JP6430295B2 - インテリジェントパワーモジュールの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体チップを有するインテリジェントパワーモジュールの評価方法に関する。

従来、インテリジェントパワーモジュール（IPM：Intelligent Power Module）は、電力制御を行う電力用半導体チップと、電力用半導体チップを駆動する駆動回路と、電力用半導体チップにおける過電流または過熱を保護する機能を有する保護回路とを備えている。しかし、従来のインテリジェントパワーモジュールでは、ユーザーがインテリジェントパワーモジュールを使用する際の環境の変化、またはモジュール寿命の変化を検知することができない。従って、従来のインテリジェントパワーモジュールは、インテリジェントパワーモジュールの使用環境が悪化した場合、またはインテリジェントパワーモジュールの寿命（以下、モジュール寿命という）が進行した場合において、保護回路による保護機能が動作するか、またはインテリジェントパワーモジュールに不具合が生じて動作しなくなるまでユーザーによって継続的に使用される。

ここで、インテリジェントパワーモジュールの使用環境が悪化する場合としては、例えば、放熱グリースのポンピングアウトによって、インテリジェントパワーモジュールとヒートシンクとの間における熱抵抗が悪化する場合が挙げられる。また、モジュール寿命が進行する場合としては、例えば、サーマルサイクル寿命が進行する場合が挙げられ、当該サーマルサイクル寿命が進行すると電力用半導体チップとケースとの間における熱抵抗が悪化する。ここで、ケースとは、インテリジェントパワーモジュールを内包する外囲器のことをいう。

このような熱抵抗の悪化は、インテリジェントパワーモジュールの温度上昇を引き起こし、当該温度上昇が要因となってインテリジェントパワーモジュールに不具合が生じて動作しなくなる場合がある。インテリジェントパワーモジュールが動作しなくなると、当該インテリジェントパワーモジュール単体だけでなく、当該インテリジェントパワーモジュールを使用するユーザー側のシステムにも影響を与えることが多い。従って、ユーザーがインテリジェントパワーモジュールを使用する際の環境の変化、またはモジュール寿命を把握して適切な時期にメンテナンスを施す必要がある。

従来、インテリジェントパワーモジュールの性能を管理する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、電力半導体チップの温度が予め定められた温度を超えた回数を数え、当該回数に応じて電力半導体チップの状態をユーザーに知らせている。

特開２００３−９２８７１号公報

従来のインテリジェントパワーモジュールは、電力用半導体チップの温度（チップ温度）、またはケースの温度（ケース温度）に基づいて、電力用半導体チップを過熱から保護する保護機能を有している。しかし、当該保護機能は、チップ温度またはケース温度が予め定められた閾値を超えるまでは動作せず、電力用半導体チップの特性または使用環境が悪化した（変化した）ことを検知することができない。また、特許文献１でも、電力用半導体チップの特性または使用環境がどれくらい変化したのかを検知することができない。

従来、ヒートシンクの温度（ヒートシンク温度）に基づいて電力用半導体チップを保護する機能を有するインテリジェントパワーモジュールがある。しかし、この場合、インテリジェントパワーモジュールの周囲温度の上昇、またはインテリジェントパワーモジュールの損失の増加等を検知することはできるが、チップ温度はインテリジェントパワーモジュール内でしか検知できないため、電力用半導体チップとヒートシンクとの間における放熱状況の変化を検知することができない。

従来、複数のインテリジェントパワーモジュールに対して共通の閾値を用いているため、各インテリジェントパワーモジュールまたは当該各インテリジェントパワーモジュールを備える装置の特性のバラツキを考慮していない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電力用半導体チップの特性の変化を検知することが可能なインテリジェントパワーモジュールの評価方法を提供することを目的とする。

本発明によるインテリジェントパワーモジュールの評価方法は、電力用半導体チップを有するインテリジェントパワーモジュールの評価方法であって、（ａ）電力用半導体チップの温度であるチップ温度を検出する工程と、（ｂ）インテリジェントパワーモジュールを内包するケースの温度であるケース温度を検出する工程と、（ｃ）工程（ａ）で検出されたチップ温度と、工程（ｂ）で検出されたケース温度とを記録する工程とを備え、工程（ｃ）は、電力用半導体チップが駆動する第１のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度と、第１のタイミング後であって電力用半導体チップが駆動する第２のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度とを記録し、（ｄ）第１のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度と、第２のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度とを比較し、当該比較結果に基づいてインテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定する工程をさらに備え、工程（ｃ）は、第１のタイミングより前であって電力用半導体チップが駆動していない第３のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度と、第２のタイミングより前かつ第１のタイミングより後であって電力用半導体チップが駆動していない第４のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度とをさらに記録し、工程（ｄ）は、第３のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度と、第４のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度とを比較し、当該比較に基づいてチップ温度およびケース温度が変化しているか否かを判定し、工程（ｄ）は、第１のタイミングで記録されたチップ温度から第２のタイミングで記録されたチップ温度までの変動と、第１のタイミングで記録されたケース温度から第２のタイミングで記録されたケース温度までの変動とを比較し、当該比較結果に基づいてインテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定することを特徴とする。

本発明によると、インテリジェントパワーモジュールの評価方法は、電力用半導体チップを有するインテリジェントパワーモジュールの評価方法であって、（ａ）電力用半導体チップの温度であるチップ温度を検出する工程と、（ｂ）インテリジェントパワーモジュールを内包するケースの温度であるケース温度を検出する工程と、（ｃ）工程（ａ）で検出されたチップ温度と、工程（ｂ）で検出されたケース温度とを記録する工程とを備え、工程（ｃ）は、電力用半導体チップが駆動する第１のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度と、第１のタイミング後であって電力用半導体チップが駆動する第２のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度とを記録し、（ｄ）第１のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度と、第２のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度とを比較し、当該比較結果に基づいてインテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定する工程をさらに備え、工程（ｃ）は、第１のタイミングより前であって電力用半導体チップが駆動していない第３のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度と、第２のタイミングより前かつ第１のタイミングより後であって電力用半導体チップが駆動していない第４のタイミングにおけるチップ温度およびケース温度とをさらに記録し、工程（ｄ）は、第３のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度と、第４のタイミングで記録されたチップ温度およびケース温度とを比較し、当該比較に基づいてチップ温度およびケース温度が変化しているか否かを判定し、工程（ｄ）は、第１のタイミングで記録されたチップ温度から第２のタイミングで記録されたチップ温度までの変動と、第１のタイミングで記録されたケース温度から第２のタイミングで記録されたケース温度までの変動とを比較し、当該比較結果に基づいてインテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定するため、電力用半導体チップの特性の変化を検知することが可能となる。

本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュールの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュールの評価を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュールの構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるモードの判定の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２によるケース温度をメモリ回路に記録するタイミングを説明するための図である。 本発明の実施の形態２によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２によるケース温度をメモリ回路に記録するタイミングを説明するための図である。 本発明の実施の形態３によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４によるケース温度をメモリ回路に記録するタイミングを説明するための図である。 本発明の実施の形態５によるインテリジェントパワーモジュールの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による駆動信号生成回路の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態６によるインテリジェントパワーモジュールの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態７によるインテリジェントパワーモジュールの評価を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態７による外部にアラームを出力する構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態８によるインテリジェントパワーモジュールの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態８によるインテリジェントパワーモジュールの構成の他の一例を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュール１の構成の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態１によるインテリジェントパワーモジュール１は、制御部２およびパワー部３から構成される。制御部２は、駆動回路４（駆動部）と、保護・エラー出力回路５と、メモリ回路６（メモリ部）と、電流検出回路７と、チップ温度検出回路８（チップ温度検出部）と、ケース温度検出回路９（ケース温度検出部）とを備えている。パワー部３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップ１０と、ＦＷＤｉ（Free Wheeling Diode）チップ１１と、チップ温度センス１２と、ケース温度センス１３とを備えている。

駆動回路４は、電力用半導体チップであるＩＧＢＴチップ１０を駆動する。具体的には、駆動回路４は、外部から入力された駆動信号Ｉｎに基づいてＩＧＢＴチップ１０を駆動する。また、駆動回路４は、保護・エラー出力回路５からエラー遮断信号が入力されると、ＩＧＢＴチップ１０の駆動を停止する。

保護・エラー出力回路５は、ＩＧＢＴチップ１０を保護し、エラー時にはエラー出力Ｆｏを外部に出力する。具体的には、保護・エラー出力回路５は、電流検出回路７から入力されたＩＧＢＴチップ１０のコレクタ電流Ｉｃの値（以下、単にコレクタ電流Ｉｃという）が予め定められた設定電流以上になると、駆動回路４にＩＧＢＴチップ１０の駆動を停止させるためのエラー遮断信号を出力し、外部にエラー出力Ｆｏを出力する。すなわち、保護・エラー出力回路５は、電流検出回路７から入力されたコレクタ電流Ｉｃに基づいて、ＩＧＢＴチップ１０を過電流（OC：Over Current）および短絡（SC：Short Current）から保護し、外部にエラー出力する機能を有している。

また、保護・エラー出力回路５は、チップ温度検出回路８から入力されたＩＧＢＴチップ１０のチップ温度Ｔｊが予め定められた設定温度以上になると、駆動回路４にＩＧＢＴチップ１０の駆動を停止させるためのエラー遮断信号を出力し、外部にエラー出力Ｆｏを出力する。すなわち、保護・エラー出力回路５は、チップ温度検出回路８から入力されたチップ温度Ｔｊに基づいて、ＩＧＢＴチップ１０を過熱（OT：Over Temperature）から保護し、外部にエラー出力する機能を有している。

また、保護・エラー出力回路５は、ケース温度検出回路９から入力されたケースのケース温度Ｔｃが予め定められた設定温度以上になると、駆動回路４にＩＧＢＴチップ１０の駆動を停止させるためのエラー遮断信号を出力し、外部にエラー出力Ｆｏを出力する。すなわち、保護・エラー出力回路５は、ケース温度検出回路９から入力されたケース温度Ｔｃに基づいて、ＩＧＢＴチップ１０を過熱（OT）から保護し、外部にエラー出力する機能を有している。

メモリ回路６は、チップ温度検出回路８で検出されたチップ温度Ｔｊと、ケース温度検出回路９で検出されたケース温度Ｔｃとを記録する。メモリ回路６に記録されたチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃは、外部に出力可能である。

電流検出回路７は、ＩＧＢＴチップ１０のコレクタ電流Ｉｃを検出する。チップ温度検出回路８は、チップ温度センス１２から入力された温度情報に基づいて、ＩＧＢＴチップ１０の温度であるチップ温度Ｔｊを検出する。ケース温度検出回路９は、ケース温度センス１３から入力された温度情報に基づいて、ケースの温度であるケース温度Ｔｃを検出する。

チップ温度センス１２は、ＩＧＢＴチップ１０内に設けられており、ＩＧＢＴチップ１０の温度を測定する。ケース温度センス１３は、ケースの温度を測定する。

図２は、インテリジェントパワーモジュール１の評価を説明するためのフローチャートである。図２において、ユーザー側工程とは、ユーザーがインテリジェントパワーモジュール１を使用して任意の装置を組み立てて出荷するまでの工程のことをいう。また、市場運転とは、ユーザーが出荷したインテリジェントパワーモジュール１を備える装置が市場で運転されている状態のことをいう。

ステップＳ１０１において、ユーザーは、インテリジェントパワーモジュール１を使用して、例えば図３に示すような装置を組み立てる。図３に示す「モジュール」は、インテリジェントパワーモジュール１に対応している。具体的には、ケース１７上の任意の箇所に絶縁基板１９がはんだ１８を介して設けられ、絶縁基板１９上の任意の箇所にＩＧＢＴチップ１０とケース温度センス１３とがはんだ１９を介して各々設けられている。また、図３に示す「ユーザー側装置」は、ユーザーが準備する装置（ここでは、ヒートシンク１５）である。図３の例では、ユーザーは、ヒートシンク１５上にグリース１６を介してインテリジェントパワーモジュール１を配置して（組み立てて）いる。なお、ここでいう「ユーザー」とは、インテリジェントパワーモジュール１を使用して任意の装置を組み立てるユーザーのことをいう。図３では、ＩＧＢＴチップ１０とケース温度センス１３とは、複数の絶縁基板１９の各々に設けられている場合を示しているが、これに限るものではない。例えば、ＩＧＢＴチップ１０およびケース温度センス１３は、同一の絶縁基板１９上に設けられてもよい。以下で説明する図４〜６についても同様である。

ステップＳ１０２において、ユーザーは、組み立てた装置（ここでは、図３に示す装置）の特性を確認する。具体的には、ステップＳ１０７において、ユーザーは、予め定められた駆動条件でインテリジェントパワーモジュール１を駆動させ（第１のタイミングでインテリジェントパワーモジュール１を駆動させ）、インテリジェントパワーモジュール１の特性を確認する。このとき、チップ温度検出回路８で検出されたチップ温度Ｔｊと、ケース温度検出回路９で検出されたケース温度Ｔｃとは、初期値としてメモリ回路６に記録される。

ステップＳ１０３において、ユーザーは、ステップＳ１０２にて特性を確認した装置を市場に出荷する。ステップＳ１０４において、出荷された装置は、エンドユーザーによって使用される。なお、図２に示す「市場運転」とは、エンドユーザーが実際に装置を動作させている状態のことをいう。

ステップＳ１０５において、エンドユーザーは、装置（すなわち、インテリジェントパワーモジュール１）の特性が変動しているか否かの確認を行う。具体的には、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７における駆動条件と同一の駆動条件でインテリジェントパワーモジュール１を駆動させる（第２のタイミングでインテリジェントパワーモジュール１を駆動させる）。このとき、チップ温度検出回路８で検出されたチップ温度Ｔｊと、ケース温度検出回路９で検出されたケース温度Ｔｃとはメモリ回路６に記録される。

次いで、ステップＳ１０９において、エンドユーザーは、ステップＳ１０７にてメモリ回路６に記録したチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃと、ステップＳ１０８にてメモリ回路６に記録したチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃとをメモリ回路６から読み出す。そして、チップ温度Ｔｊの初期値からの変動と、ケース温度Ｔｃの初期値からの変動とを比較する。

次いで、ステップＳ１１０において、エンドユーザーは、ステップＳ１０９における比較結果に基づいて、インテリジェントパワーモジュール１の特性が変動しているか否かの判定を行う。インテリジェントパワーモジュール１の特性が変動していない場合は、ステップＳ１０６に移行し、エンドユーザーは市場運転を続ける。一方、インテリジェントパワーモジュール１の特性が変動している場合は、ステップＳ１１１に移行する。

例えば、図４に示すように、グリース１６がポンピングアウトすると、熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ−ｓ）が増加する。このような場合、インテリジェントパワーモジュール１の放熱環境が悪化したと判定する。

また、図５に示すように、サーマルサイクルの進行によってインテリジェントパワーモジュール１内のはんだ１８にクラックが発生すると、熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）が増加する。このような場合、インテリジェントパワーモジュール１におけるＩＧＢＴチップ１０とケースとの間における熱抵抗が悪化したと判定する。なお、はんだ２０にクラックが発生した場合も同様に判定する。

また、図６に示すように、グリース１６のポンピングアウトと、サーマルサイクルの進行によるはんだ１８のクラックとが同時に発生すると、熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ−ｓ）および熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）が増加する。なお、はんだ２０にクラックが発生した場合も同様である。

上記の判定をまとめたものを図７に示す。図５に示すように、ＩＧＢＴチップ１０とケース１７との間の熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）が増加する場合において、チップ温度Ｔｊの初期値からの変動は、ケース温度Ｔｃの初期値からの変動よりも大きくなる。一方、図４に示すように、ケース１７とヒートシンク１５との間の熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ−ｓ）が増加する場合において、チップ温度Ｔｊの初期値からの変動と、ケース温度Ｔｃの初期値からの変動とは同様となる。このように、チップ温度Ｔｊの初期値からの変動と、ケース温度Ｔｃの初期値からの変動とを比較することによって、インテリジェントパワーモジュール１のモード（状態）の判定を容易に行うことができる。

図２に戻り、ステップＳ１１１において、エンドユーザーは装置のメンテナンスを行う。具体的には、図７に示すように、ＩＧＢＴチップ１０とケースとの間における熱抵抗が悪化したと判定した場合は、例えばインテリジェントパワーモジュール１の交換を行う。また、インテリジェントパワーモジュール１の放熱環境が悪化したと判定した場合は、例えばグリース１６の塗り直し、または空冷ファン（図示せず）の交換を行う。すなわち、上記の判定を行うことによって、メンテナンスすべき箇所を容易に判断することができる。

以上のことから、本実施の形態１によれば、インテリジェントパワーモジュールの特性のバラツキの影響を受けることなく、ＩＧＢＴチップ１０の特性の変化を検知することが可能となる。従って、適切なメンテナンスを施すことができ、インテリジェントパワーモジュールを備える装置の寿命を長寿命化することができる。

＜実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態２によるインテリジェントパワーモジュール１の構成の他の一例を示すブロック図である。

図８に示すように、本実施の形態２によるインテリジェントパワーモジュール１では、メモリ回路６は、ケース温度検出回路９で検出されたケース温度Ｔｃを記録することを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

次に、インテリジェントパワーモジュール１の評価について、図２を用いて説明する。なお、以下では、本実施の形態２の特徴部分について説明する。

ステップＳ１０７において、ユーザーは、予め定められた駆動条件でインテリジェントパワーモジュール１を駆動させ（第１のタイミングでインテリジェントパワーモジュール１を駆動させ）、インテリジェントパワーモジュール１の特性を確認する。このとき、ケース温度検出回路９で検出されたケース温度Ｔｃが、初期値としてメモリ回路６に記録される。

ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７における駆動条件と同一の駆動条件でインテリジェントパワーモジュール１を駆動させる（第２のタイミングでインテリジェントパワーモジュール１を駆動させる）。このときケース温度検出回路９で検出されたケース温度Ｔｃがメモリ回路６に記録される。

ステップＳ１０９において、エンドユーザーは、ステップＳ１０７にてメモリ回路６に記録したケース温度Ｔｃと、ステップＳ１０８にてメモリ回路６に記録したケース温度Ｔｃとをメモリ回路６から読み出し、両者を比較する。

ステップＳ１１０において、エンドユーザーは、ステップＳ１０９における比較結果に基づいて、インテリジェントパワーモジュール１の特性が変動しているか否かの判定を行う。例えば、グリース１６がポンピングアウトすると、熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ−ｓ）が増加する（図４参照）。このとき、ケース温度Ｔｃは初期値から上昇しており、インテリジェントパワーモジュール１の放熱環境が悪化したと判定する。

ステップＳ１１１において、エンドユーザーは装置のメンテナンスを行う。具体的には、例えばグリース１６の塗り直し、または空冷ファン（図示せず）の交換を行う。

次に、上記のステップＳ１０７およびステップＳ１０８において、ケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録するタイミングについて説明する。

ケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する方法としては、駆動信号がＯＮになってからの予め定められた時間を設定するタイマー回路（図示せず）を備える方法がある。この場合、図９に示すように、ケース温度Ｔｃは、駆動信号がＯＮになってからタイマー回路で設定した時間の経過後にメモリ回路６に記録される。なお、図９の左側（ユーザー側工程（特性確認））は、図２のステップＳ１０７に対応している。また、図９の右側（市場運転（特定変動確認））は、図２のステップＳ１０８に対応している。

また、ケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する他の方法としては、図１０に示すように、ケース温度検出回路９で検出されたアナログ出力であるケース温度Ｔｃの最大値を検出するピークホールド回路１４（ピークホールド部）を備える方法がある。この場合、図１１に示すように、ケース温度Ｔｃは、駆動信号がＯＦＦになった時にメモリ回路６に記録される。なお、図１１の左側（ユーザー側工程（特性確認））は、図２のステップＳ１０７に対応している。また、図１１の右側（市場運転（特定変動確認））は、図２のステップＳ１０８に対応している。

以上のことから、本実施の形態２によれば、ケース温度Ｔｃの変化を検知することが可能となり、インテリジェントパワーモジュール１の放熱環境の悪化を知ることができる。従って、適切なメンテナンスを施すことができ、インテリジェントパワーモジュールを備える装置の寿命を長寿命化することができる。

＜実施の形態３＞
図１２は、本発明の実施の形態３によるインテリジェントパワーモジュール１の構成の他の一例を示すブロック図である。

図１２に示すように、本実施の形態３によるインテリジェントパワーモジュール１では、メモリ回路６は、チップ温度検出回路８で検出されたチップ温度Ｔｊを記録することを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

次に、インテリジェントパワーモジュール１の評価について、図２を用いて説明する。なお、以下では、本実施の形態３の特徴部分について説明する。

ステップＳ１０７において、ユーザーは、予め定められた駆動条件でインテリジェントパワーモジュール１を駆動させ（第１のタイミングでインテリジェントパワーモジュール１を駆動させ）、インテリジェントパワーモジュール１の特性を確認する。このとき、チップ温度検出回路８で検出されたチップ温度Ｔｊが、初期値としてメモリ回路６に記録される。

ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７における駆動条件と同一の駆動条件でインテリジェントパワーモジュール１を駆動させる（第２のタイミングでインテリジェントパワーモジュール１を駆動させる）。このときチップ温度検出回路８で検出されたチップ温度Ｔｊがメモリ回路６に記録される。

ステップＳ１０９において、エンドユーザーは、ステップＳ１０７にてメモリ回路６に記録したチップ温度Ｔｊと、ステップＳ１０８にてメモリ回路６に記録したチップ温度Ｔｊとをメモリ回路６から読み出し、両者を比較する。

ステップＳ１１０において、エンドユーザーは、ステップＳ１０９における比較結果に基づいて、インテリジェントパワーモジュール１の特性が変動しているか否かの判定を行う。例えば、グリース１６がポンピングアウトすると、熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ−ｓ）が増加する（図４参照）。また、サーマルサイクルの進行によってインテリジェントパワーモジュール１内のはんだ１８にクラックが発生すると、熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）が増加する（図５参照）。このとき、チップ温度Ｔｊは初期値から上昇しており、ＩＧＢＴチップ１０とケースとの間における熱抵抗、およびインテリジェントパワーモジュール１の放熱環境が悪化したと判定する。

ステップＳ１１１において、エンドユーザーは装置のメンテナンスを行う。具体的には、例えばインテリジェントパワーモジュール１の交換、グリース１６の塗り直し、または空冷ファン（図示せず）の交換を行う。

なお、上記のステップＳ１０７およびステップＳ１０８において、チップ温度Ｔｊをメモリ回路６に記録するタイミングについては、実施の形態２と同様、タイマー回路またはピークホールド回路を備える方法であってもよい。

以上のことから、本実施の形態３によれば、チップ温度Ｔｊの変化を検知することが可能となり、インテリジェントパワーモジュール１の放熱環境の悪化を知ることができる。従って、適切なメンテナンスを施すことができ、インテリジェントパワーモジュールを備える装置の寿命を長寿命化することができる。

＜実施の形態４＞
図２のステップＳ１０７にてチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する時と、図２のステップＳ１０８にてチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する時とにおいて、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃを検出する環境、例えばヒートシンクの温度であるヒートシンク温度Ｔｓ（例えば、図３参照）が異なる場合、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃの変化を正しく判定することができない。

本発明の実施の形態４では、図２のステップＳ１０７およびステップＳ１０８において、図１３に示すように、駆動信号がＯＮになってチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する前（第３，４のタイミング）に、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録することを特徴とする。その他の構成および動作は、実施の形態１〜３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図２のステップＳ１０９において、ステップＳ１０７およびステップＳ１０８にて記録した、駆動信号がＯＮになる前のチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃを各々比較し、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃの変化がなければヒートシンク温度Ｔｓも変化がないと判定することができる。一方、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃに変化があればヒートシンク温度Ｔｓも変化があると判定することができる。

以上のことから、本実施の形態４によれば、ヒートシンク温度Ｔｓの変化を知ることができるため、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃの変化を正しく判定することができる。

＜実施の形態５＞
図２のステップＳ１０７にてチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する時と、図２のステップＳ１０８にてチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する時とにおいて、ＩＧＢＴチップ１０を駆動する環境、例えばコレクタ電流Ｉｃおよび通電時間が異なる場合、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃの変化を正しく判定することができない。

図１４は、本発明の実施の形態５によるインテリジェントパワーモジュール１の構成の一例を示すブロック図である。

図１４に示すように、本発明の実施の形態５によるインテリジェントパワーモジュール１は、予め定められた駆動条件でＩＧＢＴチップ１０を駆動させる駆動信号を生成する駆動信号生成回路２１（駆動信号生成部）を備えることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態１（図１参照）と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図１５は、駆動信号生成回路２１の構成の一例を示す図である。

図１５に示すように、駆動信号生成回路２１は、判定回路２２（判定部）と、タイマー回路２３と、ラッチ回路２４と、ＯＮ信号生成回路２５と、分圧回路２６とを備えている。

判定回路２２は、メモリ回路６にチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃを記録するモードであるか否かの判定を行う。具体的には、判定回路２２は、外部からメモリ回路６にチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃを記録する旨の信号が入力された場合に、メモリ回路６にチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃを記録するモードであると判断する。

タイマー回路２３は、予め定められた時間後に駆動信号を生成するための準備期間を設ける。ラッチ回路２４は、予め定められた期間の通電を行う。ＯＮ信号生成回路２５は、ＯＮ信号（駆動信号）を生成する。分圧回路２６は、ゲート電圧を抵抗分圧する。

ユーザーは、母線電圧Ｖｃｃを規定電圧印加し、分圧回路２６によってゲート電圧ＶＧＥを低下させて、ＩＧＢＴチップ１０を活性領域で一定期間通電させる。これにより、一定の損失（一定のコレクタ電流Ｉｃ）を得ることができる。

以上のことから、本実施の形態５によれば、図２のステップＳ１０７およびステップＳ１０８にてチップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃをメモリ回路６に記録する時において、ＩＧＢＴチップ１０に対して一定の損失（一定のコレクタ電流Ｉｃ）で一定期間通電することができる。従って、チップ温度Ｔｊおよびケース温度Ｔｃの変化を正しく判定することができる。

なお、本実施の形態５では、駆動信号生成回路２１を実施の形態１に適用する場合について説明したが、駆動信号生成回路２１を実施の形態２（図８，１０参照）、実施の形態３（図１２参照）、または実施の形態４に適用することも可能である。

＜実施の形態６＞
ユーザーがインテリジェントパワーモジュール１を備える装置を設計する段階において、チップ温度Ｔｊを確認するためには、サーモビューアー等でチップ温度を直接測定するための特殊なサンプルを準備し、その他の周辺回路も測定用に加工する必要があり、容易に確認することができない。また、誤動作による上下短絡が発生していないか否かを確認する場合も、上下短絡時の短絡電流を全動作領域で容易に確認することができない。

図１６は、本発明の実施の形態６によるインテリジェントパワーモジュール１の構成の一例を示すブロック図である。

図１６に示すように、本実施の形態６によるインテリジェントパワーモジュール１は、ピークホールド回路１４，２７，２８を備え、ケース温度Ｔｃ、チップ温度Ｔｊ、およびコレクタ電流Ｉｃをメモリ回路６に記録することを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

ケース温度検出回路９で検出されたアナログ出力であるケース温度Ｔｃは、ピークホールド回路１４に入力され、ピークホールド回路１４で検出されたケース温度Ｔｃの最大値がメモリ回路６に記録される。チップ温度検出回路８で検出されたアナログ出力であるチップ温度Ｔｊは、ピークホールド回路２７に入力され、ピークホールド回路２７で検出されたチップ温度Ｔｊの最大値がメモリ回路６に記録される。電流検出回路７で検出されたアナログ出力であるコレクタ電流Ｉｃは、ピークホールド回路２８に入力され、ピークホールド回路２８で検出されたコレクタ電流Ｉｃの最大値がメモリ回路６に記録される。

以上のことから、本実施の形態６によれば、ユーザーは、装置の設計段階において、設計値に対する実動作による試験結果を容易に得ることができる。

＜実施の形態７＞
図１７は、本実施の形態７によるインテリジェントパワーモジュール１の評価を説明するためのフローチャートである。なお、本実施の形態７によるインテリジェントパワーモジュール１は、実施の形態６によるインテリジェントパワーモジュール１（図１６）と同様である。また、図１７のステップＳ２０１、ステップＳ２０３、ステップＳ２０４、およびステップＳ２０６は、図２のステップＳ１０１、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４、およびステップＳ１０６対応しているため、ここでは説明を省略する。

ステップＳ２０２において、ユーザーは、装置の出荷（ステップＳ２０３）を行う前に、設計上最悪の条件で装置を動作させ、その時のコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値をメモリ回路６に記録する（ステップＳ２０７）。ここで、最悪の条件とは、設計上許容可能な最大限の動作条件のことをいう。

ステップＳ２０８において、コレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値をメモリ回路６に記録する。

ステップＳ２０５において、装置の運転条件の確認（動作状態の確認）を行う。具体的には、ステップＳ２０９において、エンドユーザーは、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値と、ステップＳ２０８にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値とをメモリ回路から読み出して比較する。

ステップＳ２１０において、エンドユーザーは、ステップＳ２０９における比較結果に基づいて、ステップＳ２０８にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値が、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値を超えたか否かの判定を行う。超えていない場合は、ユーザーの設計の想定内であると判定してステップＳ２０６に移行する。一方、超えている場合は、ユーザーの設計の想定外であると判定してステップＳ２１１に移行する。なお、ステップＳ２０８にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃのうちの少なくとも１つ以上の最大値が、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値を超えたか否かの判定を行えばよい。

ステップＳ２１１において、エンドユーザーは、装置のメンテナンスまたは解析を行う。

なお、図１７のステップＳ２１０において、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値を基準値として、ステップＳ２０８にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの各々の最大値が基準値を超えている場合において、外部にアラームを出力してもよい。

図１８は、アラームを出力する場合におけるインテリジェントパワーモジュール１の構成の一部を示す図である。図１８に示すように、判定回路３２〜３４を備えることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態６によるインテリジェントパワーモジュール１（図１６）と同様である。なお、Ｄ／Ａコンバータ２９〜３１の各々は、メモリ回路６に記録されたコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃのデジタル値をアナログ値に変換する。

判定回路３２は、ステップＳ２０８にてケース温度検出回路９にて検出されたケース温度Ｔｃ（ここでは、メモリ回路６に記録していない）が、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録した基準値となるケース温度Ｔｃを超えたか否かの判定を行う。そして、ステップＳ２０８にて検出されたケース温度Ｔｃが基準値を超えた場合は、外部にアラームを出力する。

判定回路３３は、ステップＳ２０８にてチップ温度検出回路８にて検出されたチップ温度Ｔｊ（ここでは、メモリ回路６に記録していない）が、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録した基準値となるチップ温度Ｔｊを超えたか否かの判定を行う。そして、ステップＳ２０８にて検出されたチップ温度Ｔｊが基準値を超えた場合は、外部にアラームを出力する。

判定回路３４は、ステップＳ２０８にて電流検出回路７にて検出されたコレクタ電流Ｉｃ（ここでは、メモリ回路６に記録していない）が、ステップＳ２０７にてメモリ回路６に記録した基準値となるコレクタ電流Ｉｃを超えたか否かの判定を行う。そして、ステップＳ２０８にて検出されたコレクタ電流Ｉｃが基準値を超えた場合は、外部にアラームを出力する。

なお、図１８に示す構成において、判定回路３２〜３４は、ステップＳ２０８にてメモリ回路６に記録していないコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃを判定に用いたが、ステップＳ２０８にてメモリ回路６に記録したコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃを判定に用いてもよい。

以上のことから、本実施の形態７によれば、適切なメンテナンス、または装置の解析を行うことによって、インテリジェントパワーモジュール１を備える装置の初期故障率を低減し、かつ長寿命化することが可能となる。また、当該装置が設計上最悪の条件を超えた場合にアラームを出力することによって、エンドユーザーに直ちに知らせることができる。

＜実施の形態８＞
図１９は、本発明の実施の形態７によるインテリジェントパワーモジュールの構成の一例を示すブロック図である。

図１９に示すように、本実施の形態７によるインテリジェントパワーモジュール１は、駆動回路４が外部に設けられていることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態６（図１６参照）と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図１９に示すような構成とすることによって、ゲート駆動回路４、例えばゲート抵抗等をユーザーが調整することができる。

なお、図２０に示すように、インテリジェントパワーモジュール１は、保護回路を含まないエラー出力回路３５を備えるようにしてもよい。

以上のことから、本実施の形態８によれば、ユーザーが装置を出荷する前の試験において、試験時のコレクタ電流Ｉｃ、チップ温度Ｔｊ、およびケース温度Ｔｃの最大値をメモリ回路６に記録し、またはこれらの値をメモリ回路６から読み出すことができる。また、当該試験時において、試験で得られたデータに基づいて、駆動条件、またはゲート駆動回路、例えばゲート抵抗定数を調整することができる。具体的には、試験の結果、温度上昇が高い場合は、ゲート抵抗を小さくする調整が可能となる。従って、インテリジェントパワーモジュールのバラツキが装置に与える影響を小さくすることができ、装置の品質を向上させることが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ インテリジェントパワーモジュール、２ 制御部、３ パワー部、４ 駆動回路、５ 保護・エラー出力回路、６ メモリ回路、７ 電流検出回路、８ チップ温度検出回路、９ ケース温度検出回路、１０ ＩＧＢＴチップ、１１ ＦＷＤｉチップ、１２ チップ温度センス、１３ ケース温度センス、１４ ピークホールド回路、１５ ヒートシンク、１６ グリース、１７ ケース、１８ はんだ、１９ 絶縁基板、２０ はんだ、２１ 駆動信号生成回路、２２ 判定回路、２３ タイマー回路、２４ ラッチ回路、２５ ＯＮ信号生成回路、２６ 分圧回路、２７，２８ ピークホールド回路、２９，３０，３１ Ｄ／Ａコンバータ、３２，３３，３４ 判定回路、３５ エラー出力回路。

Claims (6)

1. 電力用半導体チップを有するインテリジェントパワーモジュールの評価方法であって、
   （ａ）前記電力用半導体チップの温度であるチップ温度を検出する工程と、
   （ｂ）前記インテリジェントパワーモジュールを内包するケースの温度であるケース温度を検出する工程と、
   （ｃ）前記工程（ａ）で検出された前記チップ温度と、前記工程（ｂ）で検出された前記ケース温度とを記録する工程と、
   を備え、
   前記工程（ｃ）は、前記電力用半導体チップが駆動する第１のタイミングにおける前記チップ温度および前記ケース温度と、前記第１のタイミング後であって前記電力用半導体チップが駆動する第２のタイミングにおける前記チップ温度および前記ケース温度とを記録し、
   （ｄ）前記第１のタイミングで前記記録された前記チップ温度および前記ケース温度と、前記第２のタイミングで前記記録された前記チップ温度および前記ケース温度とを比較し、当該比較結果に基づいて前記インテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定する工程をさらに備え、
   前記工程（ｃ）は、前記第１のタイミングより前であって前記電力用半導体チップが駆動していない第３のタイミングにおける前記チップ温度および前記ケース温度と、前記第２のタイミングより前かつ前記第１のタイミングより後であって前記電力用半導体チップが駆動していない第４のタイミングにおける前記チップ温度および前記ケース温度とをさらに記録し、
   前記工程（ｄ）は、前記第３のタイミングで前記記録された前記チップ温度および前記ケース温度と、前記第４のタイミングで前記記録された前記チップ温度および前記ケース温度とを比較し、当該比較に基づいて前記チップ温度および前記ケース温度が変化しているか否かを判定し、
   前記工程（ｄ）は、前記第１のタイミングで前記記録された前記チップ温度から前記第２のタイミングで前記記録された前記チップ温度までの変動と、前記第１のタイミングで前記記録された前記ケース温度から前記第２のタイミングで前記記録された前記ケース温度までの変動とを比較し、当該比較結果に基づいて前記インテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定することを特徴とする、インテリジェントパワーモジュールの評価方法。
2. 前記電力用半導体チップは、予め定められた駆動条件で駆動することを特徴とする、請求項１に記載のインテリジェントパワーモジュールの評価方法。
3. （ｅ）前記電力用半導体チップのコレクタ電流値を検出する工程をさらに備え、
   前記工程（ｃ）は、前記第１のタイミングにおいて前記工程（ｅ）で検出された前記コレクタ電流値と、前記第２のタイミングにおいて前記工程（ｅ）で検出された前記コレクタ電流値とをさらに記録し、
   （ｆ）前記第１のタイミングで前記記録された前記コレクタ電流値と、前記第２のタイミングで前記記録された前記コレクタ電流値とを比較し、当該比較結果に基づいて前記インテリジェントパワーモジュールの特性が変動しているか否かを判定する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のインテリジェントパワーモジュールの評価方法。
4. 前記工程（ｃ）は、予め定められた条件における前記チップ温度、前記ケース温度、および前記コレクタ電流値を前記第１のタイミングおよび前記第２のタイミングで記録し、
   （ｇ）前記第２のタイミングで前記記録された前記チップ温度、前記ケース温度、および前記コレクタ電流値が、前記第１のタイミングで前記記録された前記チップ温度、前記ケース温度、および前記コレクタ電流値を超えたか否かを判定する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載のインテリジェントパワーモジュールの評価方法。
5. （ｈ）前記工程（ｇ）において、前記第２のタイミングで前記記録された前記チップ温度、前記ケース温度、および前記コレクタ電流値が、前記第１のタイミングで前記記録された前記チップ温度、前記ケース温度、および前記コレクタ電流値を超えたと判定されたときに外部にアラームを出力する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載のインテリジェントパワーモジュールの評価方法。
6. （ｉ）前記第１のタイミングおよび前記第２のタイミングのそれぞれにおける前記チップ温度、前記ケース温度、および前記コレクタ電流値の最大値を検出する工程をさらに備え、
   前記工程（ｃ）は、前記工程（ｉ）で検出された前記最大値を記録することを特徴とする、請求項３から５のいずれか１項に記載のインテリジェントパワーモジュールの評価方法。

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