特許 7262678 パワー半導体素子及びパワーユニットの接合部のパラメーターを推定する方法

(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】

(24)【登録日】2023-04-13

(45)【発行日】2023-04-21

(54)【発明の名称】パワー半導体素子及びパワーユニットの接合部のパラメーターを推定する方法

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/00 20060101AFI20230414BHJP

   G01R 31/26 20200101ALI20230414BHJP

   G01K 7/42 20060101ALI20230414BHJP

   G01K 7/01 20060101ALI20230414BHJP

【ＦＩ】

G01K7/00 381L

G01R31/26 A

G01R31/26 B

G01K7/42 Z

G01K7/01 M

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022541105

(86)(22)【出願日】2020-10-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-10

(86)【国際出願番号】 JP2020040733

(87)【国際公開番号】W WO2021124707

(87)【国際公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-03-08

(31)【優先権主張番号】19306719.6

(32)【優先日】2019-12-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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．

【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ ４６， １１１９ ＮＳ Ｓｃｈｉｐｈｏｌ Ｒｉｊｋ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(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】ボワイエ、ニコラ

(72)【発明者】

【氏名】モロヴ、ステファン

【審査官】平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２６９８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５２７７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１３６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５２９１８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ １／００－１９／００

Ｇ０１Ｒ ３１／２６

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２，２７／０４

Ｈ０２Ｍ １／００，７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法であって、
前記パワー半導体素子上のＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃの測定により少なくとも１つの安定したオンライン動作条件を検出することであって、ここで、Ｉｏｎは、前記パワー半導体素子のオン状態電圧Ｖｏｎが温度感度である電流であり、Ｔｃは、前記パワー半導体素子のケースの温度であることと、
前記少なくとも１つの安定した動作条件のパラメーターの少なくとも１つのセットＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃを測定し、記憶することと、
計算ユニットにおいて、未知のパラメーターの第１のセットθｅｌｅｃを含む電気モデルＴｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）の接合部温度推定Ｔｊと、未知のパラメーターの第２のセットθｍｏｄを含む熱モデルＴｊｍｏｄ＝Ｇ（Ｉｏｎ，Ｔｃ，θｍｏｄ）の別の接合部温度推定Ｔｊｍｏｄとの間の誤差最小化計算を提供し、前記誤差の最小化をもたらすパラメーターの少なくとも１つのセットθｅｌｅｃ及びパラメーターの少なくとも１つのセットθｍｏｄを得ることと、
Ｔｊの前記計算された値を、前記パラメーターの計算されたセットθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄのうちの少なくとも１つ及び測定されたＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃと共に提供することと、
前記パラメーターの少なくとも１つのセットθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄ、及び／又はＴｊを記憶することと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記誤差最小化計算は、前記パラメーターのセットの様々な組み合わせを走査し、所定の限界値よりも低い誤差εを呈する組み合わせを選択するアルゴリズムを含む、請求項１に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項3】

前記誤差最小化計算は、Ｎ元連立方程式を生成するのに十分なＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃ、Ｉｏｎの二乗平均平方根であるＩｒｍｓのＮ個のオンライン測定値のセットを提供することであって、ここで、Ｎはθｅｌｅｃとθｍｏｄとを一緒にしたパラメーターの数以上であることを含み、Ｎ個の方程式を解く分析計算アルゴリズムにより未知のθｅｌｅｃを計算することを含む、請求項１に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項4】

前記誤差最小化計算は、前記推定されたパラメーターのセットによる、前記電気モデルと前記熱モデルとの間の二乗誤差のオンライン測定値（Ｐ）のセットにわたる和を最小にすることを含む、請求項１に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項5】

パワーがないときに第１の測定中に一様ベクトルを初期化することと、
前記オンライン測定値間の相関時点を計算し、インクリメントし、記憶することと、
前記相関時点の逆行列と前記一様ベクトルとの積として前記推定パラメーターを特定することと、
を更に含む、請求項４に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項6】

前記電気モデルは以下の形態をとり、

【数1】

前記熱モデルは以下の簡略化された形態をとり、

【数2】

ここで、Ｔ０は基準温度であり、Ｖ０は前記基準温度Ｔ０におけるＶｏｎ電圧であり、「ａ」はＶｏｎの温度感度であり、Ｔｊは前記パワー半導体素子のダイ温度であり、Ｈは用いられる前記パワー半導体の種類に応じたＩｒｍｓの関数を定義し、ＩｒｍｓはＩｏｎから推定され、Ｔｃは測定される、請求項１に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項7】

前記電気モデルは、或る特定のＩｏｎにおいて測定されたＴｊ＝Ｔ０＋α_Ｉｏｎ．（Ｖｏｎ－Ｖ０_Ｉｏｎ）の形態をとり、前記方法は、前記電気モデルの前記パラメーターα_Ｉｏｎ及びＶ０_Ｉｏｎを推定する、請求項１に記載の前記誤差最小化計算を含み、ここで、α_Ｉｏｎは所定の電流ＩｏｎについてのＶｏｎの温度感度であり、Ｖ０_Ｉｏｎは、所定の基準温度Ｔ０及び前記所定の電流Ｉｏｎにおける電圧である、請求項１～５のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項8】

Ｖｏｎの前記温度感度は、Ｎ個の電流Ｉｏｎ _ｉ ｉ＝１：Ｎ及び測定値のＭ個のセットについて定義され、ここでＭ≧Ｎであり、ここで、前記方法は、前記電気モデルによって推定されたＴｊと前記熱モデルによって推定されたＴｊとの間の誤差を最小にすることによってＶ０ _ｉ ＝Ｖ０ _Ｉｏｎ 、ただし、ｉ＝１：Ｎ、を特定することを含む、請求項６又は７に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項9】

同じ電流であるが異なる動作条件における少なくとも２つの測定値を用いた電圧Ｖ０の推定を含み、少なくとも２つのセットＶｏｎ１，Ｉｏｎ１，Ｔｃ１，Ｉｒｍｓ１及びＶｏｎ２，Ｉｏｎ２，Ｔｃ２，Ｉｒｍｓ２がモニタリングされ、ここでＩｏｎ１＝Ｉｏｎ２、Ｔｃ１＝Ｔｃ２であり、Ｉｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２であり、ここで、θｅｌｅｃのパラメーターは、電流Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２及び前記所定の温度値Ｔ０におけるＶｏｎの値Ｖ０であり、モニタリングは、以下の手順、すなわち、
前記負荷電流が前記所定の電流に等しい（Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ１）ときに第１の時点を検出し、この第１の時点におけるＶｏｎ１である第１のＶｏｎを保存することと、
前記負荷電流が前記所定の電流に等しく（Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ２＝Ｉｏｎ１）、前記ケース温度Ｔｃ２＝Ｔｃ１であり、この第２の時点におけるＶｏｎが前記第１の時点において測定されたＶｏｎと異なるとき、少なくとも第２の時点を検出し、この第２の時点におけるＶｏｎ２である第２のＶｏｎを保存することと、
を用いて実行される、請求項６に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項10】

前記電流Ｉｏｎは、前記ピーク又はＲＭＳ電流に対する既知の係数に比例し、前記損失モデルは、このピーク又はＲＭＳ電流の関数として表され、前記方法は、前記電気モデルと前記熱モデルとの間の誤差の最小化に基づいて少なくとも２つの推定を生成することを含み、前記方法は、
少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２、Ｉｏｎ３について、少なくとも２つのセット、Ｉｒｍｓ１、Ｔｃ１に比例するＶｏｎ１、Ｉｏｎ１及びＩｒｍｓ２、Ｔｃ２に比例するＶｏｎ２、Ｉｏｎ２を選択して用いるプロセスを少なくとも２回実行することによってＶｏｎの温度感度を推定することであって、ここで、Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２、Ｉｒｍｓ１＝Ｉｒｍｓ２及びＴｃ１≠Ｔｃ２であることと、
少なくとも３つのセット、Ｉｒｍｓ１、Ｔｃ１に比例するＶｏｎｌ、Ｉｏｎ１、Ｉｒｍｓ２、Ｔｃ２に比例するＶｏｎ２、Ｉｏｎ２及びＩｒｍｓ３、Ｔｃ３に比例するＶｏｎ３、Ｉｏｎ３を選択して用いることによって、基準温度Ｔ０及び少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３におけるＶｏｎ電圧Ｖｏｎ０１、Ｖｏｎ０２及びＶｏｎ０３を推定することであって、ここで、Ｔｃ１≠Ｔｃ２≠Ｔｃ３又はＩｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２≠Ｉｒｍｓ３であることと、
を含む、請求項９に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項11】

前記少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３は、同じ温度における３つの点（Ｖｏｎ０１，Ｉｏｎ１）、（Ｖｏｎ０２，Ｉｏｎ２）及び（Ｖｏｎ０３，Ｉｏｎ３）が同じ線上に位置決めされるように前記パワー半導体素子の静的特性の線形領域において更に選択される、請求項１０に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を含む、パワー半導体素子の健全性状態を推定する方法であって、前記方法は、前記パワー半導体素子の寿命における様々な時点に実行され、ここで、前記熱モデルの前記パラメーターθｍｏｄは、少なくとも、前記時点において記憶された熱抵抗Ｒｔｈを表すパラメーターを提供し、Ｒｔｈの進展を用いて前記パワー半導体素子の前記健全性状態にアクセスする、方法。

【請求項13】

請求項１～１１のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を含む、パワー半導体素子の健全性状態を推定する方法であって、Ｖｏｎの前記温度感度は、Ｎ個の電流Ｉｏｎ _ｉ ｉ＝１：Ｎ及び測定値のＭ個のセットについて定義され、ここでＭ≧Ｎであり、ここで、前記方法は、前記電気モデルによって推定されたＴｊと前記熱モデルによって推定されたＴｊとの間の誤差を最小にすることによってＶ０ _ｉ ＝Ｖ０ _Ｉｏｎ 、ただし、ｉ＝１：Ｎ、を特定し、前記パラメーターを推定する方法は、前記パワー半導体素子の寿命における様々な時点に行われ、これらの時点の間に少なくとも１つのパラメーターＶ０ｉを記憶することを含み、Ｖ０ｉの進展を調査して前記パワー半導体素子の健全性状態の診断手段を提供することを含む、方法。

【請求項14】

請求項１～１１のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を含む、パワー半導体素子の接合部の温度を推定する方法であって、前記パワー半導体素子の動作の第１の時点において較正を実行することを含み、前記較正は、前記第１の時点において、θｅｌｅｃ０パラメーターの第１のセットを計算し、記憶することを含み、他の時点において、前記パラメーターの第１のセットθｅｌｅｃ０及び前記他の時点におけるＶｏｎ及びＩｏｎのオンライン測定値を用いて式Ｔｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）を計算し、前記他の時点における前記接合部温度を推定することを含む、方法。

【請求項15】

請求項１～１１のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を含む、前記パワー半導体素子の動作の初期時点において第１の較正を実行することと、前記初期時点において、パラメーターの第１のセットθｍｏｄ０を計算し、記憶することとを含み、他の時点において、このパラメーターのセットを、前記他の時点におけるＶｏｎ及びＩｏｎのオンライン測定値と共に用いて式Ｔｊ＝Ｇ（Ｉｏｎ，Ｔｃ，θｍｏｄ）を計算し、前記他の時点における前記接合部温度を推定することを含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体素子の接合部の温度を推定する方法。

【請求項16】

前記式Ｔｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）は

【数3】

であり、θｅｌｅｃは前記パラメーターセット（ｆ，ｇ，ｈ，ｋ）である、請求項１４又は１５に記載の半導体素子の接合部の温度を推定する方法。

【請求項17】

パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子のオンラインＶｏｎ、Ｉｏｎ及びＴｃを感知するセンサーと、モニタリングユニットとを備えるパワーユニットであって、前記モニタリングユニットは、前記センサーから測定データを受信するための入力インターフェースと、請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法を実施するように構成された計算プロセッサ及びストレージメモリとを備える、パワーユニット。

【請求項18】

前記モニタリングユニットは、前記パワー半導体素子の寿命中に請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法に従って前記パワー半導体素子の接合部のパラメーターの推定をスケジューリングし、前記パワー半導体素子の潜在的に有害なＴｊ値及び潜在的故障を検出する測定プログラムを備える、請求項１７に記載のパワーユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換器等の機器におけるＩＧＢＴ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴモジュール等のパワー半導体の接合部のパラメーターを推定して、そのようなパラメーターの調査を提供し、モニタリングシステムにおいて、そのような半導体の接合部温度、及び／又は状態及び可能性のある劣化のモニタリングを提供する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

そのような半導体接合部温度等のパラメーターの推定は、パワー半導体モジュールの診断及び予測に重要である。

【0003】

熱モデルに基づくパワー半導体モジュールの温度推定は、そのようなモジュールの全ての動作条件について温度推定値をもたらすため魅力的である。しかしながら、そのような推定は、パワー半導体モジュールの正確な電力損失測定、並びにパワー半導体モジュール及び冷却アセンブリの正確な熱モデルを必要とするが、これは、実装条件及び動作条件に対するそのようなモデルの感度及び変動性に起因して事前に確立するのが非常に困難である。加えて、モジュールの熱インピーダンスが、パワーモジュールの経年劣化と共に発展することで、そのような推定が信頼性のないものとなる。

【0004】

温度感知電気パラメーター（ＴＳＥＰ）としての電圧Ｖｏｎに基づく温度推定は、ＩＧＢＴ、ダイオード及びＭＯＳＦＥＴのいずれにも適用され、動作又はゲート信号の変更を必要とせず、測定が計算間で低速で（数μｓ範囲）行われるため、魅力的である。しかしながら、ゼロ温度係数（ＺＴＣ）電流領域、及び／又は高電流における寄生素子の影響、及び／又は広範にわたる較正要件に起因して、全ての動作点について推定を行うことは不可能であるか又はコストが高すぎる。

【0005】

Ｖｏｎは、例えば、カソード－アノード間電圧、又はドレイン－ソース間電圧、又はコレクター－エミッター間電圧である。

【0006】

ＺＴＣに関連付けられた問題は根本的であるが、他の電流値において温度測定を行うことによって扱うことができる。寄生素子の影響に関連付けられた問題は、オンラインデータを用いた較正を行い、寄生素子が較正データ自体において検討されることにより、部分的に補償されるようにすることによって最小限にすることができる。定期的な再較正により、デバイスの経年劣化を検出し（状態モニタリング）、接合部温度の推定においてこの経年劣化を補償することができる。オンラインデータを用いた再較正の場合、通常動作が再較正中に中断される必要がない。最後に、オンラインデータを用いた較正は、関連コストも低減することができる。なぜなら、製造ラインの最後に、又は製品寿命の間に、変換器の通常動作に影響を及ぼす特殊な専用診断手順を伴う専用ルーチンが必要とされないためである。

【0007】

しかしながら、ＴＳＥＰとしてのＶｏｎについてのオンラインデータを用いる較正は、Ｖｏｎが主に負荷電流に依存することに起因して特に困難である。

【0008】

負荷電流が正弦波であるインバーター又は整流器において、較正は、ＲＭＳ電流Ｉｒｍｓ又はピーク負荷電流Ｉｐｋと異なる、これらと無関係の電流ＩｍｅａｓｕｒｅにおいてＶｏｎを測定することが可能であることを用いることができる。測定電流が強力に拘束され、ピーク又はＲＭＳ電流にリンクしているＤＣ／ＤＣ変換器の場合、オンライン較正は更に一層困難である。

【0009】

非特許文献１は、現場応用における、パワーモジュールにおける条件モニタリングのためのパラメーターとして定義及び提案される仮想温度を用いる方法を開示している。しかしながら、オンライン電圧、電流及び温度を用いてモニタリングモデルを較正することは、本発明によって対処される課題として残っている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【文献】Document B. Rannestad、K. Fischer、P. Nielsen、K. Gadgaard及びS. Munk-nielsen「Virtual Temperature Detection of Semi-conductors in a Mega Watt Field Converter」IEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS vol. 0067, no. 2, FEBRUARY 2020

【発明の概要】

【0011】

したがって、本発明によって対処される問題は、パワー半導体の接合部の温度Ｔｊと、そのようなパワー半導体にわたる電圧Ｖｏｎ及びそのようなパワー半導体を通る電流Ｉｏｎとの間の関係におけるパラメーターの推定を提供し、半導体の健全性をその寿命の間調査することである。

【0012】

本発明は、上記関係の初期パラメーターと、通常動作条件中の更なる推定によるこれらのパラメーターの進展の分析とを提供し、パワー半導体（ＩＧＢＴ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ）又はパワー半導体モジュールの劣化の推定及び／又は接合部温度の推定を可能にする較正方法を含む。

【0013】

本発明は、特に、オンラインで取得されたデータを用いて行われる較正及び推定を特に対象とする。オンラインで取得とは、変換器の通常動作中に取得されることを意味し、ここで、変換器は、ＤＣ／ＤＣ又はＤＣ／ＡＣ型とすることができ、電流は、動作条件と共に変動し、及び／又は正弦波である。

【0014】

より厳密には、本開示は、半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を提案し、この方法は、
半導体モジュール上のＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃの測定により少なくとも１つの安定したオンライン動作条件を検出することであって、ここで、Ｉｏｎは、半導体のオン状態電圧Ｖｏｎが温度の影響を受ける電流であり、Ｔｃは、上記半導体素子のケースの温度であることと、
少なくとも１つの安定した動作条件のパラメーターの少なくとも１つのセットＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃを測定し、記憶することと、
計算ユニットにおいて、未知のパラメーターの第１のセットθｅｌｅｃを含む電気モデルＴｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）の接合部温度推定Ｔｊと、未知のパラメーターの第２のセットθｍｏｄを含む損失／熱モデルＴｊｍｏｄ＝Ｇ（Ｉｏｎ，Ｔｃ，θｍｏｄ）の別の接合部温度推定Ｔｊｍｏｄとの間の誤差を最小にする計算を提供し、当該誤差の最小化をもたらす、パラメーターの少なくとも１つのセットθｅｌｅｃ及びパラメーターの少なくとも１つのセットθｍｏｄを得ることと、
Ｔｊの計算された値を、パラメーターの計算されたセットθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄのうちの少なくとも１つ及び測定されたＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃと共に提供することと、
パラメーターの少なくとも１つのセットθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄ、及び／又はＴｊを記憶することと、
を含む。方法は、半導体ダイの外部の単純なオンライン測定値に基づいて接合部温度の推定を提供する。

【0015】

組み合わせることができる実現モード又は代替形態：上記方法は、上記パラメーターのセットの様々な組み合わせを走査し、定義された限界値よりも低い誤差εを呈する組み合わせを選択するアルゴリズムを含むことができる。

【0016】

上記方法は、Ｎ元連立方程式を生成するのに十分なＮ個のオンラインＶｏｎ、Ｉｏｎ、Ｔｃ、Ｉｒｍｓ測定値のセットを提供することであって、ここで、Ｎはθｅｌｅｃ＋θｍｏｄのパラメーターの数以上であることを含み、Ｎ個の方程式を解く分析計算アルゴリズムにより未知のθｅｌｅｃを計算することを含むことができる。

【0017】

方法は、推定されたパラメーターのセットが、上記電気モデルと上記損失／熱モデルとの間の二乗誤差のＰ個のオンライン測定値のセットにわたる和を最小にするようなものとすることができる。

【0018】

方法は、さらに、
パワーがないときに第１の測定中に一様ベクトルを初期化することと、
オンライン測定値間の相関時点を計算し、インクリメントし、記憶することと、
相関時点の逆行列と一様ベクトルとの積として推定パラメーターを特定することと、
を含むことができる。

【0019】

電気モデルにおけるＴｊは以下の形態をとることができ、

【数1】

熱モデルは以下の形態をとることができ、

【数2】

ここで、Ｔ０は基準温度であり、Ｖ０は当該基準温度Ｔ０におけるＶｏｎ電圧であり、「ａ」はＶｏｎの温度感度であり、Ｔｊはパワー半導体のダイ温度であり、Ｈは用いられるパワー半導体に応じた一般Ｔｊｍｏｄ方程式であり、ＩｒｍｓはＩｏｎから推定され、Ｔｃは測定される。

【0020】

電気モデルは、或る特定のＩｏｎにおいて測定されたＴｊ＝Ｔ０＋α_Ｉｏｎ．（Ｖｏｎ－Ｖ０_Ｉｏｎ）の形態をとることができ、方法は、電気モデルのパラメーターα_Ｉｏｎ及びＶ０_Ｉｏｎを推定する較正方法を含み、ここで、α_Ｉｏｎは所定の電流ＩｏｎについてのＶｏｎの温度感度であり、Ｖ０_Ｉｏｎは、所定の基準温度Ｔ０及び上記所定の電流Ｉｏｎにおける電圧である。

【0021】

温度感度は、Ｎ個の電流Ｉｏｎ_ｉ（ｉ＝１：Ｎ）及び測定値のＭ個のセットについて定義することができ、ここでＭ≧Ｎであり、ここで、方法は、電気モデルによって推定されたＴｊと上記熱モデルによって推定されたＴｊとの間の誤差を最小にすることによってＶ０_ｉ（ｉ＝１：Ｎ）を特定することを含む。

【0022】

方法は、同じ電流であるが異なる動作条件における少なくとも２つの測定値を用いた電圧Ｖ０の推定を含むことができ、少なくとも２つのセット（Ｖｏｎ１，Ｉｏｎ１，Ｔｃ１，Ｉｒｍｓ１）及び（Ｖｏｎ２，Ｉｏｎ２，Ｔｃ２，Ｉｒｍｓ２）がモニタリングされ、ここでＩｏｎ１＝Ｉｏｎ２、Ｔｃ１＝Ｔｃ２であり、Ｉｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２であり、ここで、θｅｌｅｃのパラメーターは、電流Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２及び所定の温度値Ｔ０におけるＶｏｎの値Ｖ０であり、モニタリングは、以下の手順、すなわち、
負荷電流が所定の電流に等しい（Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ１）ときに第１の時点を検出し、この第１の時点における第１のＶｏｎｌを保存することと、
負荷電流が所定の電流に等しく（Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ２＝Ｉｏｎ１）、ケース温度Ｔｃ２＝Ｔｃ１であり、この異なる時点におけるＶｏｎが第１の時点において測定されたＶｏｎと異なるとき、少なくとも第２の時点を検出し、この第２の時点における第２のＶｏｎを保存することと、
を用いて実行される。

【0023】

電流Ｉｏｎは、ピーク又はＲＭＳ電流に対する既知の係数に比例し、損失モデルは、このピーク又はＲＭＳ電流の関数として表され、方法は、電気モデルと損失／熱モデルとの間の誤差の最小化に基づいて少なくとも２つの推定を生成することを含み、方法は、
少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２、Ｉｏｎ３について、少なくとも２つのセット（Ｉｒｍｓ１、Ｔｃ１に比例するＶｏｎ１、Ｉｏｎ１）及び（Ｉｒｍｓ２、Ｔｃ２に比例するＶｏｎ２、Ｉｏｎ２）を選択して用いるプロセスを少なくとも２回実行することによってＶｏｎの温度感度を推定することであって、ここで、Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２、Ｉｒｍｓ１＝Ｉｒｍｓ２及びＴｃ１≠Ｔｃ２であることと、
少なくとも３つのセット（Ｉｒｍｓ１、Ｔｃ１に比例するＶｏｎｌ、Ｉｏｎ１）、（Ｉｒｍｓ２、Ｔｃ２に比例するＶｏｎ２、Ｉｏｎ２）及び（Ｉｒｍｓ３、Ｔｃ３に比例するＶｏｎ３、Ｉｏｎ３）を選択して用いることによって、基準温度Ｔ０及び少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３におけるＶｏｎ電圧Ｖｏｎ０１、Ｖｏｎ０２及びＶｏｎ０３を推定することであって、ここで、Ｔｃ１≠Ｔｃ２≠Ｔｃ３又はＩｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２≠Ｉｒｍｓ３であることと、
を含むことができる。

【0024】

これは、異なる動作条件における３つの測定値を用いたＶ０の推定に対応することができる。ここで、Ｖｏｎの温度感度：≪ａ≫は、Ｎ＞２個の電流についてＶｏｎ＝Ｖ０＋ａ．（Ｔｊ－Ｔ０）において推定され、ここで、２つの電流のみを測定し、結果を補間してＮ＞２個の電流を得ることが可能である。Ｎ≪Ｖ０≫は、Ｈが線形である式Ｖ０＝Ｈ（Ｉｏｎ）における仮説によりＶｏｎ＝Ｖ０＋ａ．（Ｔｊ－Ｔ０）において電流ごとに推定される。

【0025】

少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３は、同じ温度における３つの点（Ｖｏｎ０１，Ｉｏｎ１）、（Ｖｏｎ０２，Ｉｏｎ２）及び（Ｖｏｎ０３，Ｉｏｎ３）が同じ線上に位置決めされるようにパワー半導体スイッチの静的特性の線形領域において選択することができる。

【0026】

本開示は、上記パワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を含む、パワー半導体素子の健全性状態を推定する方法にも関し、方法は、パワー半導体モジュールの寿命における様々な時点に実行され、ここで、熱モデルのパラメーターθｍｏｄは、少なくとも、上記時点において記憶された熱抵抗Ｒｔｈを表すパラメーターを提供し、Ｒｔｈの進展を用いてパワー半導体モジュールの健全性状態にアクセスする。

【0027】

パワー半導体素子の健全性状態を推定するために、パラメーターを推定する方法は、パワー半導体モジュールの寿命における様々な時点に行われ、これらの時点において少なくとも１つのパラメーターＶ０_ｉを記憶することを含み、Ｖ０_ｉの進展を調査してパワー半導体モジュールの健全性状態の診断手段を提供することを含むことができる。

【0028】

本開示は、パワー半導体素子の接合部のパラメーターを推定する方法を含む、半導体素子の接合部の温度を推定する方法にも関し、方法は、半導体コンポーネントの動作の第１の時点において較正を実行することを含み、当該較正は、当該第１の時点において、θｅｌｅｃ_０パラメーターの第１のセットを計算し、記憶することを含み、他の時点において、パラメーターの第１のセットθｅｌｅｃ_０及び当該他の時点におけるＶｏｎ及びＩｏｎのオンライン測定値を用いて式Ｔｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）を計算し、当該他の時点における接合部温度を推定することを含む。

【0029】

半導体コンポーネントの動作の初期時点において第１の較正を実行することと、当該初期時点において、パラメーターの第１のセットθｍｏｄ_０を計算し、記憶することとと、他の時点において、このパラメーターのセットを、当該他の時点におけるＶｏｎ及びＩｏｎのオンライン測定値と共に用いて式Ｔｊ＝Ｇ（Ｉｏｎ，Ｔｃ，θｍｏｄ）を計算し、当該他の時点における接合部温度を推定することとにより、温度を推定することもできる。

【0030】

式Ｔｊ＝Ｇ（Ｉｏｎ，Ｔｃ，θｍｏｄ）は

【数3】

であり、θｅｌｅｃはパラメーターセット（ｆ，ｇ，ｈ，ｋ）であるものとすることができる。

【0031】

本開示は、パワー半導体デバイスと、当該半導体デバイスのオンラインＶｏｎ、Ｉｏｎ及びＴｃを感知するセンサーと、モニタリングユニットとを備えるパワーユニットにも関し、モニタリングユニットは、上記センサーから測定データを受信するための入力インターフェースと、本開示の方法を実施するための計算プロセッサ及びストレージメモリとを備える。

【0032】

モニタリングユニットは、パワー半導体の寿命中に本開示の方法に従って較正及び測定動作をスケジューリングし、上記半導体の潜在的に有害なＴｊ値及び潜在的故障を検出する測定プログラムを備えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本開示のシステムの簡略化された概略図である。

【図2】本開示のアルゴリズムの概略フローチャートである。

【図3】本開示の推定プロセスの概略フローチャートである。

【図4】本開示のＴｊ計算プロセスの概略フローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0034】

本発明は、図１に概略的に示されるような半導体又は半導体モジュール１等の電力変換器コンポーネントの動作中に正確な温度値を得るプロセスを提供する。そのようなプロセスは、１つ以上のパワー半導体又は半導体モジュールのオンライン作動条件中の１つ以上の較正フェーズ及び測定フェーズを含む。

【0035】

このため、最も一般的な形式において、本発明は、電流変換器等の電子デバイス２０のパワー半導体モジュール又はコンポーネント１の劣化及び／又は温度の推定を可能にする較正方法を含む。この較正方法は、ＩＧＢＴ、ダイオード又はＭＯＳＦＥＴ等の様々なパワー半導体デバイスに適用される。二方向コンポーネントであるＭＯＳＦＥＴの場合、温度推定は、ＭＯＳＦＥＴ自体で高ゲート電圧又は低ゲート電圧を用いた順導通又は逆導通中に、すなわちボディーダイオードの導通中に行うことができる。プロセスは、電流センサー３、電圧センサー２及びヒートシンク温度センサー４等のセンサーからの電力変換器コンポーネント１に対するそのような限られた数の信号から入力データ１０を得ることに基づき、そのようなセンサーは、入力値Ｖｏｎ、パワーコンポーネントのオン電圧Ｉｏｎ、そのようなコンポーネントのオン電流、及びモニタリングユニット５においてモニタリングされるそのようなコンポーネントのヒートシンクの温度Ｔｃを提供する。モニタリングユニット５は、アナログ／デジタルインターフェース等の入力インターフェース５１を用いてセンサーの信号を受信し、較正及び測定方法を実施するのに必要な計算に進むＤＳＰ、マイクロコントローラー又はマイクロプロセッサ等の計算プロセッサ５２を備え、限定ではないが、本方法を実施するためのプログラムを配置することができるＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及び／又はＳＳＤ等のデータストレージメモリ等の不揮発性メモリ、並びに計算データを記憶することができる揮発性メモリＲＡＭを含むストレージメモリ５４を備える。モニタリングユニットは、ＵＳＢ、無線等の通信インターフェース５５、又は表示デバイス及び／又は遠隔モニタリングシステムに接続することを可能にする任意の他の通信インターフェースも有することができる。

【0036】

上述したＶｏｎは、例えば、パワー半導体におけるカソード－アノード間電圧、若しくはドレイン－ソース間電圧、若しくはコレクター－エミッター間電圧、又はパワー半導体モジュールにおける入力－出力間電圧である。

【0037】

較正に用いられる電流Ｉｏｎは、パワー半導体スイッチにおける損失の原因となるピーク又はｒｍｓ負荷電流と無関係である必要がない。モニタリングユニットにおいて、図２に表す較正プロセス１００が計算され、そのような較正プロセスは、一方で、電気モデル関数１３の電気関数のパラメーターを計算することを含み、他方で、損失／熱モデル１２関数のパラメーターを計算することを含むことで、２つの関数の誤差の最小化１６が得られる。電気関数Ｆは、ステップ１３において計算される式Ｔｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）に従い、較正中に推定される必要がある式の未知のパラメーターのセットθｅｌｅｃを含む。

【0038】

熱関数は、Ｔｊｍｏｄ＝Ｇ（Ｉｏｎ，Ｔｃ，θｍｏｄ）であり、同様に較正中に推定される必要があるパラメーターのセットθｍｏｄを含む。

【0039】

未知のパラメーターが減算ステップ１７における誤差を最小にするように適合された誤差最小化プロセス１６を含む較正フェーズによりこれらのパラメーターが特定されると。そのようなプロセスにおいて、式Ｆのパラメーターは、２つのモデル間の誤差の最小化をもたらすように変更される。

【0040】

較正後、新たな較正が行われるまで、いくつかの後続のオンライン測定においてＴｊ温度を調査するためにθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄパラメーターが用いられる。

【0041】

加えて、パワーモジュールの寿命中のいくつかの較正フェーズは、時間に伴うθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄパラメーターの進展をモニタリングし、パワー半導体の劣化を反映するそのようなパラメーターの異常な変動を検出するために実行される。

【0042】

図３に説明されるような較正フェーズにおける誤差の最小化の計算に進むために、プロセス又は方法は、
－安定した動作条件、例えばＴｃが安定化されるオンライン動作条件を検出することと、
－少なくとも１つのパラメーターセット（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｔｃ）を測定し記憶することであって、ここで、Ｉｏｎは、オン状態の電圧Ｖｏｎが温度の影響を受ける電流であることと、
－電気モデルによって生成された温度推定Ｔｊと損失／熱モデルによって生成された別の温度推定Ｔｊｍｏｄとの間の誤差を最小にするパラメーターを得る方法により、パラメーターθｅｌｅｃ及び少なくとも１つのパラメーターθｍｏｄの少なくとも１つのセットを推定することと、
－少なくとも１つのパラメーターセットθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄを記憶することと、
を含む。

【0043】

加えて、計算された接合部を、更なる比較又は温度モニタリング又は処理のために記憶し、表示のためにモニタリングユニットに提供するか、又は遠隔モニタリングセンターに送信することができる。

【0044】

安定した動作条件の検出
安定した動作条件の検出は、モジュールの構造から既知であるように、パワー半導体のダイとケース温度センサーとの間のパワー半導体モジュールの最も高い熱時定数を上回る時間間隔にわたって変化しない動作条件を検出することによって行われ、値Ｔｃが得られる。ケース温度センサーは、パワー半導体モジュールのベースプレート上に位置決めすることができるか（これが最も頻度が高い）、又はパワー半導体モジュールの外部のベースプレート上に位置決めすることができるか、又はパワー半導体モジュールが熱的に接続されたヒートシンク内に位置決めすることができる。時定数は、通常、０．１ｓを上回り、温度センサーが、例えば水冷却ヒートシンクの水温度を感知している場合、数百秒に達する可能性がある。

【0045】

動作条件は、少なくともＴｃ自体、及びダイにおける損失を示す、半導体を通る電流Ｉｒｍｓによって定義される。交流電流の場合、ｒｍｓ電流又はピーク電流を用いることができる。基準電流、基準電圧、基準モーター速度、基準モータートルク等の他の上位レベル動作条件も、価値のある動作条件を提供するものとみなすことができる。

【0046】

測定及び記憶
（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｔｃ）データセットの測定は、少なくとも１つのＶｏｎセンサー２、１つの電流センサー３、及び１つのケース温度センサー４によって行われる。物理的センサーがない場合、推定器等の仮想センサーを用いることができる。全ての観測されるセットが以下の推定の関心対象であるわけではない。このため、測定は、以前に観測されていないか、又は最も関心があると特定されたセットのみを記憶することができる。用途によっては、所与の予め定義された電流Ｉｏｎを有するセットを、最も関心が高いものとすることができるか、又はパワー半導体における損失がＩｒｍｓにリンクしているため、Ｖｏｎ、Ｔｃ及び／又はＩｒｍｓの大きな変動を示すセットを最も関心が高いものとすることができる。

【0047】

Ｉｏｎは、通常、パワー半導体がオン状態であり、Ｖｏｎが取得される或る特定の時点の負荷電流である。ＩｏｎはＩｒｍｓにリンクしている。Ｉｒｍｓは、ＤＣ－ＤＣ変換器の場合、出力ＤＣ電流であり、Ｉｒｍｓは、交流変換器の場合、変換器のピーク電流に関係付けられる。

【0048】

Ｖｏｎセンサーは、文献内に提示される様々な種類のものとすることができる。好ましい実施態様は、直列の抵抗器及びダイオードから構成されたＲ－Ｄクランプ回路を用いている。抵抗器はダイオードが電圧をクランプするとき、デバイスオフ状態中の電流を制限する。このタイプの回路は、或る特定の時間遅延を有し、Ｖｏｎは、通常、電圧の安定化又は疑似安定化後にサンプリングされる。疑似安定化の場合、オフセット（通常、数ｍＶ）がｉｎ－ｓｉｔｕ較正中に補正される。

【0049】

電気モデル
既知の電流の場合、オンラインデータを用いた較正の目的は、式（１）において値Ｖ０及び「ａ」を推定することとして要約することができる。「ａ」は温度感度であり、Ｖ０は基準温度Ｔ０における電圧である。式（１）は、温度感度「ａ」が一定であり、所与の電流について温度と無関係であることを想定する。これは通常、ＩＧＢＴの場合に想定することができる。式（１）において、Ｖ０は、ゼロ電流電圧と、抵抗コンポーネントにおける電圧降下に対応する電圧との双方を含む。

【数4】

式（１）は以下のように書くこともできる。

【数5】

この式において、求められるパラメーターθｅｌｅｃは（ａ，Ｖ０）であり、
－「ａ」は、所与の電流ＩｏｎにおけるＶｏｎの温度感度（ｍＶ／℃単位）である。例えば１０Ａにおいてａ＝＋４ｍＶ／℃であり、
－「Ｖ０」は、絶対基準温度Ｔ０及び所与の電流ＩｏｎにおけるＶｏｎの値である。例えば、１０Ａにおいて２５℃においてＶ０＝１．１Ｖである。

【0050】

電気モデルは、或る特定のＩｏｎにおいて測定されたＴｊ＝Ｔ０＋α_Ｉｏｎ．（Ｖｏｎ－Ｖ０_Ｉｏｎ）としても表現することができる。そのような場合、較正方法は、電気モデルのθｅｌｅｃパラメーターα_Ｉｏｎ及びＶ０_Ｉｏｎを推定し、ここで、α_Ｉｏｎは、所定の電流ＩｏｎについてのＶｏｎの温度感度であり、Ｖ０_Ｉｏｎは、所定の基準温度Ｔ０及び所定の電流Ｉｏｎにおける電圧である。

【0051】

ＩＧＢＴ及びダイオード等のいくつかのコンポーネントについて、「ａ」は、電流に対して線形になるように以下のように更に近似することができる。

【数6】

加えて、或る電流領域（抵抗性領域とも呼ばれる）において、Ｖ０は、ほとんどのダイオード、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴの場合に電流に対して線形とみなすことができる。

【数7】

このため、線形性のいくつかの想定により、電気モデルによって推定される温度の方程式の１つの一般的な例は以下の通りである。

【数8】

この場合、未知のθｅｌｅｃパラメーターセットは（ｆ，ｇ，ｈ，ｋ）となる。式（５）は、より正確な読み値が必要とされる場合、他の式と置き換えることができ、θｅｌｅｃパラメーターは、そのような式のパラメーターを反映することに留意されたい。

【0052】

本開示によれば、このとき、パラメーターのセットθｅｌｅｃは、用いられる式の予測精度に従って１つ以上のパラメーターを有することができる。

【0053】

損失及び熱モデル
損失を識別する２つの方式が存在する。好ましい実施態様において、ＲＭＳ電流が測定又は計算され、損失モデルはこの値を変数として用いる。

【0054】

通常、Ｉｏｎは、ピーク電流、又はｒｍｓ電流、又はＩｏｎ＝Ｐ_１．Ｉｒｍｓ若しくはＩｏｎ＝Ｐ_２．Ｉｐｋ等のピーク若しくはｒｍｓ電流に比例する値とすることができ、ここで、Ｐ_１及びＰ_２は既知であるか、又は従来技術の方法によって特定可能である。この推定は、未知のパラメーターθｍｏｄによるモデル方程式に基づく。

【0055】

このとき、Ｔｊｍｏｄのための一般方程式は、

【数9】

として表すことができる。ここで、ＨはＩｒｍｓの関数を定義する。

【0056】

パワー半導体における損失は、切り替え及び導通損失を含む。定常状態熱モデルと組み合わされ、電流Ｉｒｍｓ（電流発生損失、すなわち、平均若しくはｒｍｓ、又はピーク）、Ｖｏｎ及びＴｃのみの関数として表されるとき、推定接合部温度Ｔｊｍｏｄの式の１つの例は以下とすることができる。

【数10】

ここで、パラメーターセットθｍｏｄ＝（ｃ，ｄ，ｅ）又は（ｃ’，ｄ’，ｅ’）である。これらのパラメーターは、パワーモジュールの特性、その動作条件（例えば、変調指数、ｃｏｓφ）、及び熱特性に依拠する。

【0057】

Ｖｏｎｒｍｓは、導通損失の観点において重要性を有し、測定されたＶｏｎから直接導出することを通常想定することができる等価のＶｏｎである。例えば、定電流を発生するＤＣ－ＤＣ変換器の場合、Ｖｏｎｒｍｓ＝Ｖｏｎである。

【0058】

Ｉｒｍｓは、Ｉｏｎから推定することができる。熱モデルは、通常、ΔＴ＝Ｒｔｈ．ｌｏｓｓｅｓとなるようにワットあたりのケルビン単位の熱抵抗Ｒｔｈを用いて表される。式（６ａ）、式（６ｂ）は、損失を、Ｉｒｍｓ及びＶｏｎｒｍｓ．Ｉｒｍｓ又はＩｒｍｓ^２に比例する、例えばｌｏｓｓｅｓ＝ｄ”．Ｉｒｍｓ＋ｅ”．Ｉｒｍｓ^２とみなすとき、類似している。

【0059】

本開示によれば、このとき、パラメーターのセットθｍｏｄは、用いられる式の予測精度に従って１つ以上のパラメーターを有することができる。

【0060】

モードの推定
推定は、本発明の重要なポイントであり、図２によって紹介される。これは、損失及び熱モデルによって提供される温度推定値Ｔｊｍｏｄを、所与の及び既知の電流Ｉｏｎ及び測定されたＶｏｎにおいて電気モデルＴｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）によって提供される推定値と比較することに基づく。

【0061】

パラメーターセットθｅｌｅｃは、通常、以下を求めることを可能にする。
所与の電流ＩｏｎにおけるＶｏｎの温度感度（ｍＶ／℃単位）。
絶対基準温度及び所与の電流におけるＶｏｎの値、例えば、本明細書において上記で論考したように、例えば１０Ａにおいて２５℃においてＶｏｎ＝１．１Ｖ。

【0062】

用いられる式に従って推定されたθｅｌｅｃパラメーターセットを記憶することは、較正を、後に、θｅｌｅｃパラメーターが一定のままであると仮定して、後続の測定における（例えば平均化による）フィルタリング、劣化推定及び／又は温度推定に用いることができるようにするために必要である。

【0063】

このため、式（５）及び式（６ａ）に基づく実施態様の１つの例において、誤差εは以下のように表すことができる。

【数11】

この場合、推定方法は、θｅｌｅｃ＝（ｆ，ｇ，ｈ，ｋ）を推定し、Ｔ０は所定であり、Ｖｏｎ，Ｉｒｍｓ，Ｉｏｎ及びＴｃは測定される。

【0064】

Ｎ個（Ｎは未知数の総数よりも大きい）の異なるセット（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｔｃ，Ｉｒｍｓ）が取得され、εの最小化により少なくとも未知のθｅｌｅｃの推定を可能にするＮ元連立方程式が生成される。

【0065】

図２に紹介されているように、最小化アルゴリズムの１つの例は、パラメーターの様々な組み合わせを走査し、最低誤差εを呈するか又はεが所定の制限未満であるときの組み合わせを選択することである。当然ながら、誤差最小化に基づく、より精密な方法が可能である。

【0066】

パラメーターを推定する別の方法は、ε＝０（ゼロフォーシング）を用いてＮ元連立方程式を分析的に解くことである。簡単にするために、以下の例はこの方法に基づく。

【0067】

ＭＭＳＥ及び低減されたデータストレージを用いた推定
モデルパラメーターの特定のために、別の方法は、ＺＦ（ゼロフォーシング）の代わりにＭＭＳＥ（最小平均二乗誤差）を用いることにある。そのような方法は、合わせて、Ｐ個の測定値のセットにわたって２つのモデル間の二乗誤差を最小にするモデルパラメーターを得ることにある。

【0068】

例として、計算を容易にし、読みやすくするために、式（７）からのモデルは以下のように線形化することができる。

【数12】

線形化モデルのパラメーターは、一次展開＝１／ｋ；ｍ＝－ｈ／ｋ^２；ｎ＝－ｆ／ｋ；ｏ＝－ｇ／ｋにより容易に達せられる。ＭＭＳＥは、Ｐ個の測定値にわたって、そのようなモデル間の二次誤差Ωを最小にするモデルのパラメーターを得ることにある。

【数13】

パラメーターｏ、ｃは、アイドル状態において、基準温度Ｔ_ｏにおいて求めることができることに留意されたい。ここで、導通／切り替え損失がないとき、すなわち、

【数14】

であるとき、Ｔ_Ｊ＝Ｔ_ｃ＝Ｔ_ｏである。このとき、二次誤差は、一般化された方式で

【数15】

として書くことができ、ここで、Ａは、モデルパラメーターを含むベクトルであり、Ｍ_ｊ，ｐは測定結果であり、Ｃは定数である。

【数16】

未知のモデルパラメーターａ_ｋの最適セットＡは、

【数17】

を検証しなくてはならず、ここから以下が得られる。

【数18】

ここで、ｂ_ｊｋは、連続測定から構築された観測時点である。

【数19】

【0069】

最適条件は、行列積として書き換えることができ、ここから所望のパラメーターセットを特定することができる。

【数20】

パラメーターＡを求めることにより、式（７）におけるパラメーターを求めることが可能になる。

【0070】

ＭＭＳＥ方法の利点
本方法は、過去の測定値を記憶する必要がない。６×６＋１個の値を得るために、時点ｂ_ｊｋ及び数Ｐのみを各新たな測定時に増分的に更新すればよい。この結果として必要とされるストレージが大幅に節減されることになる。

【0071】

反復的計算は非常に単純であり、処理される測定サンプルの数と無関係である。大きな測定データベースを検索することは必要なく、これによりＣＰＵパワーの大幅な節減がもたらされる。

【0072】

行列Ｂが正則になるやいなや、パラメーターを推定することができる。特殊な動作条件（例えば、同じＩｏｎ、異なるＴｃ等）が発生するのを待つ必要がない。このため、モデルパラメーターの取得がより高速で、より信頼性のあるものとなる。

【0073】

Ｖｏｎ感度の推定
再び、ε＝０及びｅが小さいという上記の想定を用いて式（７）を検討すると、以下の式を生成することができる。

【数21】

この単純な例は、２つの四つ組（quadruple）のみを用いて或る特定の電流におけるＶｏｎの温度感度を推定することが達成可能であることを示す。

【0074】

実際には、Ｖｏｎの温度感度は、以下となるように温度差に影響を及ぼす。

【数22】

ここで、ε２は、（Ｖｏｎ２－Ｖｏｎ１）に比例する誤差である。較正精度を改善するために、誤差ε２を推定し、これについて補正することが理論的に可能である。これは、Ｖｏｎ２及びＶｏｎ１に関連付けられた導通損失を推定することを必要とし、これは、コンポーネントデータシート情報から提供することができるｅの推定を要する。

【0075】

２つの電流値ＩｏｎＡ及びＩｏｎＢにおいて温度感度「ａ」を測定することにより、式（３）のパラメーターｈ及びｋを特定することが可能になる。式（３）を想定することができない場合、例えば「ａ」が二次多項式を有する電流と共に変動する場合、二次誤差方法の最小化を少なくとも３回実行することによって、任意の電流値について「ａ」を定義することが可能になる。次に、ｈ及びｋを分析的に又は当てはめにより推定することができる。

【0076】

別の例は、１つの点における「ａ」の推定を、パラメーター「ａ」がヌルである電流であるＺＴＣ電流推定の結果と組み合わせることである。ＺＴＣ推定方法については、従来技術において記載されている。

【0077】

「ａ」が接合部温度Ｔｊと共に変動する場合、本方法を最初に実行することができ、次にＴｊ推定についてＶ０を実行することができ、アルファ推定の結果を、推定されたＴｊに対し再実現することができる。満足する結果に達するために数回の反復が必要であり得る。

【0078】

同じ電流であるが異なる動作条件において２つの測定値を用いたＶ０の推定
この方法において、少なくとも２つのセット（Ｖｏｎ１，Ｉｏｎ１，Ｔｃ１，Ｉｒｍｓ１）及び（Ｖｏｎ２，Ｉｏｎ２，Ｔｃ２，Ｉｒｍｓ２）がモニタリングされる。ここで、Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２、Ｔｃ１＝Ｔｃ２及びＩｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２であり、ここで、θｅｌｅｃは、電流Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２及び所定の温度値Ｔ０におけるＶｏｎの値Ｖ０である。

【0079】

この方法は、ほとんどの場合、インバーター又はＰＦＣに適用可能であり、ここで、異なるＲＭＳ電流における動作は、電流の正弦波に起因して、同一測定電流における測定と両立できる。

【0080】

実際には、モニタリングは以下のプロトコルを用いて行われる。
－負荷電流が所定の電流に等しい（Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ１）ときに第１の時点を検出し、この第１の時点における第１のＶｏｎ１を保存する。
－負荷電流が所定の電流に等しく（Ｉｏｎ＝Ｉｏｎ２＝Ｉｏｎ１）、ケース温度Ｔｃ２＝Ｔｃ１であり、この異なる時点におけるＶｏｎが第１の時点において測定されたＶｏｎと異なるとき、少なくとも第２の時点を検出し、この第２の時点における第２のＶｏｎを保存する。
このため、この場合、条件Ｉｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２は、条件Ｖｏｎ１≠Ｖｏｎ２により保証される。

【0081】

ＩＧＢＴ及びＰＩＮダイオード等のバイポーラデバイスの場合、所定の電流値は、通常、以下の判断基準に基づいて選択される。
－電流に対するＶｏｎの低感度、
－温度に伴うＶｏｎの感度、
－自己加熱が存在することなく較正を容易にするための、またＶｏｎに対する相互接続の寄与を制限するための低電流。

【0082】

例えば、１５０ＡのＩＧＢＴデバイスの場合、所定の電流値は、通常、１．５Ａ（公称定格電流の１％）～１５Ａ（交渉定格電流の１０％）である。

【0083】

条件Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２は、等式の厳密な定義でないことに留意されたい。例えば、Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２±１０％が受容可能である。負荷電流が所定の電流値に等しいときを検出する判断基準は、例えば、負荷電流が所定の電流値の±１０％で所定の電流値に等しいときとすることができる。このため、十分な検出を行うことができ、所定の電流値と負荷電流値との間の差に起因したＶｏｎにおける誤差は最小化される。

【0084】

例：
実施態様の１つの例において、式（６）及び式（７）のパラメーターｃ及びｅは無視され、εはゼロであると想定され、以下の式が導出される。

【数23】

「ａ」が例えば従来の方法を用いて以前に特定されていると仮定すると、唯一の未知数は、Ｖ０及びｄである。２つの四つ組によって生成される２つの式は、これらの２つのパラメーターを推定するために解くことができる系を構成する。

【0085】

異なる動作条件における３つの測定値を用いたＶ０の推定
この方法は、Ｎ＞２個の電流について、Ｖｏｎの温度感度、式（１）におけるパラメーター「ａ」を推定することを含む。これは、２つの電流においてＶｏｎを測定し、結果を補間して、残りのＮ－２個の電流を得ることにより行うことができる。

【0086】

電流ごとのＮ≪Ｖ０≫が、式１において式Ｖ０＝Ｈ（Ｉｏｎ）が線形であるという仮説を用いて推定される。

【0087】

これにより、式

【数24】

又は

【数25】

に関して、Ｎ個の電流Ｉｏｎ_ｉ（ｉ＝１：Ｎ）及び測定値のＭ個のセットについて温度感度「ａ」又は「α_Ｉｏｎ」を定義することが可能になる。ここで、Ｍ≧Ｎである。次に、電気モデルによって推定されるＴｊと上記熱モデルによって推定されるＴｊとの間の誤差を最小にすることによってＶ０_ｉ（ｉ＝１：Ｎ）が計算され、Ｖ０_ｉが記憶されるか、又は基準値と比較され、接合部の可能性のある劣化が調査される。

【0088】

この方法において、少なくとも３つのセット（Ｖｏｎ１，Ｉｏｎ１，Ｔｃ１）、（Ｖｏｎ２，Ｉｏｎ２，Ｔｃ２）及び（Ｖｏｎ３，Ｉｏｎ３，Ｔｃ３）がモニタリングされる。ここで、Ｉｏｎ１≠Ｉｏｎ２≠Ｉｏｎ３、及びＴｃ１≠Ｔｃ２≠Ｔｃ３である。電流Ｉｏｎがピーク又はＲＭＳ電流に対する既知の係数に比例し、損失モデルがこのピーク又はＲＭＳ電流の関数として表される場合、半導体素子の接合部の温度を推定することは、
－電気モデルと損失／熱モデルとの間の誤差の最小化に基づいて少なくとも２つの推定を生成すること、
－少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２、Ｉｏｎ３について、少なくとも２つのセット（Ｉｒｍｓ１、Ｔｃ１に比例するＶｏｎ１、Ｉｏｎ１）及び（Ｉｒｍｓ２、Ｔｃ２に比例するＶｏｎ２、Ｉｏｎ２）を選択して用いるプロセスを少なくとも２回実行することによってＶｏｎの温度感度を推定することであって、ここで、Ｉｏｎ１＝Ｉｏｎ２、Ｉｒｍｓ１＝Ｉｒｍｓ２及びＴｃ１≠Ｔｃ２であること、
－少なくとも３つのセット（Ｉｒｍｓ１、Ｔｃ１に比例するＶｏｎｌ、Ｉｏｎ１）、（Ｉｒｍｓ２、Ｔｃ２に比例するＶｏｎ２、Ｉｏｎ２）及び（Ｉｒｍｓ３、Ｔｃ３に比例するＶｏｎ３、Ｉｏｎ３）を選択して用いることによって、基準温度Ｔ０及び少なくとも３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３におけるＶｏｎ電圧Ｖｏｎ０１、Ｖｏｎ０２及びＶｏｎ０３を推定することであって、ここで、Ｔｃ１≠Ｔｃ２≠Ｔｃ３又はＩｒｍｓ１≠Ｉｒｍｓ２≠Ｉｒｍｓ３であること、
を用いて行われる。この方法は、或る特定の動作範囲における一定のＤＣ電流に起因して、異なるＲＭＳ電流における動作が同一測定電流における測定値と両立できないＤＣ／ＤＣ変換器に適用可能である。しかしながら、負荷電流は、熱安定化が可能になるのに十分に長い時間の間、変動し、３つの別個の値を呈するはずである。

【0089】

例：
以下の例において、基準温度Ｔ０（４）における線形静的特性曲線の想定が用いられる。換言すれば、基準温度Ｔ０について、３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３において測定される３つのＶｏｎ値は、Ｖ（Ｉ）グラフにおける線上に位置決めされる。これは以下の式に変換される。

【数26】

【0090】

ここで、Ｖｏｎ０１は、基準温度Ｔ０及び電流Ｉｏｎ１におけるＶｏｎであり、Ｖｏｎ０２は、基準温度Ｔ０及び電流Ｉｏｎ２におけるＶｏｎであり、Ｖｏｎ０３は、基準温度Ｔ０及び電流Ｉｏｎ３におけるＶｏｎである。

【0091】

これは、静的曲線における抵抗領域を想定する。これは、通常ＭＯＳＦＥＴにおいて存在し、ＩＧＢＴ及びダイオードにおいても十分に高い電流で存在する。この関係がより複雑であり、より高次の多項式によって表すことができる場合、追加の未知数を特定するために更なる測定が行われなくてはならない。

【0092】

ここで、３つの異なる電流値において、式（１）におけるようにＶｏｎの温度感度を以下のように表す。

【数27】

ａ１、ａ２及びａ３は、例えば上記で提示した方法によって得られる。

【0093】

Ｉｏｎ＝Ｉｒｍｓを有し、熱モデルの線形性を想定する（すなわち、式（６）及び式（７）のパラメーターｃ及びｅが無視される）ＤＣ／ＤＣ変換器の場合、以下の３つの式を表すことができる。

【数28】

７つの未知数（Ｖｏｎ０１，Ｖｏｎ０２，Ｖｏｎ０３，Ｔｊ１，Ｔｊ２，Ｔｊ３，ｄ）及び７つの式（１１）～式（１３）の系を解くと、パラメーターｄは以下のように表すことができる。

【数29】

このため、３つの電流Ｉｏｎ１、Ｉｏｎ２及びＩｏｎ３について、温度Ｔｊ１、Ｔｊ２及びＴｊ３は、式（１３）を用いて推定することができ、基準温度Ｔ０における電圧Ｖｏｎ０１、Ｖｏｎ０２及びＶｏｎ０３は、式（１２）を用いて推定することができる。

【0094】

実際には、等温静的特性は必ずしも線形でない。いくつかのＩＧＢＴの場合等、場合によっては、これは以下のような冪乗則の形態で動作領域における最小誤差を用いて表すことができる。

【数30】

追加のパラメーターαは、例えば、事前較正を用いて求めることができる。

【0095】

加えて、ゼロ電流における温度増加ｃが無視できないが、以前の較正から既知である場合、これは容易に式（１４）の定義に組み込むことができる。

【0096】

全体的に、提示された実施態様がより一般的な方法の例にすぎないことを示す目的で、式（１４）は、ａ及びｃを追加して以下のように表すことができる。

【数31】

ここで、Ｖｏｎ１、Ｖｏｎ２、Ｖｏｎ３は、提示の理由からＶ１、Ｖ２、Ｖ３と意図的に置き換えられた。

【0097】

劣化の推定
計算されたパラメーターは、パワー半導体モジュールの経年劣化により進展しやすい。例えば、上側メタライゼーション、又は上側相互接続（例えば、ワイヤボンド）、又は下側相互接続（例えば、はんだ）の劣化は、誤差の最小化をもたらすパラメーターθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄを変化させる場合がある。ゲート酸化膜劣化等の半導体ダイの劣化又はセルパッシベーションも、パラメーターθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄの進展につながる場合がある。

【0098】

例えば、式（１）の単純化された例において、高電流におけるＶ０は、式（４）におけるｆの増大の結果としてワイヤボンドが剥がれると共に変化する可能性が高い。例えば、式（６ａ）を用いた例において、ｃ、ｄ及びｅは、熱経路に影響を及ぼすことが知られているはんだ劣化と共に変化する可能性が高い。

【0099】

最初に記憶されたθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄのデータを、半導体の寿命によるθｅｌｅｃ及び／又はθｍｏｄのデータと比較することにより、変動が或る特定の制限を超えているときに警告を提供することが可能になる。

【0100】

温度の推定
図４によれば、図３の較正方法１００を用いて、第１の時点２００におけるモニタリング中の較正データθ及びパラメーターのセットが得られる。このパラメーターのセット並びに別の時点２２０におけるＶｏｎ及びＩｏｎのオンライン測定値を、式Ｔｊ＝Ｆ（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，θｅｌｅｃ）と共に用いて、上記別の時点における接合部温度Ｔｊが推定される。タイムカウンタ又はｋＷｈカウンタ等のカウンタ２１０は、パワーコンポーネントの寿命中に更なる再較正及び新たな測定プロセスを開始する。

【0101】

これらの測定は、過去の値を記憶し、これを実際の値と比較するモニタリングユニット５において行うことができるか、又はいくつかのユニットのデータを記憶し、そのようなユニットにメンテナンス警告を提供するモニタリングセンターにおいてリモートで行うことができる。

【0102】

本発明の応用形態は、風力タービン電流変換器、又は電気自動車において用いられるもの等のモーター又は発電機のための任意の他のハイパワー電圧又は電流変換器とすることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】