[0027]
In this way, the temperature of the power module is detected every nth test cycle, and the energization time for the power module is corrected so that the temperature rise temperature of the power module is within a predetermined reference temperature range in each test cycle. Therefore, it is possible to give a heat history with high accuracy to the power module to be tested, and the durability performance can be evaluated with high accuracy.
[0028]
In the present invention, the temperature of the power module is
An application time t for applying a voltage to the power module and a measurement point number m for measuring the forward rising voltage VF of the power module are determined in advance.
Measure the forward rising initial voltage VF1 at the start of voltage application to the power module,
Obtain the temperature of the power module corresponding to the initial voltage VF1,
Repetitive application time obtained by dividing the application time t by the number of measurement points: t / m is applied to measure the forward rising voltage VF,
When the forward rising voltage VF of the power module returns to the initial voltage VF1, the application time: 2 × t / m is applied to measure the forward rising voltage VF after application,
Further, when the forward rising voltage VF of the power module returns to the initial voltage VF1, the operation of applying the voltage and measuring the forward rising voltage VF is repeated until the application time: m × t / m is applied.
The voltage difference ΔVF (= VF−VF1) between the forward rising voltage VF and the initial voltage VF1 at each measurement point, the temperature of the power module corresponding to the initial voltage VF1, and the temperature relative to the forward rising voltage VF unique to the power module. The temperature is obtained based on the characteristics of the gradient.
[0029]
According to the present invention, the temperature of the power module is determined by the voltage difference ΔVF between the forward rising voltage VF of the power module measured at a plurality of measurement points and the initial voltage VF1, and the power module corresponding to the initial voltage VF1. It is obtained based on the temperature and the characteristic of the temperature gradient with respect to the forward rising voltage VF specific to the power module. Therefore, the temperature of the power module can be detected by measuring the forward rising voltage VF of the power module in the repeated endurance test without providing a separate temperature detecting means for the power module. Here, the forward rising initial voltage VF1 is measured when a voltage is applied to the power module by the second stabilized power supply when the relationship between the forward rising voltage VF of the power module and the temperature is obtained. This is the forward rising voltage value.
[0030]
In the present invention, the forward rising initial voltage VF1 of the power module to be subjected to the durability test is stored in the memory,
Measure the forward rising voltage VF of the power module with the energization current value I1 being not energized to the power module,
Comparing the measured forward rising voltage VF with the initial voltage VF1 read from the memory;
When the forward rising voltage VF of the power module becomes equal to the initial voltage VF1, energization with the energization current value I1 is started.
[0031]
According to the present invention, the forward rising initial voltage VF1 of the power module is stored in the memory. This initial voltage VF1 corresponds to a temperature at which energization of the energization current I1 is started to the power module in the repeated durability test cycle of the power module. In the process of decreasing the temperature of the power module in each test cycle, the measured forward rising voltage VF of the power module is compared with the initial voltage VF1 read from the memory, and the forward rising voltage VF is compared with the initial voltage VF1. When the current value becomes equal to, energization of the energization current value I1 is started. That is, in the repeated endurance test cycle, the energization start temperature for the power module is controlled based on the initial temperature VF1, so that it is possible to give an accurate temperature history to the power module.
[0032]
In the present invention, the forward rising initial voltage VF1 at which the energization of the energization current value I1 to the power module is to be started is
An allowable voltage range ΔVF1 is provided on the plus and minus sides.
[0033]
According to the present invention, the initial voltage VF1 is provided with an allowable voltage range ΔVF1 on the plus and minus sides. As a result, even when the time required for the temperature drop of the power module and the arrival temperature vary in the process of the temperature drop of the power module in each test cycle, by reaching within the allowable voltage range ΔVF1, Since energization of the next test cycle is started, the repeated durability test can be continued without interruption for a long time.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing an electrical configuration of a power module repeated durability test apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 shows an overall configuration of the power module repeated durability test apparatus 1 shown in FIG. It is a systematic diagram simplified and shown.
[0035]
The power module repeated durability test apparatus 1 (hereinafter abbreviated as durability test apparatus 1) is an apparatus for testing the durability performance of a plurality of power modules 2 connected in parallel. The durability testing apparatus 1 variably sets the first stabilized power source 3 that supplies power to the power module 2 and the power that is connected to the first stabilized power source 3 and is supplied from the first stabilized power source 3 to the power module 2. An electronic load 4 that performs power, a second stabilized power supply 5 that supplies power to the power module 2 to measure the forward rising voltage VF of the power module 2, and power from the first stabilized power supply 3 to the power module 2. Switching means 8a, 8b for switching to one of the first circuit 6 for supplying power and the second circuit 7 for supplying power from the second stabilized power supply 5 to the power module 2, and the switching means 8a, 8b (2) Voltage detection means 9 for detecting the forward rising voltage VF of the power module 2 in a state where power is supplied from the stabilized power supply 5, and a voltage is applied to the gate of the power module 2. Responds to the third stabilized power supply 10, the switch 12 that is provided for each power module 2, and conducts / cuts off the third circuits 11 a and 11 b that are energization circuits to the power module 2, and the detection output of the voltage detection means 9 And control means 13 for controlling the energization time during which power is supplied from the first stabilized power supply 3 to the power module 2.
[0036]
In the present embodiment, the power module 2 to be tested is, for example, an FET (Field Effect Transistor) or the like, and a plurality of power modules 2 are connected in parallel to the durability test apparatus 1. A thermocouple 14 is provided. The temperature detection output from the thermocouple 14 is input to an analog / digital conversion board 16 (hereinafter referred to as an A / D board 16) provided in the control means 13 via the amplification substrate 15.
[0037]
The first stabilized power supply 3 is a DC power supply that supplies power to the power module 2 to raise the temperature of the power module 2 in order to test durability performance. The electronic load 4 is a variable resistor connected in series to the first stabilized power supply 3, and is output from the first stabilized power supply 3 and supplied to the power module 2 to be tested by changing the resistance value. Adjust the power setting value. The electronic load 4 is connected to the control means 13 by GPIB 19 (General Purpose Interface Bus), and the resistance value is controlled by the control means 13 via the GPIB 19. The output of the first stabilized power supply 3 is supplied to the power module 2 through the first circuit 6 via the electronic load 4.
[0038]
The fourth circuit 17 that connects the first stabilized power supply 3 and the electronic load 4 is provided with a first switch 18 that is a switch that conducts / cuts off the fourth circuit 17. The output to the load 4 can be cut off. The first switch 18 is connected to an input / output interface 20 (hereinafter abbreviated as I / O 20) provided in the control means 13, and the opening / closing operation is controlled by a control signal from the control means 13. The first circuit 6 is provided with current detection means 21 for detecting output currents from the first stabilized power supply 3 and the electronic load 4, and the detection output of the current detection means 21 is input to the control means 13.
[0039]
The second stabilized power source 5 is a DC power source that supplies power to the power module 2 in order to measure the forward rising voltage VF of the power module 2 as described above, and the power capacity of the second stabilized power source 5 is the first stabilized power source 3. The smaller one is selected. The output from the second stabilized power supply 5 is supplied to the power module 2 through the second circuit 7.
[0040]
The switching means 8a and 8b supply power to the power module from the first stabilized power supply 3 and the power module from the second stabilized power supply 5 as described above. This is a changeover switch for switching the second circuit 7 to either one. The switching means 8a includes a terminal a, a terminal b, and a terminal c, and the switching means 8b includes a terminal d, a terminal e, and a terminal f.
[0041]
When the power from the first stabilized power supply 3 is supplied to the power module 2 in order to raise the temperature of the power module 2 during the durability test, the terminals a and b of the switching means 8a are connected, and the terminals of the switching means 8b are connected. d and the terminal e are connected. At this time, the first switch 18 provided in the fourth circuit 17 is in a conductive state. On the other hand, when the power from the second stabilized power supply 5 is supplied to the power module 2 in order to measure the forward rising voltage VF of the power module 2, the terminals a and c of the switching means 8a are connected and switched. The terminal d and the terminal f of the means 8b are connected. The switching operation between the first circuit 6 and the second circuit 7 by the switching means 8a, 8b is performed by the control means 13 according to the energization time during which power is supplied from the first stabilized power supply 3 in order to raise the temperature of the power module 2. Be controlled.
[0042]
The power supply from the first or second stabilized power supply 3 or 5 to the power module 2 after the switching means 8a and 8b is performed through the third circuits 11a and 11b. The third circuits 11a and 11b are each provided with a switch 12 for conducting / interrupting energization of the power module 2 for each power module 2 connected in parallel.
[0043]
In the state where the second circuit 7 and the third circuit 11a, 11b are switched to each other by the switching means 8a, 8b and the power module 2 is supplied with power from the second stabilized power supply 5, the voltage detection means 9 The forward rising voltage VF of the power module 2 is detected. The forward rising voltage VF of the power module 2 detected by the voltage detection means 9 is input to the control means 13.
[0044]
The control means 13 is a processing circuit realized by, for example, a microcomputer equipped with a CPU (Central Processing Unit). As described above, the control means 13 includes the A / D board 16, the I / O 20, and the GPIB 19, and the control means 13, the detection means, and the controlled parts are electrically connected to transmit and control signals. Is done. The control means 13 receives, for example, the detection output from the voltage detection means 9, the temperature detection output from the thermocouple 14, the detection output from the current detection means 21, etc., and the control means 13 responds to these input signals to the power module. Controls such as a set value of the electronic load to be loaded, energization time, and fail-safe described later are executed.
[0045]
The control means 13 includes a memory 22 composed of a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory). The power module 2 has a forward rise voltage VF, results of the test conditions used in the durability test, and durability. Test basic operation programs can be stored.
[0046]
This control means 13 individually controls the set value and energization time of the electronic load applied to each power module 2, that is, the durability test condition, corresponding to the switching operation control of the switch 12 provided for each power module 2. Is possible. This allows multiple power modules with the same specifications to be repeatedly tested at the same opportunity under different conditions, and multiple power modules with different specifications to the same under different test conditions suitable for individual power modules. It becomes possible to perform an endurance test repeatedly on occasion.
[0047]
The first to third stabilized power sources 3, 5, and 10 of the durability test apparatus 1 are accommodated in an operation panel 29 shown in the system diagram of FIG. 2, and the durability test apparatus 1 includes durability test conditions and durability test results. The display means 30 which can display etc. may be provided.
[0048]
Next, a repeated durability test method using the durability test apparatus 1 of the present embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the forward rising voltage VF and the temperature of the power module 2. Since the power module 2 has a specific temperature gradient with respect to the forward rising voltage VF, when a voltage is applied to the power module 2 by the second stabilized power supply 5, the forward direction measured at the start of the voltage application. The forward direction of the power module 2 depends on the relationship between the initial voltage VF1 (hereinafter simply referred to as the initial voltage VF1), which is a rising voltage value, and the environmental temperature, and the relationship between each forward rising voltage VF and the temperature gradient over time. The relationship between the rising voltage VF and the temperature can be obtained in advance. Thereby, the temperature information of the power module 2 can be obtained from the forward rising voltage VF detected during the durability test.
[0049]
A method for obtaining the relationship between the forward rising voltage VF and the temperature of the power module 2 will be described with reference to FIG. In the measurement example shown in FIG. 3, the application time t for applying a voltage to the power module 2 is 6 seconds, and the number m of measurement points for measuring the forward rising voltage VF of the power module is two. Strictly speaking, if the measurement points of the initial voltage VF1 at the initial stage of voltage application are included, the number of measurement points is three. However, since the application time is zero seconds when measuring the initial voltage VF1, it is excluded from the number of measurement points. . 1 mA was used as the energization current value for measuring the rising voltage VF. First, an initial voltage VF1 at the time t0 when the voltage application to the power module 2 is started, that is, an initial voltage VF1 at the start of power supply from the second stabilized power supply 5 is measured to obtain 650 mV, and the power module corresponding to the initial voltage VF1: 650 mV Temperature, that is, environmental temperature 30 ° C.
[0050]
Next, the forward rising voltage VF is measured at time t1 when the voltage is applied for a repetitive application time of 3 seconds, which is obtained by dividing the application time t of 6 seconds by the number of measurement points m: 2. The forward rising voltage VF at this time is 500 mV. The forward rising voltage VF at time t1: VF: 500 mV and the initial voltage VF1: 650 mV, the difference ΔVF: 150 mV (= VF−VF1), the temperature 30 ° C. of the power module corresponding to the initial voltage VF1, and the power module specific order Using the characteristics of the temperature gradient with respect to the direction rising voltage, 2 mV / ° C. in this power module, the temperature of the power module at time t 1 is given by equation (1).
105 ° C. = 30 (° C.) + 150 (mV) / 2 (mV / ° C.) (1)
[0051]
After the voltage application for 3 seconds is completed, when the temperature of the power module decreases, that is, when the forward rising voltage VF increases and returns to the initial voltage VF1: 650 mV, the application time is further: 2 × t / m = 6 seconds A voltage is applied to measure the forward rising voltage VF at time t2. The forward rising voltage VF at this time is 350 mV. Similarly to the case at the time t1, the temperature of the power module corresponding to the forward rising voltage VF at the time t2: 350 mV: 180 ° C. is obtained.
[0052]
In this way, the relationship between the forward rising voltage VF and the temperature can be obtained for each power module to be tested. The relationship between the forward rising voltage VF and temperature and the initial voltage VF1 measured for each power module to be tested are stored in the memory 22 provided in the control means 13.
[0053]
FIG. 4 is a diagram showing an outline of a power module repeated durability test method. In a repeated durability test method for a power module (hereinafter abbreviated as a durability test method), first, an energization current value I1 to be applied to the power module 2 to be subjected to an endurance test is determined. The energization current value I1 may be set to a desired value by manually operating the first stabilized power supply 3, or may be configured such that the first stabilized power supply 3 can be operated and set via the control means 13. .
[0054]
After the energization current value I1 is determined, an energization time w1 for energizing the power module with the energization current value I1 is determined. As the energization time w1, a time during which the temperature of the power module 2 that is heated by energization in the test cycle can reach a predetermined reference temperature range is selected. Here, the reference temperature range is a temperature range defined by a predetermined upper limit temperature TH and lower limit temperature TL, and the power module 2 is increased in each test cycle in order to accurately evaluate the durability performance of the power module 2. This is the temperature range that should be reached by heating.
[0055]
The reference temperature range, that is, the upper limit temperature TH and the lower limit temperature TL are determined for the following reason. In a test cycle in which an energization current value I1 is supplied from the first stabilized power supply 3 to the power module 2, if the temperature reached by the power module is less than the lower limit temperature TL, the heat load on the power module 2 is too small and the durability performance is unduly long. Will be evaluated. Moreover, since the upper limit temperature TH is set as high as possible below the heat resistant temperature of the element junction of the power module 2 from the viewpoint of the acceleration test, if the temperature reached by the power module in the test cycle exceeds the upper limit temperature TH, the thermal load will be increased. It becomes excessive, and the durability performance is unduly short. In a severe case, the junction of the power module 2 is melted.
[0056]
A target temperature to be reached by the power module 2 in the test cycle, a so-called target value, may be set to the lower limit temperature TL, or a temperature TM determined between the upper limit temperature TH and the lower limit temperature TL (hereinafter referred to as the intermediate temperature TM). May be set). Here, the intermediate temperature TM is set as a target value.
[0057]
When the energization current value I1 and the energization time w1 are determined, the energization current value I1 energized to the power module 2 for the energization time w1 is repeated n times. A first line 31 shown in FIG. 4A is a temperature rising curve of the power module 2 in the first test cycle. In the first temperature increase indicated by the first line 31, when the energization time w1 has elapsed, the ultimate temperature Tp1 of the power module 2 is an intermediate temperature of the target value.
[0058]
On the other hand, the second line 32 shown in FIG. 4A is a temperature rise curve of the power module 2 in the nth test cycle. As the number of test cycles elapses, the power module 2 changes with time, so the second line 32 behaves differently from the first line 31. When the energization time w1 elapses in the nth temperature increase, The ultimate temperature Tpn of the power module 2 exceeds the upper limit temperature TH of the reference temperature range.
[0059]
The temperature of the power module 2 is obtained from the forward rising voltage VF detected by the voltage detecting means 9 as described above. That is, after the energization of the energization time w1, the control means 13 immediately controls the operation of the switching means 8a and 8b to switch the connection from the first circuit 6 to the second circuit 7. As a result, the power from the second stabilized power supply 5 is supplied to the power module 2 and the forward rising voltage VF can be measured. The measured forward rise voltage VF is compared with the relationship between the forward rise voltage VF read from the memory 22 and the temperature, and the temperature reached by the power module 2 is obtained.
[0060]
As described above, the reached temperature Tpn of the power module 2 at the time when the n-th test cycle is completed exceeds the upper limit temperature TH. Therefore, if the test is continued at the same energization time w1 as the previous time, the heat load applied to the power module 2 becomes excessive, and the durability performance is unfairly evaluated. Therefore, when the ultimate temperature Tpn of the power module 2 is outside the reference temperature range, the temperature of the power module reaches the target intermediate temperature TM at the n-th energization as shown in FIG. 4B. The energization time w2 is set as a new energization time, and the energization of the energization current value I1 to the power module at the energization time w2 is repeated n times.
[0061]
Although FIG. 4 illustrates the case where the reached temperature Tpn of the power module 2 after the end of the nth energization is outside the reference temperature range, the reached temperature Tpn of the power module 2 after the end of the nth energization is the reference temperature range. If it is within, the power module 2 is energized n times with the energization current value I1 energized for the same energization time w1 as before.
[0062]
In this way, when the energization is finished at the nth repetition of energization, it is determined by the comparison means provided in the control means 13 whether or not the ultimate temperature Tpn of the power module 2 is within the reference temperature range. Is controlled to energize the power module 2 with the energization current value I1 in an energization time determined in response to the determination result, and the cumulative number of energization repetitions is a predetermined number of times, for example, 1 × 10. ⁶ The process is repeated until the power module 2 is reached or until the power module 2 is damaged and cannot be energized.
[0063]
FIG. 5 is a diagram showing a thermal history of the power module 2 in the durability test cycle. A third line 33 shown in FIG. 5 shows a change with time of the forward rising voltage VF of the power module 2 measured in the test cycle. In the endurance test cycle, there is a so-called cooling process in which the temperature of the power module 2 decreases during a period in which power is not supplied after the power module 2 is energized for an energization time, for example, w1, with a current value I1.
[0064]
As described above, the temperature of the power module 2 during the cooling process is detected by the voltage detection means 9 in a state where the circuit is switched by the switching means 8a and 8b and power is supplied from the second stabilized power supply 5 with the end of the energization time. It is obtained as a forward rising voltage VF which is an output. When the forward rising voltage VF of the power module 2 rises, that is, the temperature falls, and reaches the voltage range having plus or minus (hereinafter expressed as ±) ΔVF1 with the initial voltage VF1 as the median value, switching is performed by the control means 13 The means 8a and 8b are controlled to switch from the second circuit 7 to the first circuit 6, and energization of the next test cycle is started.
[0065]
The initial voltage VF1 of the power module to be subjected to the durability test is stored in the memory 22 provided in the control means 13 as described above, and the allowable voltage range ΔVF1 is also stored in the memory 22. The forward rising voltage VF detected by the voltage detecting means 9 in the temperature lowering process of the power module 2 and the voltage range VF1 ± ΔVF1 read from the memory 22 are compared by the comparing means provided in the control means 13, and the forward rising voltage is compared. When VF reaches the voltage range VF1 ± ΔVF1, the control means 13 executes the energization start control described above in response to the comparison result.
[0066]
As described above, since the energization start temperature for the power module in the test cycle is controlled based on the initial voltage VF1, it is possible to give an accurate temperature history to the power module. In addition, since the initial voltage VF1 is provided with an allowable voltage range ΔVF1 on the plus and minus sides, the forward rising voltage VF is obtained even when the time required for the temperature drop of the power module and the arrival temperature vary. By reaching the voltage range VF1 ± ΔVF1, the energization of the next test cycle can be started, and the durability test can be continued without interruption for a long time.
[0067]
The control means 13 of the present embodiment can perform the following control in addition to the control as described above. The control means 13 is connected to the first circuit 6 that supplies power to the power module regardless of whether the switch 12 provided for each power module 2 blocks the third circuits 11a and 11b. 1 With the output current of the stabilized power supply 3 or the electronic load 4 flowing, in response to the detection output of the current detection means 21, the output of the electronic load 4 is turned off or the set current of the electronic load 4 is set via the GPIB 19. The first switch 18 is shut off via zero ampere or the I / O 20 to control the output current of the first stabilized power supply 3 to zero ampere. As a result, it is possible to suppress wasteful power consumption when none of the switches 12 provided for each power module 2 is shut off and in a state where the durability test is performed.
[0068]
Further, the control means 13 supplies the first stabilized power supply 3 to the first circuit 6 that supplies power to the power module 2 even though the switch 12 provided in the power module 2 to be subjected to the durability test is in a conductive state. Alternatively, when the output current of the electronic load 4 is not flowing, control is performed so as to skip the gate drive sequence of the power module 2 to be subjected to the durability test in response to the detection output of the current detection means 21.
[0069]
As described above, when the power module 2 to be subjected to the durability test is not set in the apparatus, or when the power module 2 set in the apparatus is damaged as a result of the durability test and cannot be energized, the test cycle is performed. It is possible to shift to the power module 2 to be subjected to the next durability test without any problem. This makes it possible to perform fail-safe without energizing the test cycle to the power module in which breakage or abnormality in energization has occurred.
[0070]
The control means 13 responds to the detection output detected by the thermocouple 14 and when the temperature of the power module 2 is equal to or higher than a predetermined limit temperature Tcr, the control means 13 turns off the output of the electronic load 4 via the GPIB 19 or the electronic load 4. Is set to zero ampere or the first switch 18 is cut off via the I / O 20 to control the output current of the first stabilized power supply 3 to be zero ampere. As a result, the durability test can be repeated accurately and accurately in a desired temperature range without damaging the power module 2 to be durability tested by exposing it to an undesired high temperature.
[0071]
The thermocouple 14 is not provided in the power module 2 itself to be subjected to the durability test, but is provided separately. Therefore, it is not sufficient in accuracy to control the temperature of the test cycle of the power module 2 using the detection output of the thermocouple 14, and when the power module 2 is excessively heated abnormally, It is provided for fail-safe to stop the power supply and protect the device.
[0072]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the number of test cycles and the energization time wt in the repeated durability test of the power module 2. As described above, the energization time wt required to reach the intermediate temperature TM, which is the target value of the temperature at which the power module 2 should be reached in the durability test, increases as the number of test cycles increases due to the change over time in the electrical characteristics of the power module 2. Shortens with. The actual result of the energization time wt is stored in the memory 22 provided in the control means 13, and the relationship between the number of test cycles and the energization time wt is read from the memory 22 and graphed, as shown by a fourth line 34 in FIG. . In FIG. 6, “◯” marks on the fourth line 34 are actual values representing the relationship between the number of test cycles and the energization time wt.
[0073]
The control means 13 of the durability test apparatus 1 is provided with a calculation means, and the actual data of the relationship between the number of test cycles read from the memory 22 and the energization time wt is calculated, for example, by extrapolating by the interpolation method, the following It is possible to predict the energization time wt required to reach the intermediate temperature TM in n test cycles. In FIG. 6, “●” marks are predicted values of the energization time wt in the next n test cycles obtained as described above.
[0074]
In the present embodiment, it is determined whether the temperature of the power module 2 is within the reference temperature range every n cycles of the test cycle. If the temperature is outside the reference temperature range, the intermediate temperature TM is determined at the nth cycle of the test cycle. The actual value of the time required to reach the value is determined as the energization time used in the next n test cycles. If the energization time thus determined matches the predicted value, the number of test cycles n Instead of the actual value of the time required to reach the intermediate temperature TM for the second time, the predicted value may be newly set as the energization time used for the next n test cycles.
[0075]
FIG. 7 is a system diagram showing a simplified configuration of a main part of the durability test apparatus 35 according to the second embodiment of the present invention. The durability test apparatus 35 according to the present embodiment is similar to the durability test apparatus 1 according to the first embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The durability test apparatus 35 includes a gate voltage detection unit 36 that detects a voltage applied to the gate of the power module 2, a heat radiating plate 37 that radiates heat generated in the power module 2, and a heat radiating plate 37 to the power module 2. And moving means 38 for moving so as to approach and separate from each other.
[0076]
The heat radiating plate 37 is a metal thin plate having high thermal conductivity such as copper or aluminum, for example, and dissipates heat conducted from the power module 2 into the atmosphere when coming into contact with the power module 2. It works to cool the temperature quickly. Further, the heat radiating plate 37 may be provided with fins for promoting heat radiation on the side opposite to the side in contact with the power module 2.
[0077]
The moving means 38 drives, for example, a rod 40 having the heat radiating plate 37 attached to one end thereof in a direction indicated by an arrow 41 by a cylinder 39 such as a hydraulic pressure so that the heat radiating plate 37 is brought into contact with the power module 2 and separated. Let
[0078]
The control means 13 controls the operation of the moving means 38 in response to the detection output of the gate voltage detection means 36, and the heat radiating plate 37 while the voltage is applied from the third stabilized power supply 10 to the gate of the power module 2. Is brought into contact with the power module 2, and the heat radiating plate 37 is separated from the power module 2 in a state where no voltage is applied from the third stabilized power supply 10 to the gate of the power module 2.
[0079]
Accordingly, in the cooling process in which the power module 2 is not energized, the cooling rate of the power module 2 can be increased by bringing the heat radiating plate 37 into contact with the power module 2 to promote heat transfer loss. Therefore, since the time required for the cooling process in the test cycle can be shortened, the time required for the durability test of the power module 2 can be shortened.
[0080]
As described above, in the present embodiment, the power module 2 is an FET module, but is not limited thereto, and may be another module such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module.
[0081]
【The invention's effect】
According to the present invention, the temperature of the power module can be obtained from the forward rising voltage VF of the power module, and the control is performed in response to the detection output of the voltage detecting means for detecting the forward rising voltage VF, that is, the temperature of the power module. Since the means controls the energization time during which power is supplied to the power module, even in a power module without a temperature sensor, the test temperature of the power module can be accurately controlled without using a separate power module temperature detection means. Performance can be accurately evaluated.
[0082]
Further, according to the present invention, it is possible to repeatedly test a plurality of power modules having the same specifications on the same occasion under different conditions, and to change the power modules having different specifications from one another suitable for each power module. Depending on the test conditions, the endurance test can be repeated on the same occasion.
[0083]
Further, according to the present invention, since the result of the durability test can be stored in the memory, the energization time to be applied to the power module next time is predicted by, for example, extrapolation using the test condition result read from the memory. In addition, by reading and comparing test conditions and test results for power modules of the same specification, it is possible to easily detect abnormalities in the test results.
[0084]
Further, according to the present invention, when none of the switches provided for each power module shuts off the circuit and is in a state of performing an endurance test, the control means turns off the output of the electronic load or sets the current of the electronic load. Is controlled so that the output current of the first stabilized power supply becomes zero ampere, and wasteful power consumption can be suppressed.
[0085]
Further, according to the present invention, when a power module to be subjected to an endurance test is not set in the apparatus, or when the power module set in the apparatus is damaged as a result of the endurance test and cannot be energized, a test cycle is performed. Since it is possible to shift to the power module to be subjected to the next endurance test without performing it, it is possible to perform fail-safe without unnecessarily energizing the test cycle.
[0086]
Further, according to the present invention, it is possible to repeat a durability test with high accuracy in a desired temperature range without damaging the power module to be subjected to a durability test by exposing it to an undesired high temperature.
[0087]
Further, according to the present invention, the control means can increase the cooling rate of the power module by promoting the heat transfer loss by bringing the heat sink into contact with the power module in the cooling process in which the power module is not energized. Therefore, it is possible to shorten the time of the cooling process in the test cycle and shorten the time required for the durability test.
[0088]
In addition, according to the present invention, the temperature of the power module is detected every nth test cycle, and the energization time for the power module is set so that the temperature rise temperature of the power module is within a predetermined reference temperature range in each test cycle. Therefore, it is possible to give a heat history with high accuracy to the power module to be tested, and the durability performance can be evaluated with high accuracy.
[0089]
According to the present invention, the temperature of the power module can be detected by measuring the forward rising voltage of the power module in the repeated endurance test without providing a separate temperature detecting means for the power module.
[0090]
Further, according to the present invention, the power module forward rising voltage VF and the initial voltage VF1 are compared in the temperature lowering process of the power module in each test cycle, and when the forward rising voltage VF becomes equal to the initial voltage VF1, Since energization of the energization current value I1 is started, it becomes possible to give a temperature history with high accuracy to the power module.
[0091]
Further, according to the present invention, the initial voltage VF1 is provided with the allowable voltage range ΔVF1 on the positive and negative sides, so that even if the time required for the temperature drop of the power module and the temperature reached vary, the initial voltage VF1 is allowable. By reaching the voltage range ΔVF1, energization of the next test cycle is started, and the durability test is continued without being interrupted for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an electrical configuration of a power module repeated durability test apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
2 is a system diagram showing the overall configuration of the power module repeated durability test apparatus 1 shown in FIG. 1 in a simplified manner.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a forward rising voltage VF of the power module 2 and temperature.
FIG. 4 is a diagram showing an outline of a method for repeatedly testing a power module.
FIG. 5 is a diagram showing a thermal history of the power module 2 in an endurance test cycle.
6 is a diagram showing the relationship between the number of test cycles and the energization time wt in a repeated durability test of the power module 2. FIG.
FIG. 7 is a system diagram showing a simplified configuration of a main part of an endurance test apparatus 35 according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,35 Endurance test equipment
2 Power module
3 First stabilized power supply
4 Electronic load
5 Second regulated power supply
8a, 8b switching means
9 Voltage detection means
10 Third regulated power supply
12 Switch
13 Control means

Claims

In a repeated durability test device that performs a durability test on a plurality of power modules connected in parallel,
A first stabilized power supply for supplying power to the power module;
An electronic load connected to the first stabilized power supply and configured to variably set the power supplied from the first stabilized power supply to the power module;
A second regulated power supply for supplying power to the power module to measure the forward rising voltage VF of the power module;
Switching means for switching between one of supply of power from the first stabilized power supply to the power module and supply of power from the second stabilized power supply to the power module;
Voltage detecting means for detecting a forward rising voltage VF of the power module in a state where power is supplied from the second stabilized power supply by the switching means;
A third stabilized power supply for applying a voltage to the gate of the power module;
A switch that is provided for each power module and that conducts / cuts off power to the power module;
And a control means for controlling an energization time during which power is supplied from the first stabilized power source to the power module in response to the detection output of the voltage detection means.

The control means includes
Energization time during which power is supplied from the first stabilized power supply to the power module;
The power supplied from the first stabilized power source set by the electronic load to the power module,
2. The power module repeated durability test apparatus according to claim 1, wherein the power module is configured to be controlled for each power module to be subjected to a durability test.

The control means includes a memory,
The repeated durability test apparatus for a power module according to claim 1 or 2, wherein a record of the energization time energized for each power module and the set value by the electronic load is stored in the memory.

The circuit for supplying power from the first stabilized power supply to the power module is provided with current detection means for detecting current,
The control means includes
In the state where the switch provided for each power module is cut off and the current of the first stabilized power supply or electronic load is output,
The electronic load output is controlled to be OFF, the set current of the electronic load is set to zero ampere, or the output current of the first stabilized power supply is set to zero ampere in response to the detection output of the current detection means. The repeated durability test apparatus of the power module in any one of 1-3.

The control means includes
In a state where the switch provided in the power module to be subjected to the durability test is conducted and the current of the first stabilized power supply or the electronic load is not output,
5. The power module repeated durability test apparatus according to claim 4, wherein control is performed so as to skip the gate drive sequence of the power module to be subjected to the durability test in response to the detection output of the current detection means.

In the power module, a temperature detection unit is provided for each power module, and the temperature of the power module is equal to or higher than a predetermined limit temperature Tcr,
The control means includes
2. The electronic load is controlled to be OFF, the set current of the electronic load is set to zero ampere, or the output current of the first stabilized power supply is set to zero ampere in response to the output of the temperature detecting means. A repeated durability test apparatus for a power module according to any one of?

Gate voltage detection means for detecting a voltage applied to the gate of the power module;
A heat sink that dissipates heat generated in the power module;
And a moving means for moving the heat sink so as to move closer to and away from the power module,
The control means includes
In response to the detection output of the gate voltage detection means, the heat sink comes into contact with the power module in a state where voltage is applied from the third stabilized power supply to the gate of the power module, and from the third stabilized power supply to the power module gate. The repeated durability test apparatus for a power module according to any one of claims 1 to 6, wherein the moving means is controlled so that the heat radiating plate is separated from the power module in a state where no voltage is applied.

The energizing current value I1 for energizing the power module to be subjected to the durability test is determined,
The energization time w1 for energizing the power module with the energization current value I1 is determined,
Energizing the power module with the energization current value I1 energizing time w1 n times,
When energization is terminated at the nth energization cycle, the temperature of the power module falls within a reference temperature range (TL or more, TH or less) set by an upper limit temperature TH and a lower limit temperature TL, which are predetermined temperatures, respectively. Determine if there is,
When it is within the reference temperature range, energizing the power module with the energization current value I1 for the energization time w1 is repeated n times,
When the temperature is outside the reference temperature range, an energization time w2 for the temperature of the power module to reach a predetermined temperature TM in the middle of the lower limit temperature TL or the lower limit temperature TL and the upper limit temperature TH at the n-th energization is determined, Energizing the power module with the energization current value I1 for the energization time w2 is repeated n times,
Every nth energization cycle, it is determined whether the temperature of the power module at the end of energization is within the reference temperature range, and the power module is energized for an energization time determined in response to the determination result. Repeating the energization of the current value I1 until the accumulated number of repetitions of energization reaches a predetermined number or until the power module is damaged and cannot be energized. Test method.

The temperature of the power module is
An application time t for applying a voltage to the power module and a measurement point number m for measuring the forward rising voltage VF of the power module are determined in advance.
Measure the forward rising initial voltage VF1 at the start of application to the power module,
Obtain the temperature of the power module corresponding to the initial voltage VF1,
Repetitive application time obtained by dividing the application time t by the number of measurement points: t / m is applied to measure the forward rising voltage VF,
When the forward rising voltage VF of the power module returns to the initial voltage VF1, the forward rising voltage VF is measured after applying the application time: 2 × t / m, and the forward rising voltage VF of the power module is further measured. When the voltage returns to the initial voltage VF1, the operation of applying the voltage and measuring the forward rising voltage VF is repeated until the application time: m × t / m is applied.
The voltage difference ΔVF (= VF−VF1) between the forward rising voltage VF and the initial voltage VF1 at each measurement point, the temperature of the power module corresponding to the initial voltage VF1, and the temperature relative to the forward rising voltage VF unique to the power module. 9. The repeated durability test method for a power module according to claim 8, wherein the temperature is obtained based on a characteristic of the gradient.

The forward rising initial voltage VF1 of the power module to be subjected to the durability test is stored in the memory,
Measure the forward rising voltage VF of the power module with the energization current value I1 being not energized to the power module,
Comparing the measured forward rising voltage VF with the initial voltage VF1 read from the memory;
10. The power module durability test method according to claim 9, wherein when the forward rising voltage VF of the power module becomes equal to the initial voltage VF1, energization with an energization current value I1 is started.

The forward rising initial voltage VF1 at which energization of the energization current value I1 to the power module is to be started is
11. The method of repeatedly testing a power module according to claim 10, wherein an allowable voltage range [Delta] VF1 is provided on the plus and minus sides.