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JP2016116411A - Abnormality detection method for semiconductor device - Google Patents

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JP2016116411A
JP2016116411A JP2014255466A JP2014255466A JP2016116411A JP 2016116411 A JP2016116411 A JP 2016116411A JP 2014255466 A JP2014255466 A JP 2014255466A JP 2014255466 A JP2014255466 A JP 2014255466A JP 2016116411 A JP2016116411 A JP 2016116411A
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temperature
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semiconductor
control device
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JP2014255466A
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佐藤 裕一
Yuichi Sato
裕一 佐藤
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供する。【解決手段】動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子を有し、複数の半導体素子に流れる電流を合成した通電電流を出力する半導体装置の異常検出方法であって、所定の温度域にある複数の半導体素子を第1のパルスで駆動したときに検出される通電電流の、時間変化の波形である第1の波形を求め、所定の温度域にある複数の半導体素子を第2のパルスで駆動したときに検出される通電電流の、時間変化の波形である第2の波形を求め、第2の波形と第1の波形との差分を検出することにより、複数の半導体素子の一部が過熱状態にあることを検出する。【選択図】図5A method for detecting an abnormality of a semiconductor device capable of detecting that some semiconductor elements are in an overheated state is provided. An abnormality detection method for a semiconductor device, which includes a plurality of semiconductor elements having a negative temperature characteristic with a magnitude of an operating threshold voltage, and outputs an energization current obtained by combining currents flowing through the plurality of semiconductor elements. A plurality of semiconductor elements in a predetermined temperature range are obtained by obtaining a first waveform that is a time-varying waveform of an energization current detected when a plurality of semiconductor elements in a predetermined temperature range is driven with a first pulse. By calculating a second waveform that is a time-varying waveform of the energization current detected when driving with a second pulse, and detecting a difference between the second waveform and the first waveform, a plurality of It is detected that a part of the semiconductor element is in an overheated state. [Selection] Figure 5

Description

本発明は、半導体装置における発熱異常の発生を検出する方法に関する。   The present invention relates to a method for detecting the occurrence of a heat generation abnormality in a semiconductor device.

電力半導体素子は高電圧および大電流の使用環境下にさらされることから、素子を劣化および破壊から保護するために過熱状態を検出することが広く行われている。   Since power semiconductor devices are exposed to high voltage and high current usage environments, it is common to detect overheating conditions to protect the devices from degradation and destruction.

特許文献1には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)チップ上にPTC(Positive Temperature Coefficient)素子を接合して配置してIGBTチップの温度を監視することが記載されている。   Patent Document 1 describes that a temperature of an IGBT chip is monitored by bonding and arranging a PTC (Positive Temperature Coefficient) element on an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) chip.

国際公開第2006/068082号International Publication No. 2006/068082

IGBTチップのように単位セルの集合体からなる半導体領域を有する半導体装置では、半導体領域内に含まれる単位セルごとに半導体素子が形成されている。車両などに設けられるインバータにおいては大電流が流れるゆえにチップサイズの大きい素子が設けられており、放熱体への接合不均一などによりチップ内での発熱分布に偏りが生じる虞がある。いずれか一部のセルの半導体素子が過熱状態にある、部分過熱の状態になると、チップの反りなどの変形による接続箇所の信頼性低下や部分的な熱破壊による故障が生じ得る。   In a semiconductor device having a semiconductor region composed of an assembly of unit cells such as an IGBT chip, a semiconductor element is formed for each unit cell included in the semiconductor region. An inverter provided in a vehicle or the like is provided with an element having a large chip size because a large current flows, and there is a possibility that the heat generation distribution in the chip may be biased due to non-uniform joining to the heat radiating body. When the semiconductor element of any one of the cells is in an overheated state or in a partially overheated state, the reliability of the connection portion may be lowered due to deformation such as chip warping or a failure due to partial thermal destruction may occur.

しかしながら、従来の温度監視法では、セルの集合体の状態を代表するマクロな温度を知り得るだけである。したがって、チップ内で部分過熱が発生したことを検出するのは困難である。   However, the conventional temperature monitoring method can only know a macro temperature representative of the state of the cell aggregate. Therefore, it is difficult to detect the occurrence of partial overheating in the chip.

本発明は、上記課題に鑑み、一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供するものである。   In view of the above problems, the present invention provides a method for detecting an abnormality of a semiconductor device that can detect that some semiconductor elements are in an overheated state.

第1の発明は、動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子を有し、前記複数の半導体素子に流れる電流を合成した通電電流を出力する半導体装置の異常検出方法であって、所定の温度域にあり、かつ所定の時間の間、温度変化が所定の値以内に収まっている場合に、前記複数の半導体素子を放熱が過渡熱領域で収まる通電状態を生成する第1のパルスで駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第1の波形を求め、放熱が定常熱領域となる通電状態を生成する第2のパルスで前記複数の半導体素子を駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第2の波形を求め、前記第2の波形と前記第1の波形との差分を検出することにより、前記複数の半導体素子の一部が過熱状態にあることを検出する。   A first aspect of the present invention is a method for detecting an abnormality in a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements having negative temperature characteristics with a magnitude of an operating threshold voltage, and outputting an energized current obtained by synthesizing currents flowing through the plurality of semiconductor elements. When the temperature change is within a predetermined value within a predetermined temperature range and for a predetermined time, the plurality of semiconductor elements generate an energized state in which heat dissipation is within the transient heat region. A first waveform that is a time-varying waveform of the energization current detected when driven by one pulse is obtained, and the plurality of semiconductors are generated by a second pulse that generates an energization state in which heat dissipation becomes a steady heat region By obtaining a second waveform that is a time-varying waveform of the energization current that is detected when the element is driven, and detecting a difference between the second waveform and the first waveform, Some semiconductor elements are overheated To detect the Rukoto.

第1の発明によれば、所定の温度域にあり、かつ温度変化が所定の範囲に収まっている場合に、複数の半導体素子を第1の駆動方法で駆動したときの通電電流の時間変化の波形を求め、次に第2の駆動方法で求めた波形との差分を検出することにより、一部の半導体素子が過熱状態となる部分過熱の発生を検出する。動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子においては、部分過熱の発生は、通電電流の波形に第1の波形からの特有の変化を引き起こす。したがって、第2の波形と第1の波形との差分を検出すれば、波形に特有の変化が生じたか否かが分かり、部分過熱の発生を検出することができる。   According to the first invention, when the plurality of semiconductor elements are driven by the first driving method when the temperature change is within the predetermined range and the temperature change is within the predetermined range, A waveform is obtained, and then a difference from the waveform obtained by the second driving method is detected, thereby detecting occurrence of partial overheating in which some semiconductor elements are in an overheated state. In a plurality of semiconductor elements having a temperature characteristic in which the magnitude of the operation threshold voltage is negative, the occurrence of partial overheating causes a specific change in the waveform of the energization current from the first waveform. Therefore, if the difference between the second waveform and the first waveform is detected, it can be determined whether or not a change specific to the waveform has occurred, and the occurrence of partial overheating can be detected.

本発明によれば、一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the abnormality detection method of a semiconductor device which can detect that a one part semiconductor element is in an overheated state can be provided.

本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法を実行する装置を含む装置群の構成を示す回路ブロック図The circuit block diagram which shows the structure of the apparatus group containing the apparatus which performs the abnormality detection method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法による処理を説明するタイムチャート4 is a time chart for explaining processing by the abnormality detection method for a semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係り、半導体装置の異常を検出する原理を説明するグラフThe graph explaining the principle which detects abnormality of a semiconductor device concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法により求まる電流波形を説明するグラフThe graph explaining the electric current waveform calculated | required by the abnormality detection method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施形態に係る半導体装置の異常検出方法による処理を説明するフローチャート6 is a flowchart for explaining processing by a semiconductor device abnormality detection method according to an embodiment of the present invention;

以下、図1〜図5を参照しながら、実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to FIGS.

[制御装置を含む装置群の構成]
図1に、本実施形態に係る半導体装置の異常検出方法を実行する装置を含む装置群の構成を示す。当該半導体装置の異常検出方法は、半導体装置1の通電電流の時間変化の波形を求め、当該波形の特徴から、部分過熱という発熱異常を検出するものである。上記装置群は、例えば自動車などの車両に備えられ、半導体装置1、駆動装置2、電流センサ3、温度センサ4、および、制御装置5を備えている。
[Configuration of device group including control device]
FIG. 1 shows a configuration of a device group including devices that execute the abnormality detection method for a semiconductor device according to the present embodiment. The abnormality detection method for the semiconductor device is to obtain a waveform of a change in energization current of the semiconductor device 1 over time and detect a heat generation abnormality such as partial overheating from the characteristics of the waveform. The device group is provided in a vehicle such as an automobile, and includes a semiconductor device 1, a drive device 2, a current sensor 3, a temperature sensor 4, and a control device 5.

半導体装置1は、単位セルUの集合体からなる半導体領域Rを有している。単位セルUは1つの機能単位を構成するIGBT(半導体素子)1aを包含している。IGBT1aのゲート閾値電圧(動作閾値電圧)は、温度上昇に伴って低下する、いわゆる負の温度特性を有している。全ての単位セルUのIGBT1aどうしは、並列に接続されている。各IGBT1aのコレクタは互いに接続されて、当該コレクタどうしの接続点が半導体領域Rのコレクタ端子Cとして半導体装置1の外に引き出されている。各IGBT1aのエミッタは互いに接続されて、当該エミッタどうしの接続点が半導体領域Rのエミッタ端子Eとして半導体装置1の外に引き出されている。   The semiconductor device 1 has a semiconductor region R composed of an assembly of unit cells U. The unit cell U includes an IGBT (semiconductor element) 1a constituting one functional unit. The gate threshold voltage (operation threshold voltage) of the IGBT 1a has a so-called negative temperature characteristic that decreases as the temperature increases. The IGBTs 1a of all the unit cells U are connected in parallel. The collectors of the IGBTs 1 a are connected to each other, and the connection point between the collectors is drawn out of the semiconductor device 1 as the collector terminal C of the semiconductor region R. The emitters of the IGBTs 1a are connected to each other, and the connection point between the emitters is drawn out of the semiconductor device 1 as the emitter terminal E of the semiconductor region R.

また、半導体装置1は、図示しない冷却器により冷却されている。図示しない温度センサにより当該冷却器温度Tcが検出され、冷却器温度Tcの温度情報が制御装置5に入力される。また、制御装置5には、図示しない車速センサから車速Vsが入力される。   The semiconductor device 1 is cooled by a cooler (not shown). The cooler temperature Tc is detected by a temperature sensor (not shown), and temperature information of the cooler temperature Tc is input to the control device 5. In addition, the vehicle speed Vs is input to the control device 5 from a vehicle speed sensor (not shown).

駆動装置2は、各IGBT1aをパルス幅制御などによって駆動する。駆動装置2の動作は制御装置5により制御される。   The driving device 2 drives each IGBT 1a by pulse width control or the like. The operation of the driving device 2 is controlled by the control device 5.

電流センサ3は、IGBT1aの駆動時にエミッタ端子Eから流出する電流、すなわち半導体領域Rの通電電流Icを検出する。通電電流Icは、全てのIGBT1aのコレクタ電流の合成電流である。通電電流Icは、コレクタ端子Cへ流入する電流から検出されてもよい。電流センサ3による検出電流の情報は制御装置5へ入力される。   The current sensor 3 detects a current that flows out from the emitter terminal E when the IGBT 1a is driven, that is, a conduction current Ic in the semiconductor region R. The energization current Ic is a combined current of the collector currents of all the IGBTs 1a. The energization current Ic may be detected from a current flowing into the collector terminal C. Information on the current detected by the current sensor 3 is input to the control device 5.

温度センサ4は、半導体領域R中または半導体領域Rの近傍でIGBT1aの素子温度Tigbtを検出する。温度センサ4は、検出した素子温度Tigbtの情報を制御装置5へ伝達する。温度センサ4は、例えば温度検出ダイオードまたはサーミスタで構成される。   The temperature sensor 4 detects the element temperature Tigbt of the IGBT 1a in the semiconductor region R or in the vicinity of the semiconductor region R. The temperature sensor 4 transmits information on the detected element temperature Tigbt to the control device 5. The temperature sensor 4 is composed of, for example, a temperature detection diode or a thermistor.

制御装置5は、駆動装置2がIGBT1aに行う通常の駆動を制御する他、次の動作を行う。制御装置5は、電流センサ3から取得した通電電流Icの情報から、図4に示すような通電電流Icの時間変化の波形を求める。一部のIGBT1aが過熱状態にあるときには、当該波形が常温時の波形から特有の変化を生じたものとなる。したがって、この特有の変化を検出すれば、半導体領域Rが部分過熱の状態にあることが検出できる。制御装置5は、部分過熱が発生していれば、IGBT1aの制御モードを変更するとともに、ユーザに報知を行うよう制御する。   The control device 5 controls the normal drive performed by the drive device 2 on the IGBT 1a and performs the following operation. The control device 5 obtains a time-change waveform of the energization current Ic as shown in FIG. 4 from the information of the energization current Ic acquired from the current sensor 3. When some of the IGBTs 1a are in an overheated state, the waveform has a characteristic change from the waveform at normal temperature. Therefore, if this unique change is detected, it can be detected that the semiconductor region R is in a partially overheated state. If partial overheating has occurred, the control device 5 changes the control mode of the IGBT 1a and controls to notify the user.

[制御装置の処理]
次に、図2ないし図4を用いて、制御装置5による電流波形の取得処理および評価処理を説明する。半導体装置1は、車両の走行用モータに電力を供給するインバータを構成するものとする。図2は、車両の状態と制御装置5の処理との関係を示す。図2において、(A)は車両状態およびIGBT1aの制御モードを時系列にみたときの変遷を、(B)はIGBT1aの駆動信号波形を、(C)は素子温度Tigbtの変化を、(D)は車速Vsの変化を、それぞれ示す。図3は、IGBT1aのゲート電圧と通電電流Icとの関係を示す。図4は、制御装置5が、取得した通電電流Icの情報から求めた、通電電流Icの時間変化の波形を示す。
[Control device processing]
Next, current waveform acquisition processing and evaluation processing by the control device 5 will be described with reference to FIGS. The semiconductor device 1 constitutes an inverter that supplies electric power to a vehicle motor. FIG. 2 shows the relationship between the state of the vehicle and the processing of the control device 5. In FIG. 2, (A) shows the transition when the vehicle state and the control mode of the IGBT 1a are viewed in time series, (B) shows the drive signal waveform of the IGBT 1a, (C) shows the change in the element temperature Tigbt, (D). Indicates changes in the vehicle speed Vs. FIG. 3 shows the relationship between the gate voltage of the IGBT 1a and the energization current Ic. FIG. 4 shows a waveform of the change over time of the energization current Ic obtained by the control device 5 from the acquired information of the energization current Ic.

説明の便宜のために、図2の(A)では、通常モード期間F0、一旦停止期間F1、測定期間F2、出力制限モード期間F3の、4つの期間が順に続くものとする。測定期間F2の前半において通電電流Icの正常な電流波形である基準電流波形(第1の波形)を求めておき、測定期間F2の後半において新たに電流波形(第2の波形)を求めて基準電流波形と比較する。比較により波形に特有の変化が認められ、部分過熱の発生が検出されたとして、当該検出に応じた出力制限モード期間F3の車両走行が行われる。   For convenience of explanation, in FIG. 2A, it is assumed that four periods of a normal mode period F0, a temporary stop period F1, a measurement period F2, and an output limit mode period F3 are sequentially continued. A reference current waveform (first waveform), which is a normal current waveform of the energization current Ic, is obtained in the first half of the measurement period F2, and a current waveform (second waveform) is newly obtained in the second half of the measurement period F2. Compare with current waveform. As a result of the comparison, a change specific to the waveform is recognized and the occurrence of partial overheating is detected, and the vehicle travels in the output restriction mode period F3 corresponding to the detection.

図3に実線で示すように、半導体領域Rの発熱が均一な時には、IGBT1aのゲート電圧と通電電流Icとの関係は、ゲート閾値電圧Vth0の前後を滑らかに結ぶ曲線fとなる。複数のIGBT1aが駆動されて、一部のIGBT1aが過熱状態になると、当該一部のIGBT1aのゲート閾値電圧Vth1はゲート閾値電圧Vth0よりも小さくなる。したがって、過熱状態のIGBT1aは他のIGBT1aよりも低いゲート電圧でオン状態へ移行する。これにより、ゲート電圧と通電電流Icとの関係に、ゲート閾値電圧Vth1を超えた辺りで電流が増加する方向への歪みdfが現れる。   As shown by the solid line in FIG. 3, when the heat generation in the semiconductor region R is uniform, the relationship between the gate voltage of the IGBT 1a and the energization current Ic is a curve f that smoothly connects before and after the gate threshold voltage Vth0. When a plurality of IGBTs 1a are driven and a part of the IGBTs 1a is overheated, the gate threshold voltage Vth1 of the part of the IGBTs 1a becomes smaller than the gate threshold voltage Vth0. Therefore, the overheated IGBT 1a shifts to the on state with a lower gate voltage than the other IGBTs 1a. As a result, a distortion df in the direction in which the current increases around the gate threshold voltage Vth1 appears in the relationship between the gate voltage and the energization current Ic.

通常モード期間F0では、車両が走行しており、半導体装置1は温間状態にある。通常モード期間F0を継続するには素子温度Tigbtが閾値温度Tthよりも低いことを条件とする。図2の(C)に示すように、素子温度Tigbtが波形取得開始の可否を決定する基準温度T0(後述)を越える状態も存在する。また、図示しないが、温間状態では、冷却器温度Tcも当該温度域にある。このような通常モード期間F0中において、制御装置5は車速Vs、素子温度Tigbt、および冷却器温度Tcの取得を定期的に行い、その都度通電電流Icの波形情報取得に適しているか否かの判定を行う。   In the normal mode period F0, the vehicle is traveling and the semiconductor device 1 is in a warm state. In order to continue the normal mode period F0, the element temperature Tigbt is required to be lower than the threshold temperature Tth. As shown in FIG. 2C, there is a state in which the element temperature Tigbt exceeds a reference temperature T0 (described later) that determines whether waveform acquisition can be started. Although not shown, in the warm state, the cooler temperature Tc is also in the temperature range. During the normal mode period F0, the control device 5 periodically acquires the vehicle speed Vs, the element temperature Tigbt, and the cooler temperature Tc, and whether or not it is suitable for acquiring the waveform information of the energization current Ic each time. Make a decision.

一旦停止期間F1では、車両が停止しており、半導体装置1は停止状態(非通電状態)にある。図2の(C)に示すように、素子温度Tigbtは、通電されていない半導体装置1が発熱しないことにより、冷却器温度Tcに準じた温度付近で、ある程度の範囲内に安定する。通常モード期間F0より制御装置5が定期的に取得している車速Vs、素子温度Tigbt、および冷却器温度Tcが、通電電流Icの波形取得の開始に適した状態と判断されると、測定期間F2に移行する。当該波形取得の開始に適した状態とは、(i)車速Vsが0(ゼロ)であり、かつ、(ii)素子温度Tigbtおよび冷却器温度Tcが波形取得の開始を許容する上限温度である基準温度T0より低く、かつ、(iii)所定の期間における、素子温度Tigbtの変動幅ΔTigbtおよび冷却器温度Tcの変動幅ΔTcが、所定の値ΔT1より小さくなった(安定した)、と判定される状態である。通電電流Icの波形取得に適した状態と判断されない場合は、制御装置5は引き続き継続して定期的に車速Vs、素子温度Tigbt、および冷却器温度Tcの取得を行い、測定期間F2には移行しない。   Once in the stop period F1, the vehicle is stopped, and the semiconductor device 1 is in a stop state (non-energized state). As shown in FIG. 2C, the element temperature Tigbt is stabilized within a certain range in the vicinity of the temperature according to the cooler temperature Tc because the semiconductor device 1 that is not energized does not generate heat. When it is determined that the vehicle speed Vs, the element temperature Tigbt, and the cooler temperature Tc, which are regularly acquired by the control device 5 from the normal mode period F0, are suitable for starting the waveform acquisition of the energization current Ic, the measurement period Move to F2. The state suitable for the start of the waveform acquisition is (i) the vehicle speed Vs is 0 (zero), and (ii) the upper limit temperature at which the element temperature Tigbt and the cooler temperature Tc allow the start of waveform acquisition. It is determined that the variation range ΔTigbt of the element temperature Tigbt and the variation range ΔTc of the cooler temperature Tc are lower (stable) than the reference value T0 and (iii) in a predetermined period. This is a state. If it is not determined that the state is suitable for obtaining the waveform of the energization current Ic, the control device 5 continues to periodically obtain the vehicle speed Vs, the element temperature Tigbt, and the cooler temperature Tc, and shifts to the measurement period F2. do not do.

続く測定期間F2では、制御装置5は、初めに通電電流Icの基準電流波形を取得する処理を行う。当該処理では、IGBT1aの通電に伴う半導体領域Rの発熱がIGBT1aと冷却器の接合状態に依存せず均一になる、すなわち熱拡散が冷却器まで到達しない、放熱の過渡熱領域を生成する。制御装置5は、IGBT1aに、放熱が過渡熱領域で収まるような通電状態を生成するように長さが設定された規定パルス(第1のパルス)M1を、規定回数だけ印加する。制御装置5は、規定パルスM1の印加の都度、通電電流Icの波形情報を取得する(基準電流波形)。規定パルスM1の印加終了から規定の時間が経過すると、制御装置5は、IGBT1aに規定パルス(第2のパルス)M2を規定回数だけ印加する。規定パルスM2の長さは、IGBT1aの通電に伴う半導体領域Rの発熱に対して、発生した熱が冷却器まで充分到達し、かつ、IGBT1aと冷却器との接合状態によっては部分的に冷却が不足するように、すなわち部分過熱が発生し得るように設定される。当該長さの規定パルスM2の印加により、放熱がいわゆる定常熱領域となる通電状態が生成される。制御装置5は、規定パルスM2の印加の都度、通電電流Ic(発熱時電流波形)の波形情報を取得する。このとき、図4に一点鎖線で示すように、波形gに歪みdgが生じている期間taがあれば、部分過熱が発生していることが分かる。歪みdgは、電流値が増加する向きに歪んだ部分として生じる。制御装置5は、先に取得した基準電流波形を基準にして、歪みdgの大きさを判定する。歪みdgの大きさは、歪みdgの波形と期間taの基準電流波形との差分ΔIとして算出される。差分ΔIの規定方法は任意でよく、例えば期間taにおける両波形間の最大の電流値差とする。制御装置5は、差分ΔIが閾値を超えていれば、半導体領域Rに部分過熱が発生したと判定する。   In the subsequent measurement period F2, the control device 5 first performs a process of acquiring a reference current waveform of the energization current Ic. In this process, the heat generation in the semiconductor region R due to the energization of the IGBT 1a becomes uniform without depending on the bonding state between the IGBT 1a and the cooler, that is, a heat dissipation transient heat region is generated in which thermal diffusion does not reach the cooler. The control device 5 applies, to the IGBT 1a, a specified pulse (first pulse) M1 whose length is set so as to generate an energized state in which heat dissipation is confined in the transient heat region, a specified number of times. The control device 5 acquires the waveform information of the energization current Ic every time the specified pulse M1 is applied (reference current waveform). When a prescribed time has elapsed from the end of application of the prescribed pulse M1, the control device 5 applies the prescribed pulse (second pulse) M2 to the IGBT 1a a prescribed number of times. The length of the specified pulse M2 is that the generated heat reaches the cooler sufficiently with respect to the heat generation of the semiconductor region R due to the energization of the IGBT 1a, and the cooling is partially depending on the joining state between the IGBT 1a and the cooler. It is set so as to be insufficient, that is, partial overheating can occur. By applying the prescribed pulse M2 having the length, an energized state in which heat dissipation becomes a so-called steady heat region is generated. The control device 5 acquires waveform information of the energization current Ic (heat generation current waveform) each time the specified pulse M2 is applied. At this time, as indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 4, if there is a period ta in which the waveform g has a distortion dg, it can be seen that partial overheating has occurred. The distortion dg occurs as a distorted portion in the direction in which the current value increases. The control device 5 determines the magnitude of the distortion dg based on the previously acquired reference current waveform. The magnitude of the distortion dg is calculated as a difference ΔI between the waveform of the distortion dg and the reference current waveform in the period ta. The method for defining the difference ΔI may be arbitrary, for example, the maximum current value difference between both waveforms in the period ta. If the difference ΔI exceeds the threshold value, the control device 5 determines that partial overheating has occurred in the semiconductor region R.

続く出力制限モード期間F3では、車両が再び走行する。制御装置5は、各IGBT1aを出力制限モードで駆動制御することにより発熱を抑制する。出力制限モードでは、例えば、素子温度Tigbtが閾値温度Tth以上となるときと同様に、負荷率を制限する制御が行われる。なお、図2の例には示されていないが、通常モード期間F0中であっても、Tigbt≧Tthになると出力制限モードへの移行が行われる。   In the subsequent output restriction mode period F3, the vehicle travels again. The control device 5 suppresses heat generation by controlling the driving of each IGBT 1a in the output restriction mode. In the output restriction mode, for example, control for restricting the load factor is performed in the same manner as when the element temperature Tigbt is equal to or higher than the threshold temperature Tth. Although not shown in the example of FIG. 2, even in the normal mode period F0, the transition to the output restriction mode is performed when Tigbt ≧ Tth.

次に、図5のフローチャートを参照して、制御装置5が実行する処理手順を説明する。当該処理手順は、制御装置5に備えられたコンピュータが記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行する、あるいは、制御装置5に作り込まれたハードウェアが必要に応じて記憶媒体との間でデータ入出力を伴いながら実行するものである。   Next, a processing procedure executed by the control device 5 will be described with reference to the flowchart of FIG. The processing procedure is such that a computer provided in the control device 5 reads out and executes a program stored in the storage medium, or hardware built in the control device 5 is connected to the storage medium as necessary. It is executed with data input / output.

図5に、制御装置5による波形取得の可否判断、基準電流波形取得、発熱時電流波形取得、部分過熱判断までの一連のフローチャートを示す。なお、以下では、車両電源がオン状態となる度に、定期的に当該処理が開始されるものとする。車両電源がオン状態になると、まずステップS101において、制御装置5は、制御を通常モードに設定し、通常モード継続およびIGBT過熱検知測定への移行についての、基本条件確認ステップであるS102へ進む。   FIG. 5 shows a series of flowcharts from determination of whether or not waveform acquisition by the control device 5 is performed, reference current waveform acquisition, exothermic current waveform acquisition, and partial overheating determination. In the following, it is assumed that the processing is periodically started every time the vehicle power source is turned on. When the vehicle power is turned on, first, in step S101, the control device 5 sets the control to the normal mode, and proceeds to S102, which is a basic condition confirmation step for shifting to the normal mode continuation and the IGBT overheat detection measurement.

次に、ステップS102では、制御装置5は、通常モード継続可否、およびIGBT過熱検知測定への移行可否の判断のため、素子温度Tigbtを閾値温度Tthと比較する。Tigbt<Tthであれば通常モード継続およびIGBT過熱検知測定への移行が可能であると判断し、ステップS103へ進む。Tigbt≧Tthであれば、ステップS112に進み本フローは終了する。   Next, in step S102, the control device 5 compares the element temperature Tigbt with the threshold temperature Tth in order to determine whether or not to continue the normal mode and whether or not to shift to the IGBT overheat detection measurement. If Tigbt <Tth, it is determined that the normal mode can be continued and the transition to the IGBT overheat detection measurement is possible, and the process proceeds to step S103. If Tigbt ≧ Tth, the process proceeds to step S112 and this flow ends.

次に、ステップS103では、制御装置5は、車速Vsが0であるか否か、すなわち車両が停止しているか否かを判定する。Vs=0であればステップS104へ進み、Vs=0でなければステップS102へ戻る。ステップS104では、制御装置5は、取得した冷却器温度Tcおよび素子温度Tigbtを、図2で説明した基準温度T0と比較する。Tc<T0であり、かつ、Tigbt<T0であれば、半導体装置1がIGBT過熱検知測定に適した温度範囲にあるので、ステップS105へ進む。Tc≧T0である、または、Tigbt≧T0であれば、IGBT過熱検知測定が不可であると判断しステップS102へ戻る。ステップS105では、制御装置5は、素子温度Tigbtおよび冷却器温度Tcを所定の時間間隔の間に複数回取得し、その変動幅ΔTigbtおよびΔTcが所定の幅ΔT1に収まっているかどうかを判定する。ΔTigbt<ΔT1であり、かつΔTc<ΔT1であれば、IGBT過熱検知測定が可能であると判断し、ステップS106へ進む。ΔTigbt≧ΔT1であり、またはΔTc≧ΔT1であれば、IGBT過熱検知測定が不可であると判断しステップS102へ戻る。   Next, in step S103, the control device 5 determines whether or not the vehicle speed Vs is 0, that is, whether or not the vehicle is stopped. If Vs = 0, the process proceeds to step S104, and if Vs = 0, the process returns to step S102. In step S104, the control device 5 compares the acquired cooler temperature Tc and element temperature Tigbt with the reference temperature T0 described in FIG. If Tc <T0 and Tigbt <T0, the semiconductor device 1 is in a temperature range suitable for the IGBT overheat detection measurement, and the process proceeds to step S105. If Tc ≧ T0 or Tigbt ≧ T0, it is determined that the IGBT overheat detection measurement is impossible, and the process returns to step S102. In step S105, the control device 5 acquires the element temperature Tigbt and the cooler temperature Tc a plurality of times during a predetermined time interval, and determines whether or not the fluctuation ranges ΔTigbt and ΔTc are within the predetermined width ΔT1. If ΔTigbt <ΔT1 and ΔTc <ΔT1, it is determined that IGBT overheat detection measurement is possible, and the process proceeds to step S106. If ΔTigbt ≧ ΔT1 or ΔTc ≧ ΔT1, it is determined that the IGBT overheat detection measurement is not possible, and the process returns to step S102.

ステップS106では、制御装置5は、各IGBT1aに規定パルスM1を印加するよう駆動装置2を制御する。続くステップS107では、制御装置5は、電流センサ3から入力される通電電流Icの情報を一定の時間間隔で取得し、通電電流Icの時間変化の波形を求める。制御装置5は、こうして基準電流波形のデータを取得し、記憶媒体に記憶する。そして、続くステップS108において、制御装置5は、各IGBT1aに規定パルスM2を印加するよう駆動装置2を制御する。続くステップS109では、制御装置5は、電流センサ1から入力される通電電流Icの情報を一定の時間間隔で取得し、通電電流Icの時間変化の波形を求める。そして、続くステップS110において、制御装置5は、取得した電流波形データを、記憶媒体から読み出した基準電流波形データと比較する。次いで、ステップS111において、制御装置5は、両波形間の差分ΔIが、閾値Ifailを超えているか否かを判定する。ΔI>IfailであればステップS112へ進み、ΔI≦IfailであればステップS102へ戻る。ΔI>Ifailであることは、図4の歪みdgが生じていることに対応している。   In step S106, the control device 5 controls the drive device 2 so as to apply the specified pulse M1 to each IGBT 1a. In subsequent step S107, the control device 5 obtains information on the energization current Ic input from the current sensor 3 at a constant time interval, and obtains a waveform of the change in energization current Ic over time. The control device 5 thus acquires the reference current waveform data and stores it in the storage medium. In subsequent step S108, the control device 5 controls the drive device 2 so as to apply the specified pulse M2 to each IGBT 1a. In subsequent step S109, the control device 5 obtains information on the energization current Ic input from the current sensor 1 at regular time intervals, and obtains a waveform of the change in energization current Ic over time. In step S110, the control device 5 compares the acquired current waveform data with the reference current waveform data read from the storage medium. Next, in step S111, the control device 5 determines whether or not the difference ΔI between both waveforms exceeds the threshold value Ifail. If ΔI> Ifail, the process proceeds to step S112, and if ΔI ≦ Ifail, the process returns to step S102. The fact that ΔI> Ifail corresponds to the occurrence of the distortion dg in FIG.

ステップS112では、制御装置5は、各IGBT1aの制御を出力制限モードに設定する。また、車内インジケータにより故障予測を示したり車両の修理入庫を促したりする制御を行うとともに、ユーザへの報知を行い、本フローは終了する。   In step S112, the control device 5 sets the control of each IGBT 1a to the output restriction mode. Moreover, while performing control which shows failure prediction with a vehicle interior indicator, or urges the vehicle to be repaired, notification to the user is performed, and this flow ends.

[実施の形態の効果等]
本実施形態によれば、基準温度T0よりも低い範囲の温度域で、温度変動が所定の幅ΔT1よりも小さいという、通電電流Icの波形取得に適した状態にある複数のIGBT1aを規定の駆動パルスで駆動して(規定パルスM1による駆動に続いて、規定パルスM2で駆動して)、各々における通電電流Icの時間変化の波形を求める。それぞれの波形を比較し、差分を検出することにより、一部のIGBT1aが過熱状態となる部分過熱の発生を検出する。IGBT1aは動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有するので、半導体領域Rにおける部分過熱の発生は、通電電流の波形に基準電流波形からの特有の変化を引き起こす。したがって、定常熱領域での電流波形と基準電流波形との差分を検出することにより、波形に特有の変化が生じたか否かが分かり、部分過熱の発生を検出することができる。以上により、一部の半導体素子が過熱状態にあることを検出し得る、半導体装置の異常検出方法を提供することができる。
[Effects of the embodiment, etc.]
According to the present embodiment, in a temperature range lower than the reference temperature T0, a plurality of IGBTs 1a in a state suitable for waveform acquisition of the energization current Ic in which the temperature variation is smaller than the predetermined width ΔT1 are regulated. Driven by a pulse (driven by the specified pulse M2 following the drive by the specified pulse M1), the waveform of the time variation of the energization current Ic in each is obtained. By comparing the respective waveforms and detecting the difference, occurrence of partial overheating in which a part of the IGBT 1a is in an overheated state is detected. Since the IGBT 1a has a temperature characteristic in which the magnitude of the operation threshold voltage is negative, the occurrence of partial overheating in the semiconductor region R causes a specific change from the reference current waveform in the waveform of the energized current. Therefore, by detecting the difference between the current waveform in the steady heat region and the reference current waveform, it can be determined whether or not a change specific to the waveform has occurred, and the occurrence of partial overheating can be detected. As described above, it is possible to provide an abnormality detection method for a semiconductor device that can detect that some semiconductor elements are in an overheated state.

本発明は、車両システムを始めとして、インバータを備えたシステム等に適用可能である。   The present invention is applicable to a system including an inverter as well as a vehicle system.

1 半導体装置
1a IGBT
2 駆動装置
3 電流センサ
4 温度センサ
5 制御装置
C コレクタ端子
E エミッタ端子
F0 通常モード期間
F1 一旦停止期間
F2 測定期間
F3 出力制限モード期間
df、dg 歪み
g 波形
ΔI 差分
Ifail 閾値
M1、M2 規定パルス
R 半導体領域
ΔT1 所定の値
Tigbt 素子温度
T0 基準温度
Tth 閾値温度
Tc 冷却器温度
ta 期間
U 単位セル
Vs 車速
Vth0、Vth1 ゲート閾値電圧
1 Semiconductor Device 1a IGBT
2 Drive device 3 Current sensor 4 Temperature sensor 5 Control device C Collector terminal E Emitter terminal F0 Normal mode period F1 Temporary stop period F2 Measurement period F3 Output limit mode period df, dg Distortion g Waveform ΔI Difference Ifail Threshold M1, M2 Specified pulse R Semiconductor region ΔT1 Predetermined value Tigbt Element temperature T0 Reference temperature Tth Threshold temperature Tc Cooler temperature ta Period U Unit cell Vs Vehicle speed Vth0, Vth1 Gate threshold voltage

Claims (1)

動作閾値電圧の大きさが負の温度特性を有する複数の半導体素子を有し、前記複数の半導体素子に流れる電流を合成した通電電流を出力する半導体装置の異常検出方法であって、
所定の温度域にあり、かつ所定の時間の間、温度変化が所定の値以内に収まっている場合に、前記複数の半導体素子を放熱が過渡熱領域で収まる通電状態を生成する第1のパルスで駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第1の波形を求め、
放熱が定常熱領域となる通電状態を生成する第2のパルスで前記複数の半導体素子を駆動したときに検出される前記通電電流の、時間変化の波形である第2の波形を求め、
前記第2の波形と前記第1の波形との差分を検出することにより、前記複数の半導体素子の一部が過熱状態にあることを検出することを特徴とする、半導体装置の異常検出方法。
A method for detecting an abnormality in a semiconductor device, which includes a plurality of semiconductor elements having negative temperature characteristics with a magnitude of an operating threshold voltage, and outputs an energized current obtained by combining currents flowing through the plurality of semiconductor elements,
A first pulse that generates an energized state in which the heat dissipation of the plurality of semiconductor elements is within a transient heat region when the temperature change is within a predetermined value within a predetermined temperature range and for a predetermined time. Obtaining a first waveform which is a waveform of time change of the energized current detected when driven by
Obtaining a second waveform that is a time-varying waveform of the energization current detected when the plurality of semiconductor elements are driven with a second pulse that generates an energization state in which heat dissipation becomes a steady heat region;
A method for detecting an abnormality of a semiconductor device, comprising: detecting a difference between the second waveform and the first waveform to detect that a part of the plurality of semiconductor elements is in an overheated state.
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