寿命推定电路及使用了该寿命推定电路的半导体装置的制作方法

本发明涉及一种寿命推定电路及使用了该寿命推定电路的半导体装置，特别涉及一种对功率元件的寿命进行推定的寿命推定电路和使用了该寿命推定电路的半导体装置。

背景技术：

功率元件随着通电电流的增减而反复发生显著的温度变动。随着该温度变动，将功率元件和电极连接的导线的接合逐渐地劣化，最终会断裂，功率元件到达寿命。由于显著的温度变动，对连接各部分的焊料施加应力，发生裂纹、剥离，功率元件的散热性变差，有时甚至导致热破坏。

但是，功率元件的应用产品涉及领域较广，使用环境也多种多样，因此寿命推定非常困难。因此，存在使用中的功率元件到达寿命而导致用户侧系统异常停止这样的问题。在用户侧无功率元件的库存的情况下，需要停止系统直至购入功率元件而进行更换，对用户产生巨大的损害。

另一方面，即使功率元件正常地进行动作，有的用户也会在使用期间达到了固定时间的时刻，将功率元件更换为新品，事先避免系统的异常故障。在该情况下，未到达寿命的功率元件会被废弃，导致用户侧系统的成本高。

作为对策，在日本特开2015-56415号公报(专利文献1)中公开了一种寿命推定电路，其对功率元件的温度进行检测，对该温度超过阈值温度(例如50℃)的次数进行计数，在该计数值达到阈值的情况下，输出对功率元件的寿命已至这一点作出警告的寿命警报信号。

在专利文献1中，例如功率元件的温度以25℃→75℃→60℃→85℃进行变化的情况下，由于超过阈值温度(例如50℃)的次数仅为1次，因此关系到寿命的温度变化被判断为1次。

但是，实际上，在从75℃变化至60℃的情况下，发生了-15℃的温度变化，在从60℃变化至85℃的情况下，发生了+25℃的温度变化，对功率元件施加了大的热应力(stress)。因此，在专利文献1中，施加于功率元件的热应力被过度地低估，未能准确地推定功率元件的寿命。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的在于提供一种能够准确地推定功率元件的寿命的寿命推定电路、和使用了该寿命推定电路的半导体装置。

本发明涉及的寿命推定电路对功率元件的寿命进行推定，该寿命推定电路具有：温度检测器，其对功率元件的温度进行检测；拐点检测部，其基于温度检测器的检测结果，对功率元件的温度变化的拐点进行检测；运算部，其求出由拐点检测部本次检测出的拐点处的功率元件的温度与前次检测出的拐点处的功率元件的温度之差的绝对值；计数电路，其对第1温度变化的次数进行计数，该第1温度变化是指由运算部求出的温度差的绝对值达到第1阈值温度；以及信号发生部，其基于计数电路的计数值，输出与功率元件的寿命相关的信号。

在本发明涉及的寿命推定电路中，对功率元件的温度变化的拐点进行检测，求出本次检测出的拐点处的功率元件的温度与前次检测出的拐点处的功率元件的温度之差的绝对值，对该绝对值达到第1阈值温度的第1温度变化的次数进行计数，基于该计数值，输出与功率元件的寿命相关的信号。因此，能够准确地对施加于功率元件的热应力进行检测，能够准确地推定功率元件的寿命。

通过与附图相关联地进行理解的、与本发明相关的下面的详细说明，本发明的上述及其他目的、特征、方案以及优点会变得更加明了。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1涉及的功率模块的结构的框图。

图2是表示本发明的实施方式2涉及的功率模块的结构的框图。

图3A及图3B是用于对图2所示的功率模块的动作进行说明的时序图。

图4是表示本发明的实施方式3涉及的功率模块的结构的框图。

图5是表示本发明的实施方式4涉及的功率模块的结构的框图。

图6是表示本发明的实施方式5涉及的功率模块的要部的框图。

图7是表示本发明的实施方式6涉及的功率模块的结构的电路框图。

具体实施方式

[实施方式1]

图1是表示本发明的实施方式1涉及的功率模块的结构的框图。在图1中，该功率模块具有功率元件部1、控制部2、以及寿命推定电路3。

功率元件部1包含多个功率元件，该功率元件部1由控制部2进行控制，例如将直流电压VDC转换为交流电压VAC。功率元件为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET、双极晶体管、二极管等。

控制部2例如基于正弦波状地进行变化的电压指令值VC，使功率元件部1的多个功率元件分别进行接通/断开，由此将直流电压VDC转换为正弦波状的交流电压VAC。如果在功率元件流过电流，则在功率元件发生损耗(即，热)，功率元件的温度上升。如果将流过功率元件的电流切断，则功率元件的温度降低。

寿命推定电路3基于功率元件部1的温度变动而对功率元件部1的寿命进行推定，在判断为功率元件部1的寿命已至的情况下，使警告信号AL从作为非激活电平的“L”电平上调为作为激活电平的“H”电平。寿命推定电路3包含温度检测器4、拐点检测部5、存储部6、7、运算部8、计数电路9、以及信号发生部10。

温度检测器4对功率元件部1的温度进行检测，将表示检测值的信号Vt输出。信号Vt的电平与功率元件部1的温度相对应地进行变化。拐点检测部5基于温度检测器4的输出信号Vt，对功率元件部1的温度变化的拐点进行检测。温度变化的拐点是温度从上升转为下降、或者温度从下降转为上升的点。

拐点检测部5例如以与使功率元件部1所包含的功率元件进行接通/断开的周期相比充分短的周期对温度检测器4的输出信号Vt进行采样，将采样到的信号Vt的电平转换为数字信号。拐点检测部5对采样到的多个信号Vt的电平是正在增加还是正在减少进行判别，基于判别结果而对拐点进行检测。

拐点检测部5在每次检测出拐点时，将表示该拐点处的信号Vt的电平(即，功率元件部1的温度T)的数字信号交替地写入至存储部6、7。例如，将表示本次检测出的拐点处的功率元件部1的温度Tn的数字信号写入至存储部6，将表示前次检测出的拐点处的功率元件部1的温度T(n－1)的数字信号写入至存储部7。写入至存储部6、7的表示温度Tn、T(n－1)的数字信号被发送至运算部8。n为任意整数。

运算部8基于来自存储部6、7的数字信号，求出本次检测出的拐点处的功率元件部1的温度Tn与前次检测出的拐点处的功率元件部1的温度T(n－1)之差ΔT＝Tn－T(n－1)的绝对值|ΔT|。运算部8将表示绝对值|ΔT|的数字信号发送至计数电路9。

计数电路9基于来自运算部8的表示绝对值|ΔT|的数字信号，对发生了预定的温度变化的次数进行计数。计数电路9例如将|ΔT|和阈值温度Tth进行对比，在|ΔT|≥Tth的情况下判别为发生了预定的温度变化而使计数值C递增(+1)，在|ΔT|＜Tth的情况下判别为未发生预定的温度变化而维持计数值C不变。

信号发生部10将计数值C和阈值次数Cth进行对比，在C≥Cth的情况下将对功率元件部1的寿命已至这一点作出警告的警告信号AL设为作为激活电平的“H”电平，在C＜Cth的情况下将警告信号AL维持为作为非激活电平的“L”电平。

下面，对该功率模块的动作进行说明。例如，假设利用功率元件部1的输出电压VAC而对负载(例如电动机)进行驱动。如果负载的消耗电流增大，流过功率元件部1的电流增大，则功率元件部1的温度上升。如果负载的消耗电流减少，流过功率元件部1的电流减少，则功率元件部1的温度降低。功率元件部1的温度由温度检测器4进行检测，温度检测器4的输出信号Vt被发送至拐点检测部5。

如果负载的消耗电流在增大之后转为减少，则功率元件部1的温度在上升之后转为下降，功率元件部1的温度变化(即，温度检测器4的输出信号Vt的电平变化)产生拐点。由拐点检测部5检测出该拐点P(n－1)，表示该拐点P(n－1)处的功率元件部1的温度T(n－1)的数字信号被写入至存储部7。

接下来，如果负载的消耗电流从减少转为增大，则功率元件部1的温度从下降转为上升，功率元件部1的温度变化(即，温度检测器4的输出信号Vt的电平变化)产生拐点。由拐点检测部5检测出该拐点Pn，表示该拐点Pn处的功率元件部1的温度Tn的数字信号被写入至存储部6。

本次检测出的拐点Pn处的功率元件部1的温度Tn与前次检测出的拐点P(n－1)处的功率元件部1的温度T(n－1)之差ΔT＝Tn－T(n－1)的绝对值|ΔT|由运算部8进行运算。利用计数电路9将|ΔT|和阈值温度Tth进行对比，在|ΔT|≥Tth的情况下计数值C递增(+1)。

利用信号发生部10将计数值C和阈值次数Cth进行对比，在C≥Cth的情况下警告信号AL上调为作为激活电平的“H”电平，对功率元件部1的寿命已至这一点向用户作出警告。用户根据警告信号AL上调至“H”电平而检测到功率元件部1的寿命已至，在适当的时机停止系统，将功率模块更换为新品。

在本实施方式1中，对功率元件部1的温度变化的拐点进行检测，求出本次检测出的拐点Pn处的功率元件部1的温度Tn与前次检测出的拐点P(n－1)处的功率元件部1的温度T(n－1)之差ΔT＝Tn－T(n－1)的绝对值|ΔT|。在该绝对值|ΔT|达到阈值温度Tth的情况下，判别为发生了温度变化而使计数值C递增，在该计数值达到阈值次数Cth的情况下，将警告信号AL设为激活电平。从而，能够准确地对施加于功率元件部1的热应力进行检测，能够准确地推定功率元件部1的寿命。

[实施方式2]

图2是表示本发明的实施方式2涉及的功率模块的结构的框图，是与图1进行对比的图。参照图2，该功率模块与图1的功率模块的不同点在于，计数电路9及信号发生部10分别被置换为计数电路15及信号发生部16这点。

计数电路15将第1～第3阈值温度Tth1～Tth3和由运算部8求出的温度差的绝对值|ΔT|进行对比，基于对比结果而判别发生了第1～第3温度变化ΔT1～ΔT3之中的哪种温度变化。Tth1＞Tth2＞Tth3。在Tth1＜|ΔT|的情况下，判别为发生了第1温度变化ΔT1。在Tth2＜|ΔT|＜Tth1的情况下，判别为发生了第2温度变化ΔT2。在Tth3＜|ΔT|＜Tth2的情况下，判别为发生了第3温度变化ΔT3。

计数电路15在发生了第1温度变化ΔT1的情况下使第1计数值C1递增(+1)，在发生了第2温度变化ΔT2的情况下使第2计数值C2递增(+1)，在发生了第3温度变化ΔT3的情况下使第3计数值C3递增(+1)

信号发生部16将3个阈值次数Cth1～Cth3和计数电路15的计数值C1～C3分别进行对比。Cth1＜Cth2＜Cth3。信号发生部16在成为C1≥Cth1的情况、成为C2≥Cth2的情况、以及成为C3≥Cth3的情况中的任意情况下，将对功率元件部1的寿命已至这一点作出警告的警告信号AL设为作为激活电平的“H”电平。信号发生部16在C1＜Cth1、C2＜Cth2、且C3＜Cth3的情况下，将警告信号AL维持为作为非激活电平的“L”电平。

此外，在3个阈值次数Cth1～Cth3之中Cth1被设定为最小的值，这是因为在3个温度变化ΔT1～ΔT3之中由ΔT1引起的温度应力最大。相反，在3个阈值次数Cth1～Cth3之中Cth3被设定为最大的值，这是因为在3个温度变化ΔT1～ΔT3之中由ΔT3引起的温度应力最小。

图3A及图3B是示意性地表示图2所示的功率模块的动作的图。特别地，图3A示出了功率元件部1的温度T随时间的变化，图3B示出了第1～第3温度变化ΔT1～ΔT3的计数值C1～C3以及阈值次数Cth1～Cth3。

在这里，假设利用功率元件部1的输出电压VAC而对负载进行驱动。假设在初始状态下，从功率元件部1向负载的电流供给停止，功率元件部1的温度T为室温。在时刻t1，开始从功率元件部1向负载的电力供给，功率元件部1的温度T开始上升。在功率元件部1的运转的开始点(时刻t1)，被视为产生了拐点P1，表示时刻t1处的功率元件部1的温度T1的数字信号例如被写入至存储部6。

在时刻t2，如果负载的消耗电流减少，功率元件部1的温度T从上升转为下降，则检测出拐点P2，表示该拐点P2处的功率元件部1的温度T2的数字信号被写入至存储部7。利用运算部8求出本次检测出的拐点P2处的功率元件部1的温度T2与前次检测出的拐点P1处的功率元件部1的温度T1之差的绝对值|T2－T1|。利用计数电路15将3个阈值Tth1～Tth3和|T2－T1|进行对比。Tth1＜|T2－T1|，判别为在时刻t1～t2发生了第1温度变化ΔT1，第1计数值C1递增。

在时刻t3，如果负载的消耗电流增大，功率元件部1的温度T从下降转为上升，则检测出拐点P3，表示该拐点P3处的功率元件部1的温度T3的数字信号被写入至存储部6。利用运算部8求出本次检测出的拐点P3处的功率元件部1的温度T3与前次检测出的拐点P2处的功率元件部1的温度T2之差的绝对值|T3－T2|。利用计数电路15将3个阈值Tth1～Tth3和|T3－T2|进行对比。Tth2＜|T3－T2|＜Tth1，判别为在时刻t2～t3发生了第2温度变化ΔT2，第2计数值C2递增。

在时刻t4，如果负载的消耗电流减少，功率元件部1的温度T从上升转为下降，则检测出拐点P4，表示该拐点P4处的功率元件部1的温度T4的数字信号被写入至存储部7。利用运算部8求出本次检测出的拐点P4处的功率元件部1的温度T4与前次检测出的拐点P3处的功率元件部1的温度T3之差的绝对值|T4－T3|。利用计数电路15将3个阈值Tth1～Tth3和|T4－T3|进行对比。Tth3＜|T4－T3|＜Tth2，判别为在时刻t3～t4发生了第3温度变化ΔT3，第3计数值C3递增。

同样地，在时刻t5检测出拐点P5，表示该拐点P5处的功率元件部1的温度T5的数字信号被写入至存储部6。判别为在时刻t4～t5发生了第3温度变化ΔT3，第3计数值C3递增。

在时刻t6检测出拐点P6，表示该拐点P6处的功率元件部1的温度T6的数字信号被写入至存储部7。判别为在时刻t5～t6发生了第3温度变化ΔT3，第3计数值C3递增。

在时刻t6～t7，从功率元件部1供给至负载的电流从额定值减少至0A。在停止功率元件部1的运转，功率元件部1的温度T成为了室温的时刻t7，被视为产生了拐点P7，时刻t7处的功率元件部1的温度T7被写入至存储部6。

利用运算部8求出本次检测出的拐点P7处的功率元件部1的温度T7与前次检测出的拐点P6处的功率元件部1的温度T6之差的绝对值|T7－T6|。利用计数电路15将3个阈值Tth1～Tth3和|T7－T6|进行对比。Tth3＜|T7－T6|，判别为在时刻t6～t7发生了第1温度变化ΔT1，第1计数值C1递增。

在以图3A示出的例子中，如图3B所示，C1＝2，C2＝1，C3＝3。在图3B中是C1＜Cth1、C2＜Cth2、以及C3＜Cth3，因此警告信号AL维持为作为非激活电平的“L”电平。在功率元件部1进一步进行运转，成为C1≥Cth1、C2≥Cth2、或者C3≥Cth3的情况下，警告信号AL被设为作为激活电平的“H”电平，对功率元件部1的寿命已至这一点向用户作出警告。

在本实施方式2中，与2个拐点间的温度差的绝对值|ΔT|的大小相对应地，判别发生了3种温度变化ΔT1～ΔT3之中的哪种温度变化，与温度变化的种类相对应地改变阈值次数Cth1～Cth3，因此能够比实施方式1更准确地推定功率元件部1的寿命。

此外，也可以与2个拐点间的温度差的绝对值|ΔT|的大小相对应地，判别发生了M种温度变化ΔT1～ΔTM之中的哪种温度变化，与温度变化的种类相对应地改变阈值次数Cth1～CthM。M为大于或等于2的整数。计数电路15将|ΔT|和阈值温度Tth1～TthM进行对比。Tthm＞Tth(m+1)。m为大于或等于1且小于或等于(M－1)的整数。在|ΔT|＞Tth1的情况下，判别为发生了第1温度变化ΔT1。在Tthm＞|ΔT|＞Tth(m+1)的情况下，判别为发生了第m温度变化ΔTm。在发生了第1～第M温度变化的情况下，第1～第M计数值C1～CM分别递增。信号发生部16将计数值C1～CM和阈值次数Cth1～CthM分别进行对比。如果满足C1≥Cth1、C2≥Cth2、...、CM≥CthM之中的至少1个条件，则警告信号AL被设为作为激活电平的“H”电平。在实施方式2中，对M＝3的情况进行了说明。

[实施方式3]

图4是表示实施方式3涉及的功率模块的结构的框图，是与图1进行对比的图。参照图4，该功率模块与图1的功率模块的不同点在于，信号发生部10被置换为信号发生部20这点。信号发生部20输出表示阈值次数Cth与计数值C之差Cth－C的数字信号DO。数字信号DO成为表示所容许的温度变化的次数、即功率元件部1的剩余寿命的信号。

在本实施方式3中，能够基于表示功率元件部1的剩余寿命的信号DO，计划性地进行系统的维护、功率模块的更换等。

并且，由于输出表示功率元件部1的剩余寿命的数字信号DO，因此与输出表示功率元件部1的剩余寿命的模拟信号的情况相比，能够使电路规模变小，使结构部件变少，使成本降低，使不良率降低。

[实施方式4]

图5是表示实施方式4涉及的功率模块的结构的框图，是与图2进行对比的图。参照图5，该功率模块与图2的功率模块的不同点在于，信号发生部16被置换为信号发生部25这点。信号发生部25输出表示阈值次数Cth1与计数值C1之差Cth1－C1的数字信号DO1、表示阈值次数Cth2与计数值C2之差Cth2－C2的数字信号DO2、以及表示阈值次数Cth3与计数值C3之差Cth3－C3的数字信号DO3。

数字信号DO1成为表示所容许的第1温度变化ΔT1的次数、即功率元件部1的第1剩余寿命的信号。数字信号DO2成为表示所容许的第2温度变化ΔT2的次数、即功率元件部1的第2剩余寿命的信号。数字信号DO3成为表示所容许的第3温度变化ΔT3的次数、即功率元件部1的第3剩余寿命的信号。

在本实施方式4中，能够比实施方式3更准确地推定功率元件部1的剩余寿命。

此外，也可以对发生第1～第M温度变化ΔT1～ΔTM的次数进行计数，将阈值次数Cth1～CthM与计数值C1～CM之差Cth1－C1、...、CthM－CM作为数字信号DO1～DOM而进行输出。M为大于或等于2的整数，在实施方式4中对M＝3的情况进行了说明。

[实施方式5]

图6是表示本发明的实施方式5涉及的功率模块的要部的框图，是与图1进行对比的图。参照图6，该功率模块与图1的功率模块的不同点在于，拐点检测部5被置换为拐点检测部30这点。拐点检测部30包含微分电路31、脉冲发生电路32、A/D转换电路33、以及写入电路34。假设温度检测器4的输出信号Vt为模拟电压信号。

微分电路31例如为CR滤波器电路，对温度检测器4的输出信号Vt进行微分。在信号Vt的拐点处，微分电路31的输出信号V31成为0V。脉冲发生电路32在每次微分电路31的输出信号V31成为0V时输出脉冲信号φ32。

A/D转换电路33以与对功率元件部1所包含的功率元件进行接通/断开的周期相比充分短的周期对温度检测器4的输出信号Vt进行采样，将采样到的各信号Vt转换为数字信号而发送至写入电路34。

写入电路34响应于来自脉冲发生电路32的脉冲信号φ32，将来自A/D转换电路33的数字信号交替地写入至存储部6、7。例如，写入电路34响应于奇数编号的脉冲信号φ32而将数字信号写入至存储部7，响应于偶数编号的脉冲信号φ32而将数字信号写入至存储部6。

在本实施方式5中，由于使用微分电路31而检测拐点，因此能够实现电路规模的小型化。

[实施方式6]

图7是表示本发明的实施方式6涉及的功率模块的结构的电路框图。在图7中，该功率模块具有功率元件部1A及控制IC 40。

功率元件部1A包含直流输入端子Ta、Tb、交流输出端子Tc～Te、信号端子Tf、Tg、晶体管Q1～Q6、以及二极管D1～D9。直流输入端子Ta、Tb分别从直流电源(未图示)接受直流电压VP、VN。直流电压VP是比直流电压VN高的电压。在交流输出端子Tc～Te，输出三相交流电压VU、VV、VW。

晶体管Q1～Q6分别为例如IGBT。晶体管Q1～Q3的集电极均与直流输入端子Ta连接，它们的发射极分别与交流输出端子Tc～Te连接。晶体管Q4～Q6的集电极分别与交流输出端子Tc～Te连接，它们的发射极均与直流输入端子Tb连接。二极管D1～D6分别与晶体管Q1～Q6反向并联地进行连接。晶体管Q1～Q6分别由控制部2进行接通/断开。

晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6构成逆变器，该逆变器将从直流电源(未图示)经由直流输入端子Ta、Tb而进行供给的直流电力转换为三相交流电力，经由交流输出端子Tc～Te而输出至负载。晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6分别为功率元件。

二极管D7～D9在信号端子Tf、Tg间正向地串联连接。信号端子Tf接受恒流源4a的输出电流，信号端子Tg接受基准电压VSS。在信号端子Tf显现出二极管D7～D9的正向电压VF。二极管D7～D9的正向电压VF与二极管D7～D9的温度相对应地进行变化。二极管D7～D9及恒流源4a构成图1的温度检测器4的一部分。温度检测器4的输出信号Vt是基于二极管D7～D9的正向电压VF而生成的。

即，二极管D7～D9与逆变器(即，晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6)搭载于相同的基板(未图示)。如果从逆变器对负载供给电流，则在晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6分别发生损耗(即，热)，与负载的消耗电流相对应地，晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6的温度进行变化。

在晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6产生的热传递至二极管D7～D9，与晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6的温度相对应地，二极管D7～D9的温度也进行变化。二极管D7～D9的正向电压VF与二极管D7～D9的温度相对应地进行变化。控制部2和包含恒流源4a的寿命推定电路3A搭载于相同的控制IC 40。其他结构及动作与实施方式1相同，因此不重复该说明。

在本实施方式6中，将用于温度检测的二极管D7～D9与功率元件Q1～Q6、D1～D6搭载于相同的基板，因此能够准确地检测功率元件Q1～Q6、D1～D6的温度。并且，将寿命推定电路3A及控制部2搭载于1个控制IC 40，因此能够使电路规模变小，使结构部件变少，使成本降低，使不良率降低。

此外，晶体管Q1～Q6也可以分别为IGBT以外的半导体开关元件。例如，既可以为双极晶体管，也可以为MOSFET。

下面，对本实施方式6的各种变更例进行说明。在第1变更例中，晶体管Q1～Q6使用硅(Si)而形成，二极管D1～D6使用碳化硅(SiC)而形成。由碳化硅形成的半导体元件耐电压高，容许电流密度大。因此，能够实现二极管D1～D6的小型化，能够实现功率模块的小型化。

在第2变更例中，晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6全部使用碳化硅而形成。因此，能够实现晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6的小型化，与第1变更例相比，能够进一步实现功率模块的小型化。

在第3变更例中，图7的6组晶体管Q及二极管D被置换为6个反向导通IGBT，各反向导通IGBT使用碳化硅而形成。反向导通IGBT是包含IGBT和与IGBT反向并联地连接的二极管的半导体元件。因此，与第2变更例相比能够进一步实现功率模块的小型化，并且能够实现组装作业的简单化。

虽然对本发明的实施方式进行了说明，但应该认为本次公开的实施方式在所有方面都为例示，而非限制性的内容。本发明的范围通过权利要求书而示出，意在包含与权利要求书均等的含义及范围内的所有变更。