半导体装置和故障检测方法

摘要

提供一种半导体装置和故障检测方法，所得到的余量小于通过基于功率周期测试的寿命预测而预测的故障时间段内将保持的余量，从而延长了更换等的维护周期。所述半导体装置包括安装在金属基底上的功率器件和用于驱动所述功率器件的驱动电路，所述方法基于金属基底和功率器件之间的热阻的增大，预先检测半导体装置的故障。紧接在驱动电路驱动功率器件之前和之后测量功率器件的状态。根据测量结果来计算驱动之前和之后的功率器件的温度差。基于温度差和驱动时间段中输入至功率器件的电量来检测金属基底和功率器件之间的热阻的增大，并且根据该增大，预先检测半导体装置的故障。

权利要求

1.一种半导体装置，包括：

功率器件，所述功率器件安装在金属基底上；

驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述功率器件；

测量电路，所述测量电路测量紧接在所述驱动电路驱动所述功率器件的驱动时间段之前和之后的所述功率器件的状态；以及控制电路，所述控制电路根据所述测量电路的测量结果，基于驱动所述功率器件之前和之后的温度差以及在所述驱动时间段中至所述功率器件的输入功率，检测所述金属基底和所述功率器件之间的热阻的增大，其中，所述驱动电路响应于具有脉宽调制的驱动信号来驱动所述功率器件，条件是由包括所述脉宽调制的占空比的参数来指定的，并且基于施加到所述功率器件的电源电压、所述驱动信号的幅值和频率、以及所述占空比来计算所述输入功率，并且其中，所述控制电路检测所述热阻的增大已经达到至少预定值，然后所述控制电路减小所述占空比、所述驱动信号的所述幅度和所述频率中的至少一个，以降低所述驱动电路驱动所述功率器件的能力。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述控制电路致使所述驱动电路在所述输入功率被设置成所述预定值的条件下执行驱动。

3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述测量电路在所述驱动时间段中测量施加到所述功率器件的电压和经过所述功率器件的电流，并且向所述控制电路供应测量结果，并且所述控制电路从所述测量结果来计算所述输入功率。

4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，所述电流包括当所述功率器件导通时的导通电流，所述电压包括所述功率器件的导通电压和截止电压。

5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述测量电路包括设置在所述功率器件中或旁边的温度传感器，从由所述温度传感器测量的值来计算所述温度差。

6.根据权利要求2所述的半导体装置，

其中，所述预定值包括第一预定值，

其中，紧接在所述驱动时间段之前和之后的由所述测量电路对所述功率器件的状态的测量涉及在所述输入功率被设置成第二预定值的条件下由所述驱动电路对所述功率器件的额外驱动，其中所述第二预定值小于所述第一预定值，以及其中，所述控制电路基于紧接在所述驱动时间段之前和之后的由所述测量电路对所述功率器件的状态的测量结果，来计算所述温度差。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述功率器件包括绝缘栅双极晶体管。

8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述控制电路检测所述热阻的增大已经达到至少所述预定值，然后所述控制电路降低所述驱动电路驱动所述功率器件的所述能力。

9.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述功率器件包括绝缘栅双极晶体管，对于所述功率器件，所述驱动电路响应于具有脉宽调制的驱动信号来驱动所述绝缘栅双极晶体管的栅极电极。

10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述功率器件通过焊料层被安装在金属基底上，所述焊料层被布置在位于所述功率器件和所述金属基底之间金属图案的表面上，并且其中，所述输入功率通过连接到所述金属图案的所述表面的引线被提供到所述功率器件。

11.根据权利要求10所述的半导体装置，其中，在所述功率器件和所述金属基底之间，在所述金属图案的另一个表面上设置绝缘衬底，另一个金属图案被设置在所述绝缘衬底和所述金属基底之间，并且其中，所述金属基底和所述功率器件之间的所述热阻包括所述功率器件、所述焊料层、所述金属图案、所述绝缘衬底、所述另一个金属图案以及所述金属基底的所述热阻。

12.一种检测半导体装置的故障的方法，所述半导体装置包括安装在金属基底上的功率器件和用于驱动所述功率器件的驱动电路，所述方法包括：测量紧接在所述驱动电路驱动所述功率器件的驱动时间段之前和之后的所述功率器件的状态；

根据测量结果，通过控制电路，基于驱动所述功率器件之前和之后的温度差以及在所述驱动时间段中至所述功率器件的输入功率，检测所述金属基底和所述功率器件之间的热阻的增大；以及基于所述金属基底和所述功率器件之间的所述热阻的增大，预先检测所述半导体装置的故障，其中，所述驱动电路响应于具有脉宽调制的驱动信号来驱动所述功率器件，条件是由包括所述脉宽调制的占空比的参数来指定的，并且基于施加到所述功率器件的电源电压、所述驱动信号的幅值和频率、以及所述占空比来计算电力量，并且其中，所述控制电路检测所述热阻的增大已经达到至少预定值，然后所述控制电路减小所述占空比、所述驱动信号的所述幅度和所述频率中的至少一个，以降低所述驱动电路驱动所述功率器件的能力。

13.根据权利要求12所述的检测半导体装置的故障的方法，其中，在所述输入功率被设置成所述预定值的条件下执行驱动，以及其中，基于所述温度差和所述预定值来检测所述热阻的增大。

14.根据权利要求12所述的检测半导体装置的故障的方法，其中，在所述驱动时间段中测量施加到所述功率器件的电压和经过所述功率器件的电流，并且从测量结果来计算所述输入功率。

15.根据权利要求14所述的检测半导体装置的故障的方法，其中，所述电流包括当所述功率器件导通时的导通电流，所述电压包括所述功率器件的导通电压和截止电压。

16.根据权利要求12所述的检测半导体装置的故障的方法，其中，所述半导体装置包括设置在所述功率器件中或旁边的温度传感器，从由所述温度传感器测量的值来计算所述温度差。

17.根据权利要求13所述的检测半导体装置的故障的方法，其中，所述预定值包括第一预定值，其中，紧接在所述驱动时间段之前和之后的由所述测量电路对所述功率器件的状态的测量涉及在所述输入功率被设置成第二预定值的条件下由所述驱动电路对所述功率器件的额外驱动，其中所述第二预定值小于所述第一预定值，以及其中，基于紧接在所述驱动时间段之前和之后的所述功率器件的状态的测量结果，来计算所述温度差。

18.根据权利要求12所述的检测半导体装置的故障的方法，其中，所述功率器件包括绝缘栅双极晶体管。

说明书

半导体装置和故障检测方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 于2015年6月30日提交的日本专利申请No.2015-130666的公开的全部内容，包括说明书、附图和摘要，通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及半导体装置和故障检测方法，特别地讲，可用于预先检测功率半导体装置的故障。

背景技术

[0004] 在诸如电机驱动功率模块的包括功率半导体器件(功率器件)的模块中，如同功率器件的组件在操作期间的故障会频繁造成大的影响。因此，在实际发生故障之前根据寿命预测来更换组件。

[0005] 日本未审专利申请公开No.2011-196703公开了在包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率器件的IGBT模块中的功率周期寿命预测方法。将得自进行的功率周期测试的功率周期寿命曲线与使用安装在IGBT模块中的温度传感器测得的值进行比较，从而允许计算模块寿命。在功率周期测试中，产生热应力，以在相对短的时间内升高或降低IGBT的结温度，然后，观察性质的变化，以得到出现击穿之前的功率周期寿命曲线。日本未审专利申请公开No.2011-196703的重点放在包括带有拐点的倾斜度根据温度范围而变化的多条直线的功率周期寿命曲线。参考拐点来预测寿命，从而提高预测的精度。

[0006] 本发明作为检验日本未审专利申请公开No.2011-196703的结果，发现了如下的另一个问题：

[0007] 在日本未审专利申请公开No.2011-196703中公开的本发明中，重点放在功率周期寿命曲线的拐点可提高寿命预测的精确度。然而，寿命是根据功率周期的数量来预测的，因此，在根据本发明的IGBT模块中，在考虑到实际操作中的热应力和功率周期测试中的热应力差异的情况下，以充足的余量来执行诸如模块更换的维护。因此，在实际出现故障之前早就更换了模块。具体地讲，接收与功率周期测试的热应力一样大的热应力的IGBT模块具有适当的余量，但这个余量对于接收轻负载从而导致小热应力的IGBT模块而言过大。

[0008] 以下，将描述这个问题的解决方案。根据对说明书的描述和附图，其它问题和新特征将变得清楚。

发明内容

[0009] 以下，将描述实施例。

[0010] 一种检测半导体装置的故障的方法，所述半导体装置包括安装在金属基底上的功率器件和用于驱动所述功率器件的驱动电路，所述方法基于金属基底和功率器件之间的热阻的增大，预先检测半导体装置的故障。紧接在驱动电路驱动功率器件之前和之后测量功率器件的状态。根据测量结果来计算驱动之前和之后的功率器件的温度差。基于温度差和驱动时间段中输入至功率器件的电量来检测金属基底和功率器件之间的热阻的增大，并且根据该增大，预先检测半导体装置的故障。

[0011] 以下，将简要讨论通过该实施例得到的效果。

[0012] 可紧接在功率器件的正常安装状态劣化从而造成故障之前直接检测状态。因此，可大大延长半导体装置的寿命。这只需要余量比通过基于功率周期测试的寿命预测而预测的故障时间段内将保持的余量小，从而延长了更换等的维护周期。

附图说明

[0013] 图1是示出根据第一实施例的检测半导体装置(功率模块)的故障的方法的流程图；

[0014] 图2是示出作为故障检测目标的半导体装置(功率模块)的构造的示意性框图；

[0015] 图3是示出根据第二实施例的半导体装置(功率模块)的构造示例的框图；

[0016] 图4是示出根据第二实施例的半导体装置(功率模块2)的安装示例的示意性剖视图；

[0017] 图5是示出控制电路4的构造示例的框图；

[0018] 图6是示意性示出温度传感器、测量电路和ADC的构造和耦合的电路图；

[0019] 图7是示意性示出电流传感器、测量电路和ADC的构造和耦合的电路图；

[0020] 图8是示意性示出用于测量IGBT的截止电压的测量电路和ADC的构造和耦合的电路图；

[0021] 图9是示意性示出用于测量IGBT的导通电压的测量电路和ADC的构造和耦合的电路图；

[0022] 图10是示出根据第三实施例的输入功率Pz的测量操作的时序图；

[0023] 图11是示出捕获测量参数的时序的说明图；

[0024] 图12是从IGBT的电特性确定温度差的操作示例的时序图；

[0025] 图13是示出在检测到异常之后功率模块的操作示例的流程图；以及

[0026] 图14是示出根据第一实施例的半导体装置(功率模块)的故障检测方法的效果的示例的说明图。

具体实施方式

[0027] 以下，将具体地描述实施例。在示出用于实现本发明的方面的所有附图中，用相同的参考标号指示具有相同功能的元件并且省略对其的重复说明。

[0028] [第一实施例]

[0029] 代表性实施例是根据热阻的增大来检测功率模块的故障的方法。

[0030] 图1是示出根据第一实施例的检测半导体装置(功率模块)的故障的方法的流程图。图2是示出故障检测的目标功率模块的构造的示意性框图。

[0031] 功率模块2包括功率器件Q和驱动电路3，功率器件Q安装在用于散热的金属基底31上，驱动电路3用于驱动功率器件Q。功率器件Q使用电源(未示出)供应的电力并且响应于从驱动电路3输入的驱动信号以高功率驱动负载(未示出)。在功率模块2中，根据所使用的驱动系统，使用至少一个功率器件Q来构造用于驱动负载的电路。功率器件Q是例如IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极晶体管、或可响应于驱动信号以高功率驱动负载的其它器件。功率器件Q通过在负载被驱动时将功率损失变化变成热来产生热。功率器件Q被安装成接触金属基底31，以便散热，使得因功率损失而产生的热被传递到金属基底31并且从其释放。

[0032] 在这种情况下，功率损失是从电源(未示出)输入至功率器件Q并且被转换成功率器件Q的热而没有被供应到负载的功率。例如，在十分简单的模型中，按Ploss＝Pin×(1-η)来计算功率损失Ploss，其中，Pin指示输入功率并且η指示负载效率。这个等式是显而易见的，因为负载效率η被定义为来自电源的输入功率Pin之中的供应到负载的功率的比率。换句话讲，当负载效率η的变化充分小时，功率损失Ploss与输入至功率器件的功率Pin成比例。

[0033] 在功率器件Q和金属基底31之间存在热阻。功率器件Q被构造成使得半导体元件安装在封装衬底上。用于确定热阻的因素包括功率器件Q中的半导体元件和封装衬底的接合状态。在垂直型半导体元件的情况下，特别地讲，通过焊接等将设置在半导体衬底的背面上的电极接合到封装衬底上的金属布线，从而令人满意地保持导电性和导热性。此外，通过焊接等来接合功率模块2的衬底和功率器件Q的封装，这可被纳入用于确定热阻的因素中。对于功率模块2的寿命结束时的故障，已知的故障模式是焊料因功率周期而劣化并且随后最终被剥离。日本未审专利申请公开No.2011-196703中公开的现有技术预测了根据功率周期的故障模式下的寿命。作为该现有技术的替代，发明人已经设想到基于检测功率器件Q和金属基底31之间的热阻的增大来预先检测功率模块2的故障的方法。

[0034] 可通过图1中示出的流程图来实现检测功率模块2的故障的方法。

[0035] 在驱动时间段中，紧接在驱动电路3驱动(S2)功率器件Q之前和之后，测量(S1、S3)功率器件Q的状态。根据测量结果计算驱动功率器件Q之前和之后的温度差ΔT(S4)。基于温度差ΔT和驱动时间段中输入至功率器件Q的功率(输入功率)Px和Pz来检测金属基底31和功率器件Q之间的热阻的增大(S5)。基于金属基底31和功率器件Q之间的热阻的增大，预先检测功率模块2的故障(S6)。

[0036] 在这种情况下，可选地，如果参数取决于功率器件Q的温度，则确定功率器件Q的状态。参数可以是功率器件Q的温度或电参数。例如，如果功率器件Q是IGBT，则参数可以是导通电压、内部二极管电压、或阈值电压。在MOSFET的情况下，参数可以是导通电压或阈值电压。在双极晶体管的情况下，参数可以是导通电压、基极-发射极正向电压或电流放大倍数。

[0037] 如果在驱动时间段中测量或估计功率器件Q的功率损失，则可选地由驱动电路3驱动功率器件Q(S2)。例如，通过在可确定至功率器件Q的输入功率Px的预定时间段(驱动时间段)具有预定幅值、频率和占空比的驱动信号来驱动功率器件Q。如果驱动时间段是相对短的时间段，则预期在该时间段中负载的变化和负载效率的变化足够小。因此，功率器件Q的功率损失与输入功率Px成比例。在图1的流程图中，用至驱动功率器件(S2)的输入功率Px的箭头来表达本实施例。还可通过测量在由功率器件Q驱动驱动电路3(S2)的任何时间段中输入至功率器件Q的功率来确定输入功率Pz。可通过施加到功率器件Q的电压和经过功率器件Q的电流的乘积来计算输入功率。如果在足够短的时间段中计算功率，则预期在该时间段中负载的变化和负载效率的变化足够小。因此，功率器件Q的功率损失与输入功率Pz成比例。在图1的流程图中，可用通过从驱动功率器件(S2)输出的输入功率Pz的箭头来表达本实施例。

[0038] 计算热阻不需要功率器件Q和金属基底31之间的热阻的定量计算，只要可连同下游决定步骤一起检测超过指定值的热阻即可(S5)。通过将功率器件Q和金属基底31之间的温度差ΔT除以功率器件Q的功率损失Ploss来计算功率器件Q和金属基底31之间的热阻θ。

[0039] θ＝ΔT/Ploss

[0040] 功率器件Q在驱动之前和之后具有温度T1和T2。如果金属基底31具有足够大的热容量并且在驱动之前和之后保持恒定温度，则温度等于驱动之前功率器件Q的温度T1。因此，可使用驱动之前和之后功率器件Q的温度差T2-T1来确定热阻θ。在这种情况下，可使用设置在功率器件Q中或旁边的温度传感器直接测量温度T1和T2来确定温度差ΔT。作为测量功率器件Q的温度T1和T2的替代，可用功率器件Q的电特性来计算温度差ΔT。由于半导体元件的电特性中的大部分具有温度依赖性，因此可通过测量驱动之前和之后功率器件Q的电特性来估计或计算温度差ΔT。此时，不需要定量计算温度差ΔT。例如，可用与温度差ΔT成比例的数值来取代温度差ΔT，因为只是必须检测热阻θ已经超过指定值。半导体元件的电特性的大部分具有exp(-kT/q)项(其中，exp是自然对数的指数，k是玻尔兹曼常数，q是电子的电荷量，T是绝对温度)，因此可用根据电特性之比(exp(-kT2/q)/exp(-kT1/q)＝exp(-k(T2-T1)/q))计算出的任何值来取代温度差ΔT＝T2-T1。

[0041] 如图1中所示，计算热阻(S4)，然后将该值与指定值进行比较(S5)，以检测热阻的增大。这样可实现异常检测，也就是说，可预先检测故障(S6)。可凭经验或按理论来确定此时的指定值或者可使用凭经验和按理论的指定值。如上所述，如果使用指示温度差的指标来替代温度差，使用输入功率来替代功率损失并且计算指示热阻的数值作为热阻的替代，则凭经验或按理论来确定对应于数值的指定值或者使用凭经验和按理论的指定值。这样可检测到热阻θ已经超过指定值，而没有定量计算热阻θ。

[0042] 如图2中所示，除了功率器件Q、金属基底31和驱动电路3之外，功率模块2优选地还包括设置在功率器件Q中或旁边的传感器S、测量电路5和控制电路4。传感器S可只被设置用于需要测量的参数或者可与没有被设置用于检测故障的其它传感器一起使用。如果测量功率器件Q的温度，则温度传感器S设置在功率器件Q中或者接触功率器件Q的封装。所包括的温度传感器是例如与功率器件Q形成在同一半导体芯片上的结型二极管。在同一半导体芯片上形成传感器可正确地测量功率器件Q的结温度。在测量经过功率器件Q的电流时，例如，安装包括沿着电流路径布置的巨磁阻(GMR)传感器的磁性传感器。用于测量的电阻器或变压器可插入电流路径中。测量施加到功率器件Q的电压不需要专用传感器。测量电路5被设计用于所安装的传感器S并且将电力(例如，偏置电压或偏置电流)供应到传感器，以增大测量值或转换级别。在正常操作中，控制电路4响应于来自外部的指令，通过驱动电路3来驱动功率器件Q。例如，当功率模块2的负载是电机时，响应于来自外部的用于改变电机的rpm的指令，调节通过驱动电路3驱动功率器件Q的驱动信号的幅值、频率和占空比。控制电路4可具有检测诸如过电流、过电压和过热的异常的功能。第一实施例的控制电路4具有如图1的流程图中示出的故障检测的额外功能。第一实施例中必需的传感器和测量电路可用作检测诸如过电流、过电压和过热的异常的传感器和测量电路。

[0043] 这样可直接检测紧接在由于功率器件Q的异常安装状态而出现故障之前的状态，从而大大延长半导体装置(功率模块2)的寿命。因此，所需的余量可小于基于使用功率周期测试的寿命预测为实际故障周期保持的余量，从而延长诸如更换的维护的周期。

[0044] 以下，将更具体地描述根据第一实施例的检测半导体装置(功率模块)的故障的方法的效果。图14是示出效果示例的说明图。水平轴指示紧接在运输之后的时间到出现故障的功率周期的数量，而垂直轴指示功率器件Q和金属基底之间的热阻的倒数(reciprocal)。实线指示实际功率模块2中的热阻的变化历史，而虚线指示基于功率周期测试的寿命预测曲线。实际功率模块2中的热阻(实线)在重负载时间段中快速减小，但在轻负载时间段中逐渐减小。Ner指代当实际出现故障时功率周期的数量。假设基于功率周期测试的寿命预测曲线(虚线)一直具有极重的负载。Neb指代出现故障时功率周期的数量。在基于功率周期测试的寿命预测时，通过将预定余量与出现故障时功率周期的估计数量Neb相加，确定功率周期的参考数量Nab，然后，在故障级别之前，发出警报。例如，通过警报级别Nab＝Neb×余量来确定Nab，其中，Neb是估计的功率周期。在日本未审专利申请公开No.2011-196703中，寿命预测曲线没有近似于单条直线，而是近似于带有拐点的多条直线，从而提高预测精确度。然而，预测仅仅是根据功率周期的数量进行的，因此看上去是偏离实际功率模块2的劣化的曲线(实线)，因为负载和操作周期并不清楚。

[0045] 相比之下，如第一实施例中描述的，通过检测热阻的增大来检测异常性，然后发出警报。如这两个箭头所指示的，可基于通过功率周期测试确定的寿命预测曲线，从警报级别Nab延迟警报。通常，在功率周期测试中呈现比正常操作中更重的负载，因此，据信通过测试确定的寿命预测曲线(虚线)通常以比实际热阻的劣化的曲线(实线)的角度大的角度减小，从而导致故障。这样可一直操作功率模块2，直到紧接在故障之前，从而延长诸如更换的维护的周期。

[0046] 如果实际热阻的劣化的曲线出于某种原因比通过功率周期测试确定的寿命预测曲线更快速地减小并且在功率周期的数量达到Nab之前达到故障，则在基于功率周期测试的寿命预测时，无法预先检测到故障来发出警报。相比之下，根据第一实施例的故障检测方法可在实际故障之前发出警报。这是因为，即使热阻快速增大，也总是在实际故障之前决定热阻是否已经超过指定值(图1中的S5)。

[0047] [第二实施例]

[0048] 作为具体实施例，功率模块2是例如控制和驱动电机等的负载(Load)12的逆变器电路。

[0049] 图3是示出根据第二实施例的半导体装置(功率模块2)的构造示例的框图。信号线包括至少一条信号布线，但在框图中没有示出任何总线。这种构造等同于本申请的其它框图或电路图的构造。功率器件的后面带着的符号“Q”指代个体器件，其中，“Q”单独指代作为一体的至少一个功率器件。另外，类似地表达用于二极管的“D”和用于传感器的“S”。关于传感器S，温度传感器“St”、电流传感器“Sc”和电压传感器“Sv”也伴随着后面带着的符号“St”、“Sc”和“Sv”以便识别各个传感器，而至少一个温度传感器、电流传感器和电压传感器被分别指代为“St”、“Sc”和“Sv”。

[0050] 功率模块2耦合到由整流电路供应的经整流直流电源(P是正电极而N是负电极)，整流电路包括三相交流电源11和二极管D_1至D_6。功率模块2响应于三相信号U、V和W来驱动负载12。经整流电源还包括由IGBT(Q1)和二极管D_7构成的保护电路。功率模块2耦合到包括控制微控制器单元(MCU)8的控制板9并且响应于来自用户的指令来驱动负载12。在这种情况下，“来自用户的指令”是通过某种方法提供的指令，例如，通过用户界面(未示出)提供的人工指令、来自其它装置的指令、或编程的指令。通过根据准备好的程序自发控制控制板9来得到编程的指令。控制板9可包括耦合到控制MCU8的网络接口13。网络接口13与耦合到网络接口13的外部网络14通信。外部网络14可以是任何网络，例如，控制器局域网(板上网络；CAN)、工厂内的局域网(LAN)、或互联网。

[0051] 功率模块2包括由六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl、Qwl)构成的IGBT模块1、驱动电路3、控制电路4和测量电路5。IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)分别耦合到保护二极管Duh、Dvh、Dwh、Dul、Dvl和Dwl并且具有传感器Suh、Svh、Swh、Sul、Svl和Swl。传感器Suh、Svh、Swh、Sul、Svl和Swl是例如温度传感器，且为与IGBT形成在同一芯片上的PN结二极管。温度传感器不是一直需要被包含在IGBT中。替代地，可使用与IGBT附接的分立组件。例如，传感器Suh、Svh、Swh、Sul、Svl和Swl可以是用于测量IGBT的集电极电流的GMR传感器。可供选择地，可安装温度传感器和GMR传感器。

[0052] 六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)被归类为与正电极P耦合的三个高侧IGBT(Quh、Qvh和Qwh)和与负电极N耦合的三个低侧IGBT(Qul、Qvl和Qwl)。用于驱动负载12的三相信号U、V和W均由包括这些IGBT中的两个的逆变器来驱动。信号U由包括两个IGBT Quh和Qul的逆变器来驱动，信号V由包括两个IGBT Qvh和Qvl的逆变器来驱动，信号W由包括两个IGBT Qwh和Qwl的逆变器来驱动。响应于例如脉宽调制(PWM)信号由驱动电路3来驱动IGBT的栅极电极。六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)可均具有多个IGBT(也就是说，6个IGBT)的并联耦合。

[0053] 传感器Suh、Svh、Swh、Sul、Svl和Swl耦合到适当的测量电路5。测量结果被输入控制电路4。驱动电路3和控制电路4耦合到耦合器10_1和10_2，耦合器10_1和10_2可与控制板9上的控制MCU 8通信。耦合器10_1和10_2是例如可将功率模块2与控制板9电隔离的光电耦合器。控制板9上的控制MCU 8可被包含在功率模块2中。在这种情况下，可不需要耦合器10_
1和10_2。

[0054] 图4是示出根据第二实施例的半导体装置(功率模块2)的安装示例的示意性剖视图。

[0055] 功率器件(IGBT)Q的背面经由焊料32电耦合到形成在绝缘衬底33上的金属图案34。功率器件(IGBT)Q对应于图3中示出的这六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)，但图4没有正确反映电耦合。利用接合引线36将布线安装在形成在功率器件(IGBT)Q的表面上的电极上。绝缘衬底33的背面上的金属图案34被焊接到金属基底31，散热器30被附接到金属基底31。在外壳37中，设置电力线P和N并且经由例如接合引线36向功率器件(IGBT)Q供电。
驱动电路3和控制电路4是安装在电路板35上的集成电路。在电路板35和功率器件(IGBT)Q之间，设置用于驱动信号、传感器和测量电路5的其它布线。这些布线未示出。如果金属基底
31可充分散热，则省去散热器30。可供选择地，散热器30可用作金属基底31。

[0056] 功率器件(IGBT)Q中产生的热通过焊料32、绝缘衬底33、绝缘衬底33的两个表面上形成的金属图案34、背面上的金属图案34和金属基底31之间的焊料、金属基底31、和金属基底31和散热器30之间的粘合剂层被传输到散热器30。从功率器件(IGBT)Q到金属基底31的导热路径具有电阻。在从功率器件(IGBT)Q的背面剥离焊料32的故障模式下，因功率周期的寿命造成功率模块2的明显故障。此时，焊料32的剥离减弱了功率器件(IGBT)Q的导电，从而丧失了功率模块2的功能。在出现因功率周期的寿命造成的故障的过程中，在热阻逐渐增大的同时，焊料32被逐渐剥离。在第二实施例中，作为基于功率周期的数量进行的传统寿命预测的替代，监测热阻的增大并且主要预先检测因焊料脱落而造成的故障。

[0057] 根据第一实施例的故障检测方法被主要实现为控制电路4的功能。

[0058] 图5是示出控制电路4的构造示例的框图。控制电路4包括经由总线26相互耦合的CPU 20、闪存ROM 21和RAM 22、串行接口23、输入/输出端口24、和A/D转换器(ADC)6_1至6_3。串行接口23是与作为主机MCU的控制MCU 8耦合以执行串行通信的通信接口。控制MCU 8供应用于生成从驱动电路输出的驱动信号的脉宽调制信号。替代地，控制电路4可包含例如与总线26耦合以耦合到驱动电路3的脉宽调制电路模块。A/D转换器(ADC)6_1至6_3经由测量电路5_1至5_3分别耦合到温度St、电流传感器Sc和电压传感器Sv，以将测量值转换成数字值。图5示意性示出三个传感器、三个测量电路和三个ADC。实际上，可安装任何数量的传感器、测量电路和ADC。例如，可针对图3中示出的相应六个IGBT安装温度传感器St。因此，温度传感器S的总数可以是六个。此时，可针对各个温度传感器来设置六个测量电路和六个ADC或者可按分时方式用额外的多路复用器来操作单个ADC。类似地设置电流传感器Sc的数量和电流传感器Sc的测量电路5_2和ADC 6_2的数量。电压传感器Sv不总是指示如上所述的组件传感器。可如同温度传感器S一样，设置任何数量的测量电路5_3和ADC 6_3。具体地讲，可分别针对图3中示出的六个IGBT设置测量电路和ADC。可总共设置六个测量电路和六个ADC或者可按分时方式用额外的多路复用器来操作单个ADC。

[0059] 图6是示意性示出温度传感器St、测量电路5_1和ADC 6_1的构造和耦合的电路图。在图3的功率模块2中，假设针对各个IGBT安装温度传感器。这个电路被作为三相U/V/W中的一个的代表性电路示出。在IGBT模块1中，示出包括高侧IGBT(Qh)和低侧IGBT(Ql)的单个逆变器并且省去其它逆变器。这两个IGBT(Qh和Ql)分别与保护二极管Dh和Dl并联耦合。IGBT从驱动电路3接收驱动信号并且IGBT的输出耦合到负载12。温度传感器Sth和Stl分别设置在两个IGBT(Qh和Ql)中或者与两个IGBT(Qh和Ql)接触。测量电路5th和5tl是用于温度测量的测量电路并且均包括电流源7和放大器15。测量电路5th和5tl分别耦合到这两个高侧温度传感器Sth和低侧温度传感器Stl。例如，控制电路4如图5中所示地构造并且具有分别用于这两个高侧温度传感器Sth和低侧温度传感器Stl的两个ADC 6_1h和6_1l。以下，首先将讨论低侧。温度传感器Stl是例如接收在正向方向上从测量电路5tl的电流源7经过的恒定电流的PN结二极管。放大器15放大此时的正向电压并且将电压输出到ADC 6_1l。高侧测量电路5hl类似地构造并且将测量结果输出到ADC 6_1h。如果温度传感器Sth和Stl以比IGBT模块1中的高电压高得多的耐压彼此隔离，则测量电路5th和5tl可用Vdd和GND即控制电路4的电源电压进行操作。如果温度传感器Sth和Stl在IGBT模块1中的高电压下彼此不隔离，则高侧测量电路5th具有例如吸收电势差的电平移位器。

[0060] 图7是示意性示出图5中的电流传感器Sc、测量电路5_2和ADC6_2的构造和耦合的电路图。在图3的功率模块2中，假设针对各个IGBT安装电流传感器。如图6中一样，这个电路被作为三相U/V/W中的一个的代表性电路示出。在IGBT模块1中，示出包括高侧IGBT(Qh)和低侧IGBT(Ql)的单个逆变器并且省去其它逆变器。这两个IGBT(Qh和Ql)分别与保护二极管Dh和Dl并联耦合。IGBT从驱动电路3接收驱动信号并且IGBT的输出耦合到负载12。电流传感器Sch和Scl是例如诸如GMR传感器的磁性传感器并且沿着通向这两个高侧IGBT和低侧IGBT(Qh和Ql)的集电极的布线设置。测量电路5ch和5cl是用于磁性传感器的测量电路。例如，控制电路4如图5中所示地构造并且具有分别用于这两个高侧温度传感器Sch和低侧温度传感器Scl的两个ADC 6_2h和6_2l。电流传感器Sch和Scl可设置在发射极侧上。可用串联插入集电极-发射极电流路径上的电阻器来取代诸如GMR传感器的磁性传感器。在这种情况下，测量电路5ch和5cl被构造为测量插入的电阻器两端的压降的电压测量电路。由于压降与集电极-发射极电流成比例，因此电压降的电压值被放大，然后被转换成ADC 6_2h和6_2l中的数字值，作为IGBT的集电极电流。

[0061] 图8是示意性示出用于测量IGBT的截止电压的测量电路和ADC的构造和耦合的电路图。该电路图对应于图5的电压传感器Sv、测量电路5_3和ADC 6_3。在图3的功率模块2中，假设针对各个IGBT安装电流传感器。如图6中一样，这个电路被作为三相U/V/W中的一个的代表性电路示出。在IGBT模块1中，示出包括高侧IGBT(Qh)和低侧IGBT(Ql)的单个逆变器并且省去其它逆变器。这两个IGBT(Qh和Ql)分别与保护二极管Dh和Dl并联耦合。IGBT从驱动电路3接收驱动信号并且IGBT的输出耦合到负载12。测量电路5vh和5vl是当这两个IGBT(Qh和Ql)截止时测量集电极-发射极电压VCE_OFF(截止电压)的电路。例如，控制电路4如图5中所示地构造并且具有两个高侧和低侧ADC 6_3h和6_3l。以下，首先将讨论低侧。低侧上的测量电路5vl包括：二极管D8，其具有与IGBT(Ql)的集电极耦合的阳极；电容器Cl，其并联耦合在二极管D8的阴极和IGBT(Ql)的发射极之间；以及串联电阻器R1和R2。IGBT(Ql)的集电极-发射极电压VCE_OFF被二极管D8整流，被电容器Cl平滑，被串联电阻器R1和R2分压，并且被输出到ADC 6_3l。另外，在高侧上，测量电路5vh包括：二极管D9，其具有与IGBT(Qh)的集电极耦合的阳极；电容器Ch，其并联耦合在二极管D9的阴极和IGBT(Qh)的发射极之间；以及串联电阻器R3和R4。高侧上的测量电路5vh还包括电平移位器16。IGBT(Qh)的集电极-发射极电压VCE_OFF被二极管D8整流，被电容器Ch平滑，被串联电阻器R3和R4分压，被电平移位器16进行电平移位，然后被输出到ADC 6_3h。IGBT(Qh)的发射极电势等于U/V/W的三相信号的电势并且具有在IGBT的电源的正电极P和负电极N之间的幅值，从而导致与负电极N具有大电势差。在图8中，低侧测量电路5vl耦合接地电势GND和IGBT模块1的电源的负电极N，以得到参考电势。因此，在高侧测量电路5vh中，电平移位器16将GND电平移位成用作参考电势的电势，然后输出电势。

[0062] 图9是示意性示出用于测量IGBT的导通电压的测量电路和ADC的构造和耦合的电路图。如图8中一样，图9对应于图5的电压传感器Sv、测量电路5_3和ADC 6_3。在图3的功率模块2中，假设针对各个IGBT安装电流传感器。如图8中一样，这个电路被作为三相U/V/W中的一个的代表性电路示出。在IGBT模块1中，示出包括高侧IGBT(Qh)和低侧IGBT(Ql)的单个逆变器并且省去其它逆变器。这两个IGBT(Qh和Ql)分别与保护二极管Dh和Dl并联耦合。IGBT从驱动电路3接收驱动信号并且IGBT的输出耦合到负载12。测量电路5vh和5vl是当这两个IGBT(Qh和Ql)截止时测量集电极-发射极电压的电路。例如，控制电路4如图5中所示地构造并且具有两个高侧和低侧ADC 6_3h和6_3l。以下，首先将讨论低侧。低侧上的测量电路
5vl包括两个MOSFET 17_1和17_2、保护二极管D11和D12、电阻器R5和用于保护ADC的齐纳二极管D10。MOSFET 17_1耦合在IGBT(Ql)的集电极和ADC 6_3l之间并且用作开关。MOSFET 
17_2耦合在MOSFET 17_1的栅极电极和接地电势GND之间，通过电阻器R5将MOSFET 17_1的栅极电极上拉至电源Vdd。MOSFET 17_2的栅极耦合到控制电路4的端口24的输出端口。控制电路4致使从输出端口输出的高电平导通MOSFET 17_2并且将MOSFET 17_1的栅极设置成低电平以截止MOSFET 17_1。控制电路4从输出端口输出低电平，以与IGBT(Ql)的导通周期同步地截止MOSFET 17_2，并且通过电阻器R5将高电平施加到MOSFET 17_1的栅极，以导通MOSFET 17_1。控制电路4然后将IGBT(Ql)的集电极电势输入至ADC 6_3l。此时的齐纳二极管D10是保护元件，保护ADC 6_3l免于接收比预期高的电压。MOSFET 17_1与IGBT(Ql)的导通周期同步地将IGBT(Ql)的集电极电势输入至ADC 6_3l，从而允许ADC 6_3l测量IGBT(Ql)的导通电压VCE_ON。高侧上的测量电路5vh类似地构造并且还包括电平移位器16。测得的IGBT(Ql)的导通电压VCE_ON被电平移位成具有用作参考电势的GND电平的电势，然后输出到ADC 6_3h。此外，用于控制用于MOSFET 17_2的开关MOS的信号耦合到其它电平移位器。

[0063] 以下，将更具体地描述图5中的控制电路4的操作。CPU 20通过执行闪存ROM 21中存储的程序来执行图1中的故障检测方法。紧接在驱动之前的用作功率器件的IGBT的状态的测量是例如通过温度传感器St进行的温度测量。将要得到的测量结果被ADC 6_1转换成数字值。可使用图6的测量电路来测量六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)的温度。紧接在驱动之前得到的测量结果被写入并且存储在RAM 22中。随后，在预定驱动时间段内，通过驱动电路3从控制MCU 8输出用于驱动IGBT的驱动信号。该驱动是所谓的被设计成按已知值将输入功率Px设置到IGBT的测试顺序。用于驱动IGBT的驱动信号具有经调制的脉宽。适当地调节施加到IGBT的电源电压和驱动信号的幅值、频率和占空比，以按所需功率将输入功率Px设置到IGBT。

[0064] 紧接在驱动之后，再次测量紧接在驱动之后的用作功率器件的IGBT的状态。这得到紧接在驱动之后的测量结果。如果紧接在驱动之前测量这六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)的温度，则紧接在驱动之后也测量这六个IGBT的温度。通过将用紧接在驱动之前和之后的测量结果之差确定的温度差ΔT除以输入功率Px来确定热阻θ。如果假设每次执行相同的测试顺序，则响应于检测到超过指定值的温度差ΔT，可以检测到热阻θ已经超过某一值。在这种情况下，某一值是用于温度差ΔT的指定值并且是通过将热阻θ的指定值乘以输入功率Px而得到的。可基于设计值来得到指定值。温度差ΔT可以是运输或第一次操作功率模块2时测得的并且可被作为初始值写入并且存储在闪存ROM 21中，然后可基于初始值来计算指定值。这六个IGBT(Quh、Qvh、Qwh、Qul、Qvl和Qwl)的温度均被测量，从而提高故障检测的精确度。如果单个温度传感器基本上布置在这六个IGBT的中间位置以测量平均温度，则即使IGBT的极大温度差也会由于求平均而降低了检测精确度。此外，IGBT共用的温度传感器布置在IGBT的中间位置，从而测量将要监测的热电阻中的IGBT和金属基底31之间的温度。为此原因，无法预期有更高的测量精确度。此外，包括在IGBT中的每个中或者附接到IGBT中的每个的温度传感器测量将要监测的热电阻中的金属基底31和IGBT之间的温度。因此，可提高测量的精确度。

[0065] [第三实施例]

[0066] 在第二实施例中，测试顺序被设置成向IGBT供应预定的输入功率Px。在第三实施例中，测试顺序被功率模块2的正常操作中的用作驱动时间段的任何时间段取代，紧接在该时间段之前和之后测量温度，以确定温度差ΔT，测量驱动时间段期间输入至IGBT的输入功率Pz，然后基于温度差ΔT和输入功率Pz来决定热阻θ是否已经超过指定值。

[0067] 图10是示出输入功率Pz的测量操作的时序图。水平指示时间。在垂直方向上，从上开始指示驱动信号的IGBT栅极-发射极电压VGE、IGBT集电极电流IC、输入功率Pz和温度T。参考符号VGE指代从驱动电路3输出的驱动信号。响应于直接或间接的用户指令，由控制MCU8控制正常操作中的幅值、频率和占空比。集电极电流IC由电源供应并且响应于驱动信号经过IGBT的集电极和发射极之间。通过集电极电流IC和VGE的乘积来计算输入至IGBT的功率Pz。如第二实施例中一样，测量温度T以确定温度差ΔT。图10示出驱动时间段从时间t2变化至时间t9的示例。可选地，在正常操作中设置驱动时间段。可用温度差ΔT来提高检测的精确度。在时间t2和时间t9测量温度，以确定温度差ΔT。通过将温度差ΔT除以功率Pz来计算热阻θ。决定计算出的热阻θ是否已经超过预定和指定的值。当热阻θ已经超过该值时，检测到异常。可用设计的值来计算指定值。可供选择地，热阻θ可以是运输或第一次操作功率模块2时计算的并且可被作为初始值写入并且存储在闪存ROM 21中，然后可基于初始值计算指定值。

[0068] 可使用图6中示出的温度传感器Sth和Stl和测量电路5th和5tl来测量温度T。可使用图7中示出的电流传感器Sch和Scl和测量电路5ch和5cl来测量集电极电流IC。可使用其它传感器和其它测量电路。

[0069] 图11是示出捕获测量参数的时序的说明图。水平轴指示时间。在垂直方向上，指示驱动信号的开关时序fsw，并且顺序地指示捕获电流检测、电压检测和温度检测的时序。在开关频率是10kHz时，开关时序fsw的周期是100μs。在从驱动起的特定稳定化时间之后，与驱动信号的开关时序fsw同步地捕获电流检测和电压检测。温度检测不需要与开关时序fsw同步。可以以例如1ms为间隔周期性地捕获温度检测。

[0070] [第四实施例]

[0071] 在第二实施例和第三实施例的示例中，布置在IGBT模块1中的温度传感器St测量IGBT的温度并且确定温度差ΔT。在第四实施例中，通过IGBT而不是温度传感器的电特性来确定温度。诸如IGBT的半导体元件的电特性具有温度依赖性。

[0072] 图12是从IGBT的电特性确定温度差的操作示例的时序图。水平轴指示时间。在垂直方向上，从上开始示意性示出驱动电路3的操作、测量操作和IGBT的温度。从时间t4至t5的时间段是用于驱动图1中的功率器件的步骤S2。图12示出如第二实施例中一样通过测试顺序供应输入功率Px的示例。可使用下面的构造：可如第三实施例中一样测量时间t4至t5的时间段中输入至IGBT的输入功率Pz，然后基于温度差ΔT和输入功率Pz来决定热阻θ是否已经超过指定值。

[0073] 在第四实施例中，作为紧接在驱动之前和之后的功率器件的状态的测量的一方面，测量IGBT的VCE，然后，用紧接在驱动之前和之后的测量结果来计算温度差ΔT。在从时间t1至t3的时间段和从时间t6至t8的时间段中，设置用于测量VCE的条件。IGBT在相同条件Pa下被驱动，以便保持施加的栅极电压、集电极电压和集电极电流恒定。在条件Pa下开始驱动起的稳定化时间段之后的时间t2至t3测量紧接在驱动之前的VCE，然后，在相同条件Pa下开始驱动起的稳定化时间之后的时间t7至t8测量紧接在驱动之后的VCE。此后，确定饱和集电极电压ΔVCE(sat)，然后确定温度差ΔT。

[0074] 在第四实施例中，主要讨论IGBT的VCE。可使用其它参数，只要电特性具有温度依赖性。这种构造类似地可应用于除了IGBT之外的功率器件。

[0075] 因此，可在没有温度传感器的情况下确定诸如IGBT的功率器件的温度和温度差。可省去温度传感器和用于传感器的测量电路。另外，因为直接测量功率器件的温度，所以可提高测量的精确度。

[0076] [第五实施例]

[0077] 图13是示出在检测到异常之后功率模块的操作示例的流程图。

[0078] 例如，在图1的流程图中，当在功率模块2中检测到异常(S6)时，预期有故障。此时，通过控制MCU 8向管理员发出关于检测到异常的警报并且推荐进行修理和更换，从而持续进行操作。将功率模块2转至省电操作(S7)可延长实际出现击穿(故障)之前的时间段。具体地讲，例如，功率器件Q的驱动信号的导通时间减小。如果负载是电机，则转矩减小。例如，驱动信号的频率进一步减小。如果负载是电机，则电机的rpm减小。例如，驱动信号的幅值可进一步减小。这样可增大功率器件的短路容差。这些示例可以单独地或组合地实现。

[0079] 随后，决定功率模块是否已经返回正常操作(S8)。例如，通过如图1中一样检测热阻的增大来做出决定。如果功率模块已经返回正常操作，则取消省电操作，以返回正常操作(S9)。实际上，因劣化而增大的热阻难以返回正常电阻，但如果因外因错误地检测到热阻的增大等，则这种方法对于自主返回正常操作是有效的。如果功率模块在特定时间之后没有返回正常操作(S10)，则输出历史信息(S11)，以停止功率模块2的操作(S12)。在这种情况下，历史信息涉及例如功率器件Q的电流、电压、温度和功率模块2的操作。历史信息可被写入闪存ROM 21等并且从其输出或者可通过主机控制MCU 8输出到与网络14耦合的主机管理系统。因此，可随后检验紧接在故障之前的状态，从而若实际有故障，有助于分析成因。

[0080] 根据实施例具体描述了发明人做出的本发明。本发明不限于这些实施例，因此无须说，在不脱离本发明的范围的情况下，可按各种方式改变本发明。

[0081] 例如，这些实施例主要描述了以电机作为具有垂直IGBT的负载的三相逆变器。在本发明的范围(也就是说，检测热阻的增大)内，可以用水平IGBT、其它功率器件、除了逆变器之外的电路、或除了电机之外的负载进行更换。