特許 6972331 パワー半導体デバイスにおいて電気的接続の劣化状態を確立する診断装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6972331

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】パワー半導体デバイスにおいて電気的接続の劣化状態を確立する診断装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/26 20200101AFI20211111BHJP

   G01R 35/00 20060101ALI20211111BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20211111BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/26 A

   G01R31/26 B

   G01R35/00 E

   G01R31/00

   H02M7/48 M

【請求項の数】15

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2020-523498(P2020-523498)

(86)(22)【出願日】2018年10月30日

(65)【公表番号】特表2020-527729(P2020-527729A)

(43)【公表日】2020年9月10日

(86)【国際出願番号】JP2018040923

(87)【国際公開番号】WO2019107075

(87)【国際公開日】20190606

【審査請求日】2020年1月15日

(31)【優先権主張番号】17306688.7

(32)【優先日】2017年12月1日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503163527

【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】デグランヌ、ニコラ

(72)【発明者】

【氏名】ブランデレロ、ジュリオ・セザール

【審査官】 田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−００５９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０１４８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０２２３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１２５３６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１４９８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０９２１４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３１／２６、

３１／００、

３１／２４−３１／２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワー半導体デバイスにおいて電気的接続の劣化状態を確立する方法であって、
ａ）前記パワー半導体デバイスが第１の状態にあって、第１の電流値及び第１の温度値を受けているとき、前記パワー半導体デバイスの少なくとも第１の電圧降下値を測定するステップと、
ｂ）前記パワー半導体デバイスが第２の状態にあって、第２の電流値及び第２の温度値を受けているとき、前記パワー半導体デバイスの少なくとも第２の電圧降下値を測定するステップであって、前記第２の温度値は、±５℃以内で前記第１の温度値に等しく、２つの以下の条件、すなわち、
前記第１の電流値が第１の閾値に等しく、前記第２の電流値が第２の閾値に等しく、前記第２の閾値が前記第１の閾値より厳密に上位である条件と、
前記第１の状態及び前記第２の状態が、少なくとも、前記パワー半導体デバイスの１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルに関して、互いに異なる条件と、
のうちの少なくとも一方が満たされる、測定するステップと、
ｃ）少なくとも２つの前記第１の電圧降下値及び前記第２の電圧降下値を較正データとして保存するステップと、
ｄ）動作条件で、電流と、前記パワー半導体デバイスの動作状態を表す少なくとも１つのパラメータとをモニタリングするステップと、
ｅ）前記パワー半導体デバイスの少なくとも第３の電圧降下値を、
前記パワー半導体デバイスの公称電流の±５％以内で前記第１の電流値に等しい電流下で、かつ、
前記少なくとも１つのモニタリングされるパラメータが、前記パワー半導体デバイスの動作状態に関連して事前に定義された第１の組と、前記パワー半導体デバイスの第３の温度値とに対応する瞬間に、
測定するステップと、
ｆ）前記パワー半導体デバイスの少なくとも第４の電圧降下値を、
前記パワー半導体デバイスの前記公称電流の±５％以内で前記第２の電流値に等しい電流下で、かつ、
前記少なくとも１つのモニタリングされるパラメータが、前記パワー半導体デバイスの動作状態に関連して事前に定義された第２の組と、±５℃以内で前記第３の温度値に等しい前記パワー半導体デバイスの第４の温度値とに対応する瞬間に、
測定するステップと、
ｇ）少なくとも２つの前記第３の電圧降下値及び前記第４の電圧降下値を動作データとして保存するステップと、
ｈ）前記較正データ及び前記動作データの関数として、前記パワー半導体デバイスの劣化状態を推定するように、数値指標を計算するステップと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記パワー半導体デバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、ダイオードアセンブリ又はこれらの素子の組合せを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記パワー半導体デバイスの前記第３の電圧降下値及び前記第４の電圧降下値を測定するステップは、前記少なくとも１つのモニタリングされるパラメータが前記パワー半導体デバイスの事前定義された動作状態に対応する瞬間のみでなく、連続的に又は所定頻度で実施される、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記第２の閾値は、前記第１の閾値の２倍以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記数値指標は、前記較正データの両方が、前記数値指標が前記パワー半導体デバイスの前記電気的接続の劣化の完全な不在に対応する値を有する状況に対応するという仮定から外挿によって計算される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記モニタリングするステップは、少なくとも前記電流の周波数をモニタリングすることを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記少なくとも前記第３の電圧降下値及び前記第４の電圧降下値を測定することは、前記電流の共通の期間の２つのそれぞれの瞬間に行われる、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記モニタリングされるパラメータは、前記パワー半導体デバイスの１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルに関する前記パワー半導体デバイスの状態に対応する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の電圧降下値及び前記第２の電圧降下値を測定するステップａ）及びｂ）は、最大５０ミリ秒の互いに分離した２つのそれぞれの瞬間に行われ、及び／又は、
前記第３の電圧降下値及び前記第４の電圧降下値を測定するステップｅ）及びｆ）は、最大５０ミリ秒の互いに分離した２つのそれぞれの瞬間に行われる、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記少なくとも前記第１の電圧降下値を測定するステップは、前記第１の温度値を測定するステップを更に含み、及び／又は、
前記少なくとも前記第２の電圧降下値を測定するステップは、前記第２の温度値を測定するステップを更に含み、
前記保存するステップは、前記較正データとして、前記第１の電圧降下値及び前記第２の電圧降下値に関連する前記第１の温度値及び前記第２の温度値をそれぞれ保存するステップを更に含み、
前記数値指標を計算するステップは、前記較正データ及び前記動作データの関数として前記第３の温度値及び前記第４の温度値を計算するステップを更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記モニタリングするステップ中にモニタリングされる前記パワー半導体デバイスの動作状態を表す前記少なくとも１つのパラメータは、測定された温度値から導かれ、前記動作データは、前記数値指標を計算するステップに対して前記測定された温度値から導かれる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記方法は、前記数値指標がゼロに等しいとき、前記第１の電流値及び前記第２の電流値の関数として少なくとも２つの前記第１の電圧降下値及び前記第２の電圧降下値の間の関係のモデルを構築するステップを更に含み、前記モデルは、その後、前記較正データ及び前記動作データの関数として前記数値指標を計算するために使用される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

ｉ）前記パワー半導体デバイスの寿命の終わりを推定する方法で、前記数値指標の漸進的変化の外挿により、前記パワー半導体デバイスの劣化モデルを構築するステップ、
を更に含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

少なくとも１つの記憶媒体に動作可能に関連付けられた少なくとも１つのプロセッサと、パワー半導体デバイスにプラグ接続することができる一組のプラグとを備える診断装置であって、前記パワー半導体デバイスにプラグ接続されると、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実施するために構成される、診断装置。

【請求項15】

非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶され、かつ、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実施する命令を含む少なくとも１つのソフトウェアモジュールを含むソフトウェアエージェントの形態でプロセッサによって実行可能なプログラム製品を備える、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワー半導体デバイスの技術分野に関する。より具体的には、本発明は、このようなパワー半導体デバイスの状態を評価する方法と、このような方法を実施するように構成された診断装置とに関する。

【背景技術】

【0002】

通常、パワー半導体デバイスの動作中、ワイヤボンド部及び他の相互接続部（メタライゼーション部及びはんだ部等）は、高い熱変化及び振動を含む、熱機械的応力を受ける。相互接続部、ワイヤボンド部及び／又はメタライゼーション部の劣化は、電流路の電気抵抗の増大（ΔＲ）で現れる。電気抵抗は、電圧降下の増大として測定可能である。ワイヤボンド不良の場合、上記電圧降下は、漸進的及び／又は急峻である可能性がある。パワー電気デバイスの外部で又は直接上記相互接続部で電圧を測定することにより、電圧降下を検出することができる。したがって、このような電圧の増大を測定することは、ワイヤボンド部及び／又はメタライゼーション部の健全性の状態を推定するために有用である。

【0003】

しかしながら、このような電圧は、温度を含む動作条件に大きく依存する。測定電圧に対する劣化の影響から動作条件の影響を識別する／隔離することは困難である。

【0004】

さらに、このようなパワー電気デバイスは、一般に、例えば、取外し不可能な密閉ケーシング内に封入されると、使用中にアクセスすることが困難である。特に、多くのデバイスが、列車のような運行中の車群全体、又はアクセスが困難である風車に搭載される場合、各デバイスの物理的検査は経済的に妥当ではない。一般に、理論的な寿命の期間は、一組における全てのデバイスに対して任意に一定である。それらのデバイスは、デバイスの実際の状態に関わらず、有効なかつ予想外の故障の後に、又は、任意の寿命の期間が超過されたときにのみ、交換される。

【0005】

デバイスを試験するいくつかの既存の方法は、テストベンチにおいて、安定した及び／又は制御された条件で実施されるように計画される。このような方法は、動作使用中のパワー電気デバイスに置き換えることができない。これは、パワー電気デバイス動作を、試験するために中断させることを意味する。これは満足のいく方法ではない。

【0006】

このような問題は、従来技術ではオンライン実施のために十分対処されていない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明はこの状況を改善する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本出願人は、パワー半導体デバイスにおいて電気的接続の劣化状態を確立する方法を提案する。本方法は、
ａ）上記パワー半導体デバイスが第１の状態にあって、第１の電流値（Ｉ_ｏｎ＿１）及び第１の温度値を受けているとき、上記パワー半導体デバイスの少なくとも第１の電圧降下値を測定することと、
ｂ）上記パワー半導体デバイスが第２の状態にあって、第２の電流値及び第２の温度値を受けているとき、上記パワー半導体デバイスの少なくとも第２の電圧降下値を測定することであって、第２の温度値は、±５℃以内で第１の温度値に等しく、２つの以下の条件、すなわち、
−第１の電流値が第１の閾値に等しく、第２の電流値（Ｉ_ｏｎ＿２）が第２の閾値に等しく、第２の閾値が第１の閾値より厳密に上位であることと、
−第１の状態及び第２の状態が、少なくとも、パワー半導体デバイスの１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルに関して、互いに異なることと、
のうちの少なくとも一方が満たされる条件において測定することと、
ｃ）少なくとも２つの値を較正データとして保存することと、
ｄ）動作条件で、電流と、上記パワー半導体デバイスの動作状態を表す少なくとも１つのパラメータとをモニタリングすることと、
ｅ）上記パワー半導体デバイスの少なくとも第３の電圧降下値を、
−パワー半導体デバイスの公称電流の±５％以内で第１の電流値に等しい電流下で、かつ、
−少なくとも１つのモニタリングされるパラメータが、上記パワー半導体デバイスの動作状態に関連する基準の第１の事前定義された組と、パワー半導体デバイスの第３の温度値とに対応する瞬間に、
測定することと、
ｆ）上記パワー半導体デバイスの少なくとも第４の電圧降下値を、
−パワー半導体デバイスの公称電流の±５％以内で第２の電流値に等しい電流下で、かつ、
−少なくとも１つのモニタリングされるパラメータが、上記パワー半導体デバイスの動作状態に関連する基準の第２の事前定義された組と、±５℃以内で第３の温度値に等しいパワー半導体デバイスの第４の温度値とに対応する瞬間に、
測定することと、
ｇ）少なくとも２つの値を動作データとして保存することと、
ｈ）較正データ及び動作データの関数として、上記パワー半導体デバイス１の劣化状態を推定するように、数値指標を計算することと、
を含む。

【0009】

このような方法により、パワー半導体デバイスの健全性の状態及び残存寿命を推定するために、数値的な健全性指標、例えば電気抵抗の増大ΔＲをモニタリングすることができる。このような方法の結果は、動作温度とは無関係である。このような方法は、単一の電圧センサを使用することによって実施することができる。このような方法は低コストである。このような方法は、オフライン較正を必要としない。結果として、旧式のパワー半導体デバイスに本発明によるシステムを装備して上記方法を実施することができる。本方法は、特に、使用される高電流と、測定電圧に対する動作温度のような動作パラメータの高い影響とにより、ダイオード、ＩＧＢＴ及び／又はＭＯＳＦＥＴを含むパワー半導体デバイスにおいて実施されるように適合される。

【0010】

本発明の第２の態様では、本出願人は、少なくとも１つの記憶媒体に動作可能に関連付けられた少なくとも１つのプロセッサと、パワー半導体デバイスにプラグ接続することができる一組のプラグとを備える診断装置を提案する。本診断装置は、上記パワー半導体デバイスにプラグ接続されると、上記に記載の方法を実施するために構成される。

【0011】

本発明の別の態様では、本出願人は、上記に記載の方法を実施する命令を含む少なくとも１つのソフトウェアモジュールを含むソフトウェアエージェントの形態でプロセッサによって実行可能なプログラム製品と、非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶され、かつ、上記に記載の方法を実施する命令を含む少なくとも１つのソフトウェアモジュールを含むソフトウェアエージェントの形態でプロセッサによって実行可能なプログラム製品を含む、非一時的コンピュータ可読記憶媒体とを提案する。

【0012】

本方法及び／又は本装置は、以下の特徴を、別個に又は他の特徴と組み合わせて含むことができる。

【0013】

−パワー半導体デバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオードアセンブリ又はこのような素子の組合せを含む。本方法は、このようなデバイスに対して特に優れた結果を与える。

【0014】

−上記パワー半導体デバイスの電圧降下値を測定することは、少なくとも１つのモニタリングされるパラメータが上記パワー半導体デバイスの事前定義された動作状態に対応する瞬間のみでなく、連続的に又は所定頻度で実施される。これにより、健全性の漸進的変化の連続的なモニタリングを確実にし、あらゆる異常な状況を迅速に検出することができる。

【0015】

−第２の閾値は、第１の閾値の２倍以上である。２つの非常に異なる電流値で電圧降下を測定することにより、より現実的なモデルを構築することができる。指標計算の精度が向上する。

【0016】

−数値指標は、較正データの両方が、数値指標が上記パワー半導体デバイスの電気的接続の劣化の完全な不在に対応する値を有する状況に対応するという仮定から外挿によって計算される。結果として、較正データ測定は、デバイスの寿命の初期時に行うことができ、一方、動作データは、デバイスの実際の動作条件において後に測定される。

【0017】

−モニタリングするステップは、少なくとも上記電流の周波数のモニタリングを含む。これを行うことにより、温度自体を直接測定することができない場合であっても、２つの電圧降下測定に対して温度が実質的に同じであるとすることができる。

【0018】

−基準の第１の事前定義された組及び基準の第２の事前定義された組は、２０Ｈｚ以上の周波数を含む。また、少なくとも第３の電圧降下値及び第４の電圧降下値の測定は、電流の共通の期間の２つのそれぞれの瞬間に行われる。これにより、デバイスの熱慣性のために、温度自体を直接測定することができない場合であっても、２つの電圧降下測定に対して温度が実質的に同じであるとすることができる。

【0019】

−モニタリングされるパラメータは、上記パワー半導体デバイスの１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルに関するパワー半導体デバイスの状態に対応し、基準の第１の事前定義された組及び基準の第２の事前定義された組は、上記ゲートレベルに関してパワー半導体デバイスの状態に関する互いに異なる基準を含む。これにより、デバイスの２つの状態が、２つの電圧降下測定に対して異なるとすることができる。さらに、２回の測定が、ゲートレベルに関する状態の変化の直前及び直後に行われる場合、温度自体を直接測定することができないときであっても、温度が２つの電圧降下測定に対して実質的に同じであるとすることができる。

【0020】

−本方法において、
−上記第１の電圧降下値及び上記第２の電圧降下値を測定するステップａ）及びｂ）は、最大５０ミリ秒の互いに分離した２つのそれぞれの瞬間に行われ、及び／又は、
−上記第３の電圧降下値及び第４の電圧降下値を測定するステップｅ）及びｆ）は、最大５０ミリ秒の互いに分離した２つのそれぞれの瞬間に行われる。これにより、デバイスの熱慣性のために、温度自体を直接測定することができない場合であっても、温度が２つの電圧降下測定に対して実質的に同じであるとすることができる。

【0021】

−本方法において、
−少なくとも第１の電圧降下値を測定するステップは、第１の温度値を測定することを更に含み、及び／又は、
−少なくとも第２の電圧降下値を測定するステップは、第２の温度値を測定することを更に含み、
−保存するステップは、較正データとして、それぞれの電圧降下値に関連する上記温度値各々を保存することを更に含み、
−数値指標を計算するステップは、較正データ及びそれぞれの動作データの関数として温度を計算することを更に含む。温度を直接測定することができる状況では、モデルの構築及び／又は指標計算がより正確なものとなる。

【0022】

−モニタリングするステップ中にモニタリングされる上記パワー半導体デバイスの動作状態を表す上記少なくとも１つのパラメータは、測定された温度から導かれる。また、動作データは、上記数値指標を計算するステップに対して測定された温度値から導かれる。他の利用可能なパラメータ、例えば、電流周波数、及び／又はゲートレベルに関するパワー半導体デバイスの状態を使用することができる。結果として、デバイスの動作寿命中に温度測定が困難であるか又は不可能である場合であっても、本方法を改善することができる。

【0023】

−本方法は、数値指標がゼロに等しいとき、電流値の関数として少なくとも２つの電圧降下の間の関係のモデルを構築するステップを更に含み、このモデルは、その後、較正データ及び動作データの関数としてこの数値指標を計算するために使用される。このようなモデルを構築することにより、温度のいかなる直接的な測定も回避することができる。この方法及びその結果は、温度測定がデバイスの動作寿命中に困難であるか又は不可能である場合であっても、達成可能に維持される。

【0024】

−本方法は、
ｉ）パワー半導体デバイスの寿命の終わりを推定する方法で、数値指標の漸進的変化の外挿により、上記パワー半導体デバイスの劣化モデルを構築するステップ、
を更に含む。このような補足的なステップにより、デバイス、又は類似するデバイスの隊全体の保守スケジューリングを容易にすることができる。

【0025】

他の特徴、詳細及び利点について、以下の詳細な説明においてかつ図に示す。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】パワー半導体デバイスにおける相互に関連する技術的効果の論理図である。

【図2】ＩＧＢＴに対して逆平行に配置されたダイオードのエミッタ−コレクタ電圧の関数としてのエミッタ電流を示す図である。

【図3】ＩＧＢＴのコレクタ電流の関数としてのコレクタ−エミッタ飽和電圧を示す図である。

【図4】ＩＧＢＴの挙動を示す図である。

【図5】ダイオードの挙動を示す図である。

【図6】ダイオードの挙動を示す図である。

【図7】ＩＧＢＴの挙動を示す図である。

【図8】ダイオード又はＩＧＢＴの挙動を示す図である。

【図9】２つのハーフブリッジレッグからなるフルブリッジ構成の図である。

【図10】本発明によるシステムを示す図である。

【図11】電流の２つの値の測定の一例の図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図及び以下の詳細な説明は、本質的に、いくつかの厳密な要素を含む。それらは、本発明の理解を促進するために、また、必要な場合は本発明を定義するために使用することができる。デバイスの３次元構造のいくつかの詳細は、図による以外に網羅的に記述することは困難であることが理解されるべきである。

【0028】

以下、「［２つの値］は実質的に等しい」という言葉は、技術的文脈に従って解釈されなければならない。２つの電流値の場合、許容誤差は、デバイスとその電力環境とによって決まる。例えば、「［２つの電流値］は実質的に等しい」は、使用中のパワー半導体デバイスの基準電流又は公称電流Ｉ_ｎｏｍの±５％、±４％、±３％、±２％又は±１％以内で等しい２つの電流値として理解することができる。２つの温度値の場合、許容誤差は、所望の測定精度によって決まる。例えば、［「２つの温度値］は実質的に等しい」は、±５℃、±４℃、±３℃、±２℃又は±１℃以内で等しい２つの温度値として理解することができる。

【0029】

以下に記載する方法は、特にパワー半導体デバイスに対して、健全性の状態及び／又は残存耐用年数の推定のために、パワー半導体デバイスの条件及び健全性モニタリングの論題に対処する。例えば、本方法は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオード、又はこのような素子の組合せを含むデバイスに対して実施することができる。非限定的な例として、本出願人によって商品化されている以下のモジュール、すなわち、「ＣＭ１５０ＴＸ−２４Ｓ１−大電力スイッチング用絶縁タイプ」が使用されてきた。このモジュールの詳細な特徴を含む技術的情報は、自由にかつ公にアクセス可能である。

【0030】

以下、Ｖ_ｏｎと参照する「電圧降下値」は、パワースイッチングデバイス／モジュール（ダイオードアセンブリ、ＭＯＳＦＥＴ及び／又はＩＧＢＴ）において試験される電子部材の性質に応じて、「オン状態電圧降下」（ＩＧＢＴの場合はコレクタ−エミッタ電圧Ｖ_ｃｅ、ダイオードの場合はアノード−カソード電圧Ｖ_ａｋ、順方向モードのＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン−ソース電圧Ｖ_ｄｓ、又は逆方向モードのＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン−ソース電圧Ｖ_ｓｄと等価である）、又は「ワイヤボンド部電圧降下」（ＩＧＢＴの場合はケルビンとパワーエミッタとの間Ｖ_ｋｅ及びケルビンとパワーソースとの間Ｖ_ｋｓ）に対応する。「電圧降下」は、パワー半導体デバイスの所定入力Ｖ_ｉｎにおける電圧測定値とパワー半導体デバイスの所定出力Ｖ_ｏｕｔにおける電圧測定値との差として理解されなければならない。この文脈で、入力及び出力は、必ずしも、パワー半導体デバイス全体の全体的な入力及び出力ではなく、パワー半導体デバイスに含まれる電子部材の中間的な入力／出力とすることができる。好ましくは、デバイスの全体的な入力及び出力は、特に、パワー半導体デバイスがパッケージ化デバイスである場合に使用される。各実施形態に対して、入力及び出力は、測定された値の間のいかなる差も測定の位置に起因する可能性がないように、方法の各部に対して同じである。以下、「電圧降下」は「Ｖ_ｏｎ」と参照し、Ｖ_ｏｕｔとＶ_ｉｎとの差（Ｖ_ｏｎ＝Ｖ_ｏｕｔ−Ｖ_ｉｎ）として理解されなければならない。

【0031】

図１は、パワー半導体デバイスにおけるワイヤボンド不良及びはんだ不良に関連する正帰還ループである。図１によれば、ワイヤボンド不良は、コンバータの動作中に電気抵抗の漸進的変化ΔＲをモニタリングすることによって検出することができる。電圧降下Ｖ_ｏｎをモニタリングすることによって、電気抵抗の漸進的変化ΔＲはモニタリングすることができる。しかしながら、電圧降下Ｖ_ｏｎは、ボンド不良のみに依存するのではなく、温度Ｔ_ｊ及び電流Ｉ_ｏｎ等の他のパラメータにも依存する。結果として、電圧降下Ｖ_ｏｎを知ることにより、正確な電気抵抗を直接導出することはできない。したがって、電圧降下Ｖ_ｏｎを知ることにより、パワー半導体デバイスに関する正確なワイヤボンド劣化及び関連する健全性情報を直接導出することはできない。

【0032】

以下、パワー半導体デバイス１において電気的接続の劣化状態を確立する方法について説明する。このような方法は、図１０に表すような診断装置１００を使用することによって実施することができる。診断装置１００は、少なくとも１つの記憶媒体に動作可能に関連付けられた少なくとも１つのプロセッサと、パワー半導体デバイス１をモニタリングするためにパワー半導体デバイスの入力及び出力にプラグ接続することができる一組のプラグとを備える。診断装置１００は、パワー半導体デバイス１の入力及び出力にプラグ接続されると、以下に記載する方法を実施するための構成となる。

【0033】

本方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ）パワー半導体デバイスが第１の状態にあって、第１の電流値（Ｉ_ｏｎ＿１）及び第１の温度値（Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）を受けているとき、パワー半導体デバイスの少なくとも第１の電圧降下値（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）を測定するステップと、
ｂ）パワー半導体デバイスが第２の状態にあって、第２の電流値（Ｉ_ｏｎ＿２）及び第２の温度値（Ｔ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）を受けているとき、パワー半導体デバイスの少なくとも第２の電圧降下値（Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）を測定するステップであって、第２の温度値（Ｔ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）は、第１の温度値（Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）に実質的に等しく、２つの以下の条件、すなわち、
−第１の電流値（Ｉ_ｏｎ＿１）が第１の閾値（Ｘ％×Ｉ_ｎｏｍ）に等しく、第２の電流値（Ｉ_ｏｎ＿２）が第２の閾値（Ｙ％×Ｉ_ｎｏｍ）に等しく、第２の閾値（Ｙ％×Ｉ_ｎｏｍ）が第１の閾値（Ｘ％×Ｉ_ｎｏｍ）より厳密に上位であることと、
−第１の状態及び第２の状態が、少なくとも、パワー半導体デバイスの１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルに関して、互いに異なることと、
のうちの少なくとも一方が満たされる条件において、測定するステップと、
ｃ）少なくとも２つの値（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）を較正データとして保存するステップと、
ｄ）動作条件で、電流（Ｉ）と、パワー半導体デバイスの動作状態を表す少なくとも１つのパラメータ（Ｔ、Ｆ_ｍｏｄ、Ｇ）とをモニタリングするステップと、
ｅ）パワー半導体デバイスの少なくとも第３の電圧降下値（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}）を、
−第１の電流値（Ｉ_ｏｎ＿１）に実質的に等しい電流（Ｉ_{１＿ｔｅｓｔ}）下で、かつ、
−少なくとも１つのモニタリングされるパラメータ（Ｔ、Ｆ_ｍｏｄ、Ｇ）が、パワー半導体デバイスの動作状態に関連する基準の第１の事前定義された組と、パワー半導体デバイスの第３の温度値（Ｔ_{１＿ｔｅｓｔ}）とに対応する瞬間に、
測定するステップと、
ｆ）パワー半導体デバイスの少なくとも第４の電圧降下値（Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}）を、
−第２の電流値（Ｉ_ｏｎ＿２）に等しい電流（Ｉ_{２＿ｔｅｓｔ}）下で、かつ、
−少なくとも１つのモニタリングされるパラメータ（Ｔ、Ｆ_ｍｏｄ、Ｇ）が、パワー半導体デバイスの動作状態に関連する基準の第２の事前定義された組と、第３の温度値（Ｔ_{１＿ｔｅｓｔ}）に実質的に等しいパワー半導体デバイス１の第４の温度値（Ｔ_{２＿ｔｅｓｔ}）とに対応する瞬間に、
測定するステップと、
ｇ）少なくとも２つの値（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}）を動作データとして保存するステップと、
ｈ）較正データ（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）及び動作データ（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}；Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}）の関数として、パワー半導体デバイスの劣化状態を推定するように、数値指標（ΔＲ）を計算するステップと、
を含む。

【0034】

任意選択的に、本方法は、
ｉ）パワー半導体デバイスの寿命の終わりを推定する方法で、数値指標（ΔＲ）の漸進的変化の外挿により、上記パワー半導体デバイス１の劣化モデルを構築するステップを更に含む。

【0035】

ステップａ）〜ｃ）は、パワー半導体デバイス１に適用される方法の較正段階として見ることができ、ステップｅ）〜ｈ）は、診断の能動的な段階として見ることができる。ステップａ）〜ｃ）は、例えば、パワー半導体デバイス１の動作寿命の開始時に、又は更にはその動作寿命の前であってもテストベンチにおいて、各パワー半導体デバイス１に対して単一回実施することができる。

【0036】

較正データが保存されたステップｃ）後、ステップａ）〜ｃ）を繰り返す必要なしに、ステップｄ）〜ｈ）を連続的に又は繰返し実施することができる。例えば、モニタリングするステップｄ）は、パワー半導体デバイス１の寿命全体の間に連続的に実施することができる。このような場合、測定するステップｅ）及びｆ）は、パワー半導体デバイス１の事前定義された動作状態が検出される瞬間の間のみでなく、連続的に又は繰返し実施することができる。このような場合、関連する値を動作データとして保存するステップｇ）は、動作データとして関連データのみを記録するための利用可能な測定データ全体の間の選択を含むステップとして見ることができる。ステップａ）及びｂ）の測定は、連続的に又は繰返し実施することもできる。このような場合では、較正データとして関連する値を保存するステップｃ）は、較正データとして関連データのみを記録するための利用可能な測定データ全体の間の選択を含むステップとして見ることができる。

【0037】

較正データを保存するステップｃ）は、温度がおよそ同じである間の、パワー半導体デバイス１の２つの別個の機能モードに対応する少なくとも２つの電圧降下値の選択として見ることができる。動作データを保存するステップｇ）は、パワー半導体デバイス１の動作機能中にデータを取得するための最適な瞬間（複数の場合もある）の選択として見ることができ、上記動作条件は、較正データが測定された条件に可能な限り対応する。

【0038】

ステップａ）及びｂ）により、少なくとも２つの値、例えば、Ｉ_ｏｎ＿１におけるＶ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及びＩ_ｏｎ＿２におけるＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}を得ることができる。いくつかの例では、Ｉ_ｏｎ＿１は低電流であり、Ｉ_ｏｎ＿２は高電流である。この文脈における「低い」及び「高い」は、パワー半導体デバイス１の２つの別個の機能モードに対応するものとして理解されなければならない。２つの別個の機能モードを有することを確実にするように、複数の基準を選択することができる。
−第１の電流値Ｉ_ｏｎ＿１は第１の閾値に等しく、第２の電流値Ｉ_ｏｎ＿２は第２の閾値に等しい。第２の閾値は、第１の閾値に対して厳密に上位である（Ｉ_ｏｎ＿２＞Ｉ_ｏｎ＿１）。
−より正確な実施形態では、第１の閾値は、基準電流、例えば、公称電流値Ｉ_ｎｏｍのＸ％に等しく、第２の閾値は、上記基準のＹ％に等しく、ＹはＸより厳密に大きい（Ｙ＞Ｘ）。例えば、Ｘ＝２０％及びＹ＝８０％、又はＸ＝３０％及びＹ＝６０％、又はＸ＝２０％及びＹ＝６０％である。
−第２の電流値Ｉ_ｏｎ＿２は、第１の電流値の２倍以上である（Ｉ_ｏｎ＿２／Ｉ_ｏｎ＿１≧２）。

【0039】

当業者であれば、パワー半導体デバイス１の２つの別個の機能モードに対応するために応用に応じて閾値電流に関する基準をいかに適合させるかは既知である。可能な限り異なる２つの電流値を有することが好ましい。

【0040】

他の例では、較正データは、少なくとも、パワー半導体デバイス１の１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルＧに関して、２つの異なる状態において得られる。このような例では、較正データＶ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}が取得される電流値Ｉ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２は、互いに等しい場合もあれば異なる場合もある。例えば、電子素子の通過／遮断状態（又は挙動）は、ゲートレベルＧに関して容易に定義することができる。言い換えれば、少なくとも２つの較正データＶ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}は、パワー半導体デバイス１の素子の制御電流がゲートレベルＧに対してそれぞれ上位であるとき及び下位であるときに得ることができる。

【0041】

較正値は、パワー半導体デバイス１が動作可能になる前に、例えば、製造の後の適合性試験中に得ることができる。このような場合、パワー半導体デバイス１は、入力において、電流の２つの別個の選択された値Ｉ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２を自発的に受けることができる。

【0042】

電圧降下値Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}はそれぞれ、Ｖ_ｉｎ及びＶ_ｏｕｔを測定することによって求められる。一対の電圧降下値Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}の測定を繰り返すことができる。このような場合、複数の対の電圧降下値Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}が得られ、「ｉ」は反復指数である。複数の対が測定される場合、測定は、好ましくは、高周波数Ｆ_ｍｏｄで、ただし他の異なる動作条件、例えば、異なるヒートシンク（又はケース）温度、異なる負荷電流Ｉ_ｌｏａｄ（ただし、Ｉ_ｌｏａｄ≧ｍａｘ（Ｉ_ｏｎ＿１，Ｉ_ｏｎ＿２））、異なるスイッチング周波数及び／又は異なる変調周波数で行われる。温度は、好ましくは、同じ対の２つの電圧降下値Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}の間では可能な限り一定であるが、好ましくは、ｉ≠ｊである場合、２つの対Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}；Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｊ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｊ}の間では可能な限り異なる。

【0043】

試験段階（ステップｄ）〜ｈ））は、較正段階（ステップａ）〜ｃ））から時間が経ってから、異なる機器により、及び／又は異なる人により、行うことができる。言い換えれば、２つの段階は、２つの別個の方法として見ることができる。このような場合、較正データは、試験段階を実施するために別のソースから提供することができる。

【0044】

本方法の別の実施形態では、ステップａ）及び／又はｂ）は、パワー半導体デバイス１が動作可能であるとき、例えば、パワー半導体デバイス１がオンラインとなるとすぐに実施することができる。

【0045】

必要な較正データの量がわずかである本方法の一実施形態では、２つの値のみを測定することができる。以下、２つの電圧降下値Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}の間の関係は、曲線の形態を有する。曲線Ｖ_ｏｎ＿２＝ｆ（Ｖ_ｏｎ＿１，ΔＲ＝０）は、これらの２つの値を使用して実施される。複数の対が異なる温度で測定された場合、測定された対と同程度の数の曲線を構築することができる。高電流及び低電流で取得された較正データに対応する例では、低電流Ｉ_ｏｎ＿１での電圧降下Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}と高電流Ｉ_ｏｎ＿２での電圧降下Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}との間の理論的関係を得ることができる。

【0046】

較正の正確な、容易なかつ迅速な確立を可能にする本方法の好ましい実施形態では、Ｖ_ｏｎ＿２＝ｆ（Ｖ_ｏｎ＿１，ΔＲ＝０，変数Ｔ）を確立するために、いくつかの点が測定されフィルタリングされる。例えば、測定の回数及び測定が実施される期間は、固定された持続時間、又は、十分なデータを得るために十分に長い持続時間とすることができる。測定の回数が多いほど、パワー半導体デバイス１の公称動作を特徴付けるように上記関係がより正確に定義される。

【0047】

そして、測定された値は登録される（ステップｃ））。それは、測定された値の対を直接保存することとすることができる。他の実施形態では、測定された値は、保存する前に処理／分析することができる。したがって、処理／分析から得られる較正曲線Ｖ_ｏｎ＿２＝ｆ（Ｖ_ｏｎ＿１，ΔＲ＝０，変数Ｔ）が保存され、したがって、較正データメモリが節約される。

【0048】

いくつかの実施形態では、測定するステップａ）及び／又はｂ）は、温度Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及びＴ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}をそれぞれ測定又は推論して、温度が有効に実質的に等しい（Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}≒Ｔ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）ことを検査することを更に含む。好ましくは、Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}の方が、低電流で温度を測定することがより容易であるため、測定される。このような場合、温度値Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及び／又はＴ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}は、較正データの一部として保存される。言い換えれば、較正データは、例えば以下の形式を有することができる。
−Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}（１つ又はいくつかの測定された値）、Ｉ_ｏｎ＿１（１つの事前定義された値）；Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ＿ｉ}（１つ又はいくつかの測定された値）、Ｉ_ｏｎ＿２（１つの事前定義された値）；
−Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｉ_ｏｎ＿１、Ｔ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}；Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｉ_ｏｎ＿２、Ｔ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}；
−モデルＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}＝ｆ（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}，ΔＲ＝０，Ｔ変数）
−モデルＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}＝ｆ（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}，ΔＲ＝０，Ｔ変数）及びモデルＶ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}＝ｆ（Ｔ，ΔＲ＝０）

【0049】

結果として、数値指標を計算するステップ（ステップｈ））は、電気抵抗ΔＲの計算を含み、任意選択的に、以下に記載するように、温度Ｔの計算を含むことができる。

【0050】

最初に、パワー半導体デバイス１が新しい（使用されていない）とき、接続部及びワイヤボンド部は、無傷であるとみなすことができる。接続部の電気抵抗は、基準として定義し、実質的に、ΔＲ＝０として設定することができる。例えば、以下の形式、すなわち、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}＝ｆ（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）において、低電流Ｉ_ｏｎ＿１における電圧降下Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}と高電流Ｉ_ｏｎ＿２における電圧降下Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}との間の理論的関係を確立することが可能である。任意のΔＲ≧０に対するこのような関係は、以下の単純な解析式、

【数1】

を解くことによって得ることができる。

【0051】

そして、以下の関係、ΔＲ＝ｆ（Ｖ_ｏｎ＿１，Ｖ_ｏｎ＿２）を確立することができる。

【0052】

これらの関係は、曲線の形態を有することができる（例えば、図４及び図５を参照されたい）。較正段階により、ルックアップテーブルの形式で、又は解析（物理又は経験）式（図４〜図７における破線）として、この関係を求めることができる。図４は、例えば、ＩＧＢＴの低電流Ｉ_ｏｎ＿１下での電圧降下Ｖ_ｏｎ＿１及び高電流Ｉ_ｏｎ＿２下での電圧降下Ｖ_ｏｎ＿２をそれぞれ示す。図５は、ダイオードアセンブリに対する同じものを示す。

【0053】

較正データを形成する測定された値は、直接及び／又は確立された関係の形式で保存することができる（ステップｃ））。

【0054】

ダイオード、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴのオン条件電圧、並びにワイヤボンド接続部の両端の電圧降下は、通常、電流Ｉ及び温度Ｔによって決まる。ワイヤボンド劣化の場合、電気抵抗の増大によってもまた、総電圧降下Ｖ_ｏｎの増大がモータらされる。図２（ダイオードアセンブリ）及び図３（ＩＧＢＴ）は、パワー半導体デバイスの挙動を特徴付ける例である。この例において、図２は、例えば、ＩＧＢＴパワーモジュールにおけるダイオードに対する、複数の温度Ｔ_ｊに対するアノード−カソード飽和電圧Ｖ_ＡＣ（ボルト）の関数としてのアノード電流Ｉ_Ａ（アンペア）を示す。図２は、本出願人の「ＣＭ１５０ＴＸ−２４Ｓ１」と参照されるデバイスにおけるダイオード配置の負温度係数（ＮＴＣ）挙動を示す。図３は、例えば、複数の温度Ｔ_ｊに対するコレクタ電流Ｉ_Ｃ（アンペア）の関数としてのコレクタ−エミッタ飽和電圧Ｖ_{ＥＣｓａｔ}（ボルト）を示し、ゲートーエミッタ電圧Ｖ_ＧＥは１５ボルトで一定である。この例において、図３は、４０Ａ未満の電流Ｉ_ｃ（「低電流」）に対する負温度係数（ＮＴＣ）と、４０Ａを超える電流Ｉ_ｃ（「高電流」）に対する正温度係数（ＰＴＣ）とを示す。これは、本出願人の「ＣＭ１５０ＴＸ−２４Ｓ１」と参照するデバイスにおけるＩＧＢＴの挙動に対応する。

【0055】

Ｒ_ｗｂと参照するワイヤボンド部の電気抵抗の増大が生じると、Ｔ_ｗｂと参照するワイヤボンド部の温度の局所的上昇をモータらす可能性がある。ワイヤボンド部の材料（例えば、アルミニウム）の正味抵抗率は、わずかに増大し、明白なより高い抵抗の増大の観察をモータらす可能性がある。このような電気抵抗の増大ΔＲの自己増幅効果は、一般に、デバイス全体に分散されず比較的十分に局所化されるため、無視することができる。以下の関係を公式化することができる。

【数2】

【0056】

パワー半導体デバイス１に応じて、オン条件電流Ｉ_ｏｎは、
−ＩＧＢＴの場合は、コレクタ（若しくはエミッタ）電流、
−ダイオードアセンブリの場合は、アノード（若しくはカソード）電流、又は、
−ＭＯＳＦＥＴの場合は、ドレイン（若しくはソース）電流、
とすることができる。

【0057】

測定データは、センサ、例えば、ホール効果センサ又はシャントセンサから得ることができる。測定データは、パワー半導体デバイスのコントローラ、例えば、コントローラの基準電流から得ることができる。いくつかの既存のパワー半導体デバイスでは、センサは、制御の目的でコンバータに存在する。測定データは、任意選択的に処理を改善することにより、例えば、利得又はオフセット除去を適用することにより、入手可能なデータから推論／推定することができる。

【0058】

較正データが、温度データ、又はΔＲ＝０に対して電圧降下Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}を温度Ｔと相関させるデータを含む場合、温度Ｔを同様に推定することができる。温度に対して特定のセンサがない場合、このような較正は、オンラインで実施することは困難である。特定のセンサがない場合、このような較正は、パワー半導体デバイスの組立前に、オフラインで実施することができる。電気抵抗ΔＲは、随時推定することができる。これは、好ましくは、変調周波数Ｆ_ｍｏｄが高い場合（ＩＧＢＴ及びダイオードアセンブリの場合）に行われる。この状況では、温度Ｔは、熱慣性のために、交流電流（ＡＣ）の期間の１／４（Ｔ_ｍｏｄ／４）の間の定数としてみなすことができる。図６、図７及び図８は、温度Ｔと電圧降下Ｖ_ｏｎとの間の曲線の形態での相関データの例を示す。図６及び図７は、例えば、ダイオードアセンブリ及びＩＧＢＴのそれぞれの高電流Ｉ_ｏｎ＿２下での電圧降下Ｖ_ｏｎを示す。図８は、例えば、ダイオードアセンブリ及びＩＧＢＴの低電流Ｉ_ｏｎ＿１下での電圧降下Ｖ_ｏｎを示す。

【0059】

パワー半導体デバイスがパッケージ化デバイスであるいくつかの実施形態では、オン電圧降下Ｖ_ｏｎは、パッケージ化デバイスのそのオン状態における両端の電圧降下である。例えば、オン状態電圧降下Ｖ_ｏｎは、電圧クランプ、信号調整器及びアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）から構成される回路を使用することによって測定される。

【0060】

ステップｄ）に関して、パワー半導体デバイス１の動作状態を表すモニタリングされる値は、例えば、負荷電流Ｉ_ｌｏａｄ及び／又は変調周波数Ｆ_ｍｏｄを含むことができる。したがって、いくつかの実施形態では、変調周波数Ｆ_ｍｏｄは、電圧降下Ｖ_ｏｎを受け取る又は推定するために有用なパラメータである。パワー半導体デバイスの動作応用に応じて、上記デバイスのうちのいくつかは、例えばモータと組み合わせて、交流電流（ＡＣ）で使用される。このような場合、負荷電流Ｉ_ｌｏａｄは、周期的形状、例えば、正弦波挙動を有する。変調周波数Ｆ_ｍｏｄは、可変であり、例えば、１Ｈｚ〜１ｋＨｚにある。例えば、同期モータに接続されたコンバータとして使用されるデバイスの場合、変調周波数は、モータの回転速度に対して比例する。１つの例は電気自動車である。このような応用では、変調周波数Ｆ_ｍｏｄは、自動車を低速で運転しているときは低く、自動車を高速で運転しているときは高い。変調周波数Ｆ_ｍｏｄは、電流値及び電圧値から導出することができる。変調周波数Ｆ_ｍｏｄはまた、外部コントローラによっても提供することができる。

【0061】

ステップａ）、ｂ）、ｃ）、ｅ）、ｆ）及びｇ）は、少なくとも一対の２つの関連する電圧降下（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}）並びに（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}）の関連する測定値を得るために最良の瞬間に実施されるように構成される。それに従って、測定するステップｅ）及びｆ）の基準の第１の事前定義された組及び第２の事前定義された組が選択される。好ましくは、基準の第１の事前設定された組及び第２の事前設定された組は、互いに一貫して選択される。

【0062】

例えば、最良の瞬間は、２つの電圧降下Ｖ_ｏｎ＿１及びＶ_ｏｎ＿２が測定される時に温度Ｔが実質的に同じであることが好ましい。例えば、２つの電圧降下Ｖ_ｏｎ＿１及びＶ_ｏｎ＿２は、連続した瞬間に測定される。例えば、最大５ミリ秒の分離された２つの瞬間において２つの測定を改善するように基準の第１の組及び第２の組を選択することができる。例えば、２つの電圧降下Ｖ_ｏｎ＿１及びＶ_ｏｎ＿２は、ＡＣ電流の期間の同じ１／４（Ｔ_ｍｏｄ／４）において、かつ高い変調周波数Ｆ_ｍｏｄ、例えば、Ｚより上位の変調周波数（Ｚは、２０Ｈｚ、３０Ｈｚ又は５０Ｈｚに等しい）に対して測定される。図１１は、期間Ｔの１／４未満の互いに分離された２つの連続した瞬間での２つの別個の電流値Ｉ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２における別個の電圧降下値Ｖ_ｏｎ＿１及びＶ_ｏｎ＿２を測定する一例を示す。

【0063】

パワー半導体デバイス１の動作状態を表す少なくとも１つのモニタリングされる値は、パワー半導体デバイス１が受ける電流Ｉ_ｏｎ自体を含むことができる。このような場合、基準の組は、上記電流Ｉ_ｏｎ自体に関する基準を含むことができる。これにより、例えば低電流及び高電流下での電流Ｉ_ｏｎに関する２つの別個の状況における測定を改善することができる。例えば、基準の第１の事前定義された組は、第１の閾値より下位のモニタリングされる電流値Ｉを含む。基準の第２の事前定義された組は、第２の閾値より上位のモニタリングされる電流値Ｉを含む。第２の閾値は、例えば、第１の閾値より上位であるように選択される。例えば、閾値は、公称電流値Ｉ_ｎｏｍの一部として定義され、第１の閾値は、公称電流値Ｉ_ｎｏｍのＸ％であり、第２の閾値は、公称電流値Ｉ_ｎｏｍのＹ％である。例えば、Ｘは、２０％、３０％又は４０％である。例えば、Ｙは、６０％、７０％又は８０％である。これらの値は、パワー半導体デバイス１の公称電流値Ｉ_ｎｏｍの関数として、応用のタイプに応じて、かつ電流センサの特徴（精度及び正確さ）に応じて、定義することができる。第１の電流値Ｉ_ｏｎ＿１及び第２の電流値Ｉ_ｏｎ＿２に関する条件が満たされる（一方が他方に対して厳密に上位である）実施形態では、ステップｅ）、ステップｆ）それぞれの基準の組は、ステップａ）、ステップｂ）それぞれの条件と同じとすることができる。

【0064】

パワー半導体デバイス１の動作状態を表す少なくとも１つのモニタリングされる値は、パワー半導体デバイス１が受ける電流Ｉ_ｏｎ自体と、パワー半導体デバイス１の１つのトランジスタ又は一組のトランジスタのゲートレベルＧとを含むことができる。このような場合、基準の組は、以下のようにすることができる。
−基準の第１の事前定義された組は、低レベルのゲートレベルを含み、かつ、
−基準の第２の事前定義された組は、高レベルのゲートレベルを含む。

【0065】

同じ実施形態において、２つのステップａ）及びｂ）の間の異なる電流値Ｉ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２に関する条件を、ゲートレベルに関して定義される動作状態に関連するステップｅ）及びｆ）に対する基準の２つの組と組み合わせることができ、その逆も可能である。

【0066】

条件（ステップａ）及びｂ））及び／又はゲートレベルに関する基準（ステップｅ）及びｆ））を含む実施形態は、外部逆平行ダイオードのないＭＯＳＦＥＴに対して特に好適である。ＭＯＳＦＥＴがオン（高ゲートレベル）であるとき、電流Ｉ_ｏｎ＿１に対して電圧（Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及び／又はＶ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}）が測定される。ＭＯＳＦＥＴがオフ（低ゲートレベル）でありかつ内部ボディダイオードが導通しているとき、電流Ｉ_ｏｎ＿２に対して電圧（Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}及び／又はＶ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}）が測定される。電流値Ｉ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２は、等しくかつ負（ソースからドレインに流れる）とすることができる。

【0067】

健全性の状態を非常に頻繁に推定することは必要ではない可能性があるため、少なくともいくつかの実施形態に対して或る特定の動作時間に対して健全性推定を非アクティベートするように決定することができる。

【0068】

他の実施形態では、パワー半導体デバイス１の電圧降下値Ｖ_ｏｎ＿１及びＶ_ｏｎ＿２の測定と、パワー半導体デバイス１が受ける電流値Ｉ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２の測定とは、少なくとも１つのモニタリングされる値（例えば、Ｆ_ｍｏｄ及び／又はＩ_ｌｏａｄ）が（基準の組が守られる場合）パワー半導体デバイス１の第１の事前定義された動作状態又は第２の事前定義された動作状態に対応する瞬間のみではなく、連続的に又は所定頻度で実施される。言い換えれば、電圧降下Ｖ_ｏｎ及び電流Ｉ_ｏｎは、連続的にモニタリングすることができ、動作データＶ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}、Ｉ_ｏｎ＿１、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}、Ｉ_ｏｎ＿２は、後処理によって定義することができる、又は、モニタリングは、電流がＩ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２に等しいときにトリガーされる。

【0069】

電流がＩ_ｏｎ＿１及びＩ_ｏｎ＿２に等しいときにのみのトリガーすることを含む実施形態は、ボディダイオードＭＯＳＦＥＴを含む、ＩＧＢＴ及びダイオードのようなバイポーラデバイスに対して特に好適である。このような実施形態は、低電流Ｉ_ｏｎ＿１及び高電流Ｉ_ｏｎ＿２下での測定と組み合わせると特に有利である（上記例を参照されたい）。

【0070】

基準の上記例は、互いに組み合わせることができる。

【0071】

数値指標を計算するステップｈ）において、測定電圧Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}を含む動作データは、較正データ、Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｉ_ｏｎ＿１及び／又はＴ_{１＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｖ_{ｏｎ＿２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}、Ｉ_ｏｎ＿２及び／又はＴ_{２＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ}と合わせて使用されて、電気抵抗の増大ΔＲ、及び、任意選択的に、較正データが電圧降下Ｖ_ｏｎの関数として温度を推定するデータを含む場合は温度Ｔが、推定される。

【0072】

別の観点では、本方法は、以下のように分解することができる。
１）較正データを受け取るか又は生成し、
２）動作条件に関する情報を受け取るか又は測定し、
３）健全性の状態の推定及び／又は温度の推定に対する瞬間を決定し、
４）電流Ｉ_ｏｎ＿１において第１の電圧降下測定値Ｖ_ｏｎ＿１を受け取るか又は測定し、
５）電流Ｉ_ｏｎ＿２において第２の電圧降下測定値Ｖ_ｏｎ＿２を受け取るか又は測定し、
６）以下を含む、データの処理を行う。
ａ．先行して推定されたΔＲを使用して接合部温度を推定し、及び／又は、
ｂ．電気抵抗の増大ΔＲを推定する。

【0073】

本出願人が試験した一例において、温度Ｔに対する較正後にモデルが確立された。収束により以下の関係に至る。

【0074】

【数3】

このような式では、第１部は接続抵抗（ワイヤボンド）であり、第２部はダイ電圧降下である。

【0075】

以下、この関係を使用してΔＲ及びＴを推定する。

【0076】

１．目的：Ｔ推定
モジュールは新しい（使用されていない）ため、ΔＲ＝０とみなす。
Ｆ_ｍｏｄは高い必要はなく、従ってＴ_１≠Ｔ_２である。
上記式及び測定されたＶ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}を使用して、Ｔ_１及びＴ_２を推定することができる。
実際の温度Ｔ_{１ｒｅａｌ}＝８０℃及びＴ_{２ｒｅａｌ}＝９０℃と想定し、上記式が正しい場合、Ｖ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}及びＶ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}の測定値により、Ｔ_１及びＴ_２を正確に推定することができる。
ａ．低電流（Ｉ_ｏｎ＿１＝２Ａ）、測定されたＶ_{ｏｎ＿１＿ｔｅｓｔ}＝０．７１２Ｖにより、推定温度は８０℃になる。
ｂ．高電流（Ｉ_ｏｎ＿２＝１００Ａ）、測定されたＶ_{ｏｎ＿２＿ｔｅｓｔ}＝２．２４Ｖにより、推定温度は９０℃になる。
したがって、式は正確である。

【0077】

２．目的：Ｔ推定
劣化による５ｍΩの抵抗増大、ただしそれは未知である（ΔＲ＝０ｍΩと想定される）。
ΔＲの不適切な推定による誤りが、Ｔ_２の推定に影響を与える。
ΔＲ_ｒｅａｌ＝５ｍΩ、Ｔ推定（現実＝８０℃及び９０℃）
ａ．低電流（Ｉ_ｏｎ＿１＝２Ａ）、測定されたＶ_ｏｎ＝０．７１３Ｖにより、推定温度は８０℃の代わりに７９．７５℃になる。
ｂ．高電流（Ｉ_ｏｎ＿２＝１００Ａ）、測定されたＶ_ｏｎ＝２．２９Ｖにより、推定温度は９０℃の代わりに７７．５℃になる。
したがって、ΔＲの値は更新されなければならない。

【0078】

３．目的：高いＦ_ｍｏｄでのΔＲ推定
ΔＲ_ｒｅａｌ＝５ｍΩ、ΔＲ推定（現実＝８０℃）
ａ．低電流（Ｉ_ｏｎ＿１＝２Ａ）、測定されたＶ_ｏｎ＝０．７１３Ｖにより、推定温度は８０℃の代わりに７９．７５℃になる。ここでは、温度のみを推定する。
ｂ．高電流（Ｉ_ｏｎ＿２＝１００Ａ）、（高いＦ_ｍｏｄのため実際は８０℃での）測定されたＶ_ｏｎ＝２．３３Ｖにより、推定されたΔＲは（モデルに従って７９．７５℃で）４．９ｍΩになる。ここで、ΔＲが推定される。

【0079】

ΔＲ推定の後、それを再度用いて、温度及び損傷が推定され、Ｔ及びΔＲ測定の収束に至る。

【0080】

以下、パワー半導体デバイスの様々なタイプ／構成に応じて、実施形態のいくつかの例について説明する。

【0081】

第１の例では、パワー半導体デバイス１は、ハーフブリッジ構成を有する。図９は、例えば、２つのハーフブリッジレッグからなるフルブリッジ構成を示す。ダイオードが、ＩＧＢＴに対して逆平行に接続されている。電圧は、組合せの両端で検知される。負荷における電流が検知される。負荷電流に応じて、測定される電圧降下は、ＩＧＢＴの両端（正の電圧）又はダイオードの両端（負の電圧）である。各デバイスのモニタリングは、例えば、続く半変調期間中に実施される。

【0082】

第２の例では、パワー半導体デバイス１は、ゲート電圧感度として使用される。いくつかのＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴに対して、Ｖ_ｏｎ（Ｉ_ｏｎ）曲線の温度感度は、ゲート電圧によって決まる。これにより、図４〜図８に示すように、曲線Ｖ_ｏｎ＿２（Ｖ_ｏｎ＿１）及びＶ_ｏｎ（Ｔ_ｊ）が変更される。したがって、ゲート電圧は、ΔＲのみを推定する方法と、ΔＲ及びＴ_ｊを推定する方法との両方に対して感度を増大させるように制御することができる。これには、ゲート電圧を制御する特別な手段が必要である。このような場合、適切なゲート電圧により、Ｖ_ｏｎ＿１をＶ_ｏｎ＿２にかつ（ΔＲ又はＶ_ｏｎ）を（Ｔ_ｊ、Ｉ_ｏｎ及びΔＲ）に相関させるモデルを確立することが必要である。

【0083】

第３の例では、本方法を使用して、パワー半導体デバイス１の健全性の状態が推定される。電気抵抗の増大ΔＲを直接使用して、健全性の状態を推定することができる。例えば、１ｍΩの増大は、５０％の損傷レベルを示すことができる。

【0084】

第４の例では、本方法を使用して、応力カウントを使用することによりパワー半導体デバイス１の健全性の状態が推定される。オンラインで推定される接合部温度は、「レインフロー」アルゴリズム等、温度サイクルカウントアルゴリズムへの入力として使用することができる。コフィン−マンソンモデル又は結合されたコフィン−マンソン及びアレニウスモデル等のいわゆる損傷モデルを使用して、各サイクルによってモータらされる損傷を推定することができる。そして、線形累積則等の損傷累積則を使用して、全体的な損傷を推定することができる。

【0085】

第５の例では、本方法を使用して、熱抵抗パラメータを使用することによりパワー半導体デバイス１の健全性の状態が推定される。ダイにおける電力損失Ｐ_ｌｏｓｓは、入力Ｉ_ｏｎ、Ｖ_ｏｎを用いる損失モデルによって推定することができる。ダイとベースプレートとの間の温度差ΔＴは、Ｔ_ｊ推定値及びケース温度Ｔ_ｃを使用して推定することができる。温度抵抗Ｒ_ｔｈは、Ｐ_ｌｏｓｓ及びΔＴ＝Ｔ_ｊ−Ｔ_ｃを使用して推定することができる。

【0086】

任意選択的なステップｉ）を含む第６の例では、本方法を使用して、パワー半導体デバイス１の寿命の終わり（すなわち、残存耐用年数、ＲＵＬ）が推定される。これには、パラメータの時間での外挿が必要である。このパラメータは、健全性の状態、及び／又は電気抵抗の増大ΔＲ、及び／又は熱抵抗の増大とすることができる。外挿を実施するために、これらのパラメータの漸進的変化のモデルが必要である可能性がある。モデルの１つの物理的に的確な例は以下の通りである。

【数4】

【0087】

それは、メタライゼーション部の抵抗の線形増大とワイヤボンド部における線形亀裂進展とを想定する簡易モデルである。このようなモデルは、特定し／当てはめ、その後、外挿することができる。閾値との交差点が寿命の終わりを与える。

【0088】

上述した例は、互いに、かつ上述した実施形態と組み合わせることができる。パワー半導体デバイス１における電気的接続及びパワー半導体デバイス１の健全性の劣化状態を確立する方法は、様々な技術分野において、特に牽引機器、風力エネルギー、ファクトリーオートメーション又は自動車において、様々なパワーモジュールに適用することができる。

【0089】

本発明を方法として説明した。別の態様ではまた、本発明は、少なくとも１つの記憶媒体に動作可能に関連付けられた少なくとも１つのプロセッサと、パワー半導体デバイス１にプラグ接続することができる一組のプラグとを備える診断装置１００（図１０に示す）として見ることができる。このような診断装置１００は、パワー半導体デバイス１にプラグ接続されると、上記に記載の方法を実施するために構成される。本発明はまた、例えば、動作アセンブリを形成するように互いに動作可能に結合することができるパワー半導体デバイス１及び診断装置１００を備えるキットの形態も有することができる。

【0090】

本発明は、単に例である、本明細書に記載したデバイス、アセンブリ、キット及びプロセスに限定されない。本発明は、当業者が添付の請求項の範囲内で構想するであろう全ての代替形態を包含する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】