特許 7438157 故障検出装置、故障検出方法及び半導体スイッチ装置

(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】2024-02-15

(45)【発行日】2024-02-26

(54)【発明の名称】故障検出装置、故障検出方法及び半導体スイッチ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/00 20070101AFI20240216BHJP

   H03K 17/00 20060101ALI20240216BHJP

   H03K 17/567 20060101ALN20240216BHJP

【ＦＩ】

H02M1/00 C

H03K17/00 B

H03K17/567

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021032576

(22)【出願日】2021-03-02

(65)【公開番号】P2022133720

(43)【公開日】2022-09-14

【審査請求日】2023-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100135301

【弁理士】

【氏名又は名称】梶井 良訓

(72)【発明者】

【氏名】塚越 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】吉田 禎宏

(72)【発明者】

【氏名】米村 直樹

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０４２５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１３０２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８８９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１２９４２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ １／００

Ｈ０３Ｋ １７／００

Ｈ０３Ｋ １７／５６７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出装置であって、
半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する判定部と、
前記各半導体素子チップに流れる電流と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との関係から、前記故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータを保持する記憶部と
を備え、
前記各半導体素子チップは、互いに並列に接続されている前記電力変換用の複数のスイッチング素子を含み、
前記判定部は、
前記各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果とに基づいて、前記判定基準のデータを用いて前記スイッチング素子の故障により、機能停止に至る可能性が高まっていることを検出する、
故障検出装置。

【請求項2】

前記半導体スイッチ装置は、
前記半導体素子チップに含まれた前記電力変換用の複数のスイッチング素子に流れる電流を纏めて検出する電流検出部を備える
請求項１に記載の故障検出装置。

【請求項3】

前記半導体スイッチ装置は、
前記半導体素子チップに含まれた前記電力変換用の複数のスイッチング素子に流れる電流を半導体素子チップ毎に検出する電流検出部を備える
請求項１に記載の故障検出装置。

【請求項4】

電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出装置であって、
半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する判定部
を備え、
前記複数の半導体素子チップが互いに並列に接続されていて、
前記故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータには、
前記電圧の検出結果の電圧の大きさに対応付けて夫々規定されている特性テーブルのデータが含まれる、
故障検出装置。

【請求項5】

電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出装置であって、
半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する判定部
を備え、
前記半導体スイッチ装置は、その内部で前記複数の半導体素子チップが互いに並列に接続されている、
故障検出装置。

【請求項6】

電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出方法であって、
半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとに基づいて、前記複数の半導体素子チップのうちの何れかに故障が発生したことを検出する過程
を含み、
前記各半導体素子チップは、互いに並列に接続されている前記電力変換用の複数のスイッチング素子を含み、
前記故障が発生したことを検出する過程において、
前記各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果とに基づいて、前記判定基準のデータを用いて前記スイッチング素子の故障により、機能停止に至る可能性が高まっていることを検出する、
故障検出方法。

【請求項7】

電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出方法であって、
半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとに基づいて、前記複数の半導体素子チップのうちの何れかに故障が発生したことを検出する過程
を含み、
前記複数の半導体素子チップが互いに並列に接続されていて、
前記故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータには、
前記電圧の検出結果の電圧の大きさに対応付けて夫々規定されている特性テーブルのデータが含まれる、
故障検出方法。

【請求項8】

電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出方法であって、
半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとに基づいて、前記複数の半導体素子チップのうちの何れかに故障が発生したことを検出する過程
を含み、
前記半導体スイッチ装置の内部で前記複数の半導体素子チップが互いに並列に接続されている、
故障検出方法。

【請求項9】

互いに並列に接続されている複数の半導体素子チップと、
各半導体素子チップに夫々流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する判定部
を備え、
前記各半導体素子チップは、互いに並列に接続されている電力変換用の複数のスイッチング素子を含み、
前記判定部は、
前記各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果とに基づいて、前記判定基準のデータを用いて前記スイッチング素子の故障により、機能停止に至る可能性が高まっていることを検出する、
半導体スイッチ装置。

【請求項10】

互いに並列に接続されている複数の半導体素子チップと、
各半導体素子チップに夫々流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する判定部と
を備え、
前記故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータには、
前記電圧の検出結果の電圧の大きさに対応付けて夫々規定されている特性テーブルのデータが含まれる、
半導体スイッチ装置。

【請求項11】

自半導体スイッチ装置の内部で互いに並列に接続されている複数の半導体素子チップと、
各半導体素子チップに夫々流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する判定部と
を備える半導体スイッチ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、故障検出装置、故障検出方法及び半導体スイッチ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体スイッチ装置には、１つのパッケージの中に複数の半導体素子チップを備え、これらの半導体素子チップが互いに並列接続されているものがある。しかしながら、半導体スイッチ装置を長期間使用していると、半導体素子チップが故障することがあり、さらに故障が進行すると半導体スイッチ装置が機能しなくなることがあった。半導体スイッチ装置が機能停止に至らないように、故障検出装置によって半導体素子チップの状態を検出することが望まれているが、複数の半導体素子チップで故障が生じているか否かの検出は容易ではないことがあった。
例えば、半導体素子チップ間の電流アンバランスを検出して故障を診断する方法（特許文献１など参照。）が提案されているが、半導体素子チップの故障状況が均等であるとその故障を検出できない場合があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１０２９７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、互いに並列接続されている複数の半導体素子チップの状態を検出することが可能な故障検出装置、故障検出方法及び半導体スイッチ装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の故障検出装置は、電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障検出装置である。故障検出装置は、判定部と、記憶部とを備える。判定部は、半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、前記複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する。前記複数の半導体素子チップが互いに並列に接続されている。記憶部は、前記各半導体素子チップに流れる電流と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との関係から、前記故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータを保持する。前記各半導体素子チップは、互いに並列に接続されている前記電力変換用の複数のスイッチング素子を含む。前記判定部は、前記各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果とに基づいて、前記判定基準のデータを用いて前記スイッチング素子の故障により、機能停止に至る可能性が高まっていることを検出する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1A】実施形態の半導体スイッチ装置を適用した電力変換装置の構成図。

【図1B】実施形態の半導体スイッチ装置の構成図。

【図2】比較例の半導体スイッチ装置について説明するための図。

【図3A】実施形態の半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法を説明するための図。

【図3B】第２の実施形態の半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法を説明するための図。

【図4】第２の実施形態の半導体スイッチ装置の構成図。

【図5】第２の実施形態の半導体スイッチ装置の劣化状態の第２の推定方法を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態の故障検出装置、故障検出方法及び半導体スイッチ装置について説明する。なお、以下の説明では、電気的に接続されることを、単に「接続される」ということがある。なお、本明細書で言う「ＸＸに基づく」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。さらに、「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば、任意の情報）である。

【0008】

なお、本明細書で言う「半導体スイッチ装置」とは、１つのユニット（モジュール）又は同種の複数のユニット（モジュール）を含み、それらのユニットを１つのスイッチとして機能させるように形成されている装置のことである。このユニットは、互いに並列に接続されている複数の半導体素子チップを含む。本明細書で言う「半導体素子チップ」とは、制御によりスイッチとして機能する１つの「スイッチング素子」又は同種の複数の「スイッチング素子」を含むものを言う。本明細書で言う「スイッチング素子」とは、制御によりスイッチとして機能する少なくとも１つの半導体スイッチング素子を含む。

【0009】

「互いに並列に接続されている」こととは、同種の半導体スイッチの主回路側の少なくとも２つの端子同士を互いに接続されていることを含む。この場合、半導体スイッチがＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）であれば、ソース同士、ドレイン同士を夫々接続することを言う。ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であれば、エミッタ同士、コレクタ同士を夫々接続することを言う。

【0010】

なお、「互いに並列に接続されている」こととして、上記に加えて、同種の半導体スイッチの制御端子同士を互いに接続されていることを含めてもよい。

【0011】

（第１の実施形態）
図１Ａは、実施形態の半導体スイッチ装置１を適用した電力変換装置２の構成図である。
電力変換装置２は、例えば、コンバータ３と、インバータ４と、駆動電流センサ５と、制御部６とを備える。交流電動機Ｍは、例えば、誘導電動機である。コンバータ３と、インバータ４は、夫々複数の半導体スイッチ装置１を備える。

【0012】

コンバータ３は、半導体スイッチ装置１のスイッチングによって交流電力（AC）を直流電力（DC）に変換する。コンバータ３は、制御部６からの制御によって、直流電力への変換量が夫々調整される。インバータ４は、コンバータ３から与えられる直流電力を、半導体スイッチ装置１のスイッチングによって交流電力に変換する。インバータ４は、制御部６からの制御によって、有効電力又は無効電力の変換量が調整される。駆動電流センサ５は、インバータ４から交流電動機Ｍの巻線に夫々流れる電流を検出する。

【0013】

以下、インバータ４における電流制御の一例について説明する。
例えば、制御部６は、インバータ４の制御用の電流調整器（ＡＣＲ）６１を備える。電流調整器６１は、電流基準Irefと、駆動電流センサ５によって検出された電流に基づいた電流帰還ＩＦＢＫとの差が０になるようにインバータ４を制御する。このような構成の電力変換装置２では、インバータ４内の半導体スイッチ装置１に流れる電流の大きさが上記の電流基準Irefによって決定される。

【0014】

図１Ｂは、実施形態の半導体スイッチ装置１の構成図である。
半導体スイッチ装置１は、半導体素子チップ１０、２０、３０と、判定部４０と、電流センサ５０と、電圧センサ６０とを備える。

【0015】

半導体素子チップ１０は、スイッチング素子１１から１４を備える。スイッチング素子１１から１４は、互いに並列に接続されている。半導体素子チップ２０は、スイッチング素子２１から２４を備える。スイッチング素子２１から２４は、互いに並列に接続されている。半導体素子チップ３０は、スイッチング素子３１から３４を備える。スイッチング素子３１から３４は、互いに並列に接続されている。半導体素子チップ１０、２０、３０は、互いに並列に接続されている。

【0016】

上記の半導体素子チップ１０、２０、３０は、同様に構成されている。この場合、スイッチング素子１１から１４と、スイッチング素子２１から２４と、スイッチング素子３１から３４も互いに同種のスイッチング素子である。

【0017】

例えば、半導体素子チップ１０は、コレクタ端子１０Ｃと、エミッタ端子１０Ｅと、ゲート端子１０Ｇと、基準電位端子１０ＶＲとを備える。コレクタ端子１０Ｃには、スイッチング素子１１から１４のコレクタが夫々接続されている。エミッタ端子１０Ｅと基準電位端子１０ＶＲには、スイッチング素子１１から１４のエミッタが夫々接続されている。ゲート端子１０Ｇには、スイッチング素子１１から１４のゲートが夫々接続されている。

【0018】

半導体素子チップ２０は、コレクタ端子２０Ｃと、エミッタ端子２０Ｅと、ゲート端子２０Ｇと、基準電位端子２０ＶＲとを備える。半導体素子チップ３０は、コレクタ端子３０Ｃと、エミッタ端子３０Ｅと、ゲート端子３０Ｇと、基準電位端子３０ＶＲとを備える。半導体素子チップ２０、３０の内部の構成は、上記の半導体素子チップ１０の構成と同様であってよい。

【0019】

半導体スイッチ装置１は、電源用の端子である正極用の端子ＴＢＰと、負極用の端子ＴＢＮと、警報信号を出力するための出力端子ＴＢＳＯとを備える。

【0020】

端子ＴＢＰには、コレクタ端子１０Ｃ、２０Ｃ、３０Ｃの夫々が接続されている。端子ＴＢＮには、エミッタ端子１０Ｅ、２０Ｅ、３０Ｅの夫々が接続されている。

【0021】

電流センサ５０は、エミッタ端子１０Ｅ、２０Ｅ、３０Ｅに夫々接続される集約点と端子ＴＢＮとの間に設けられ、エミッタ端子１０Ｅ、２０Ｅ、３０Ｅと端子ＴＢＮとの間に流れる電流を纏めて検出する。電流センサ５０は、半導体素子チップ１０、２０、３０に夫々含まれた電力変換用の複数のスイッチング素子に流れる電流を纏めて検出する電流検出部の一例である。

【0022】

電圧センサ６０は、端子ＴＢＰと端子ＴＢＮとの間の電圧を検出する。例えば、電圧センサ６０が検出する電圧には、スイッチング素子の端子間に発生する電圧（飽和電圧）が含まれる。

【0023】

判定部４０は、電流センサ５０による電流の検出結果と電圧センサ６０による電圧の検出結果とに基づいて、半導体スイッチ装置１が機能停止に至る可能性について判定して、半導体スイッチ装置１が機能停止に至る可能性が高いと判定された場合に、この警報を出力端子ＴＢＳＯに出力する。判定部４０は、上記の判定に健常時の特性を基準にして予め定められた特性データを記録したデータテーブルを用いるとよい。これの詳細は、後述する。

【0024】

（想定する故障について）
ここで図２を参照して、比較例の半導体スイッチ装置１Ｚについて説明する。
図２は、比較例の半導体スイッチ装置１Ｚについて説明するための図である。この半導体スイッチ装置１Ｚは、本実施形態の判定部を備えるものでない。

【0025】

半導体素子チップ内の１２個のスイッチング素子は、その導通時に半導体スイッチ装置１に対する要求される電流量の一部を夫々流す。

【0026】

図２（ａ）に示す健常時の理想的な状態は、要求される電流量が１２等分されて、各スイッチング素子に流れる状態である。

【0027】

経年劣化によって、図２（ｂ）に示すように半導体素子チップ内の複数のスイッチング素子の一部にＯＦＦ故障が生じることがある。このとき、半導体スイッチ装置１に対する要求される電流量が健常時と同じであれば、ＯＦＦ故障が生じたスイッチング素子に電流が流れない分、健常な状態のスイッチング素子にその電流が流れることになる。例えば、１２個のうち３個のスイッチング素子にＯＦＦ故障が生じていれば、健常な状態のスイッチング素子に流れる電流は、９等分に近い大きさになる。上記のように、一部のスイッチング素子にＯＦＦ故障が発生すると健常な状態のスイッチング素子に対する負荷が増加する。そのためにスイッチング素子の劣化が徐々に進行して、図２（ｃ）に示すように、ＯＦＦ故障に至るスイッチング素子が徐々に増加する。これを放置すると、半導体スイッチ装置が破損することがある。なお、スイッチング素子の劣化が均等に進行した場合には、半導体素子チップ１０、２０、３０に流れる電流にばらつきが生じない。なお、ＯＦＦ故障に至ったスイッチング素子の個数が増えることで、健常なスイッチング素子に配分さる電流量が増加するが、スイッチング素子が増加した電流によって破損しないように、電流値に制限を設けて、これを超えないように制御するとよい。

【0028】

次に、本実施形態による半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法について説明する。
本実施形態において提案する半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法は、次の方法を含む。
・各半導体素子チップに流れる電流の合計値に係る検出結果と、複数の半導体素子チップに掛る電圧の検出結果と、予め定められた特性データとを用いる推定方法
以下、これについて説明する。

【0029】

図３Ａを参照して、電流の検出結果を用いて半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法について説明する。図３Ａは、実施形態の半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法を説明するための図である。

【0030】

この図３Ａに示す状態は、前述の図２の（ｂ）に相当し、半導体素子チップ１０、２０、３０の夫々に故障が生じた状態である。例えば、スイッチング素子１２、２１、３２にＯＦＦ故障が生じている。

【0031】

この場合、健常な状態のスイッチング素子の個数が９個になる。各スイッチング素子に半導体スイッチ装置１の電流が等分されているとすれば、半導体素子チップ１０、２０、３０のそれぞれに流れる電流の大きさが等しくなる。

【0032】

電流センサ５０は、各半導体素子チップの電流を纏めて検出する。本実施形態では各半導体素子チップの電流のばらつきを検出しない。

【0033】

判定部４０は、電流センサ５０の検出結果が示す電流の大きさを、電圧センサ６０の検出結果が示す電圧の大きさに対応する特性テーブルのデータが示す電流の大きさと比較するとよい。例えば、この特性テーブルのデータは、電圧センサ６０の検出結果の電圧の大きさに対応付けて夫々規定されている。

【0034】

より具体的は、判定部４０は、電圧センサ６０の検出結果が示す特定の電圧において、電流センサ５０の検出結果の値に、その特定の電圧に対応する特性テーブルのデータが示す電流の大きさに対して所定値以上の差が生じたら、半導体スイッチ装置１の劣化が進行していると判定してよい。

【0035】

判定部４０は、上記の判定方法によって半導体スイッチ装置１の劣化が進行している状態を検出して、これを示す検出信号ＳＤ１を出力する。

【0036】

例えば、判定部４０は、記憶部４０１と、論理演算部４０２とを備える。

【0037】

記憶部４０１は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流（以下、総電流という。）と、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に夫々掛る電圧との関係から、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータを保持する。この判定基準は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）の安全動作領域（ＡＳＯ（Area of Safe Operating）から所定のディレーティングを考慮に入れて予め定められた電圧－電流特性の許容範囲を決定するとよい。ここで規定される電流値は、上記の総電流に対応するものである。記憶部４０１は、これを判定基準のデータとして保持するとよい。

【0038】

論理演算部４０２は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる総電流の検出結果と、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果とに基づいて、判定基準のデータ（特性テーブルのデータ）を用いて前記故障が発生したことを検出する。

【0039】

より具体的には、上記の通り各半導体素子チップ（１０、２０、３０）は、互いに並列に接続されている電力変換用の複数のスイッチング素子を含んでいる。
論理演算部４０２は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる総電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果とに基づいて、判定基準のデータを用いてスイッチング素子の故障によって、機能停止に至る可能性が高まっていることを検出する。

【0040】

判定部４０は、上記の判定方法によって半導体スイッチ装置１の劣化が進行している状態を検出して、これを示す検出信号ＳＤ２を出力する。

【0041】

上記の実施形態によれば、故障検出装置（１）は、電力変換用の複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）を備える半導体スイッチ装置１の故障を検出する。故障検出装置の判定部４０は、半導体スイッチ装置１内に配置された各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流の検出結果と、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）のうちの１又は複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に故障が発生したことを検出する。複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）は、互いに並列に接続されている。これにより、故障検出装置は、互いに並列接続されている複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）の状態を検出できる。なお、半導体スイッチ装置１は、故障検出装置の一例であり、半導体スイッチ装置１の一部に故障検出装置が含まれてもよい。

【0042】

（第１の実施形態の変形例）
実施形態の変形例について説明する。前述の実施形態では、判定部４０と、電流センサ５０と、電圧センサ６０とを備える半導体スイッチ装置１の事例について説明した。

【0043】

本変形例の半導体スイッチ装置１は、これに変えて、判定部４０と、電流センサ５０と、電圧センサ６０との一部又は全部を、半導体スイッチ装置１の外部で形成してもよい。
この場合、故障検出装置は、判定部４０を含み、電流センサ５０と、電圧センサ６０とからの検出結果のデータを用いて、半導体スイッチ装置１の状態を推定してもよい。この場合、故障検出装置は、半導体スイッチ装置１とは別体で形成されることになるが、実施形態と同様の効果を奏する。

【0044】

（第２の実施形態）
図３Ｂと図４と図５とを参照して、第２の実施形態について説明する。
なお、以下に示す本実施形態の事例に対して、例えば、特開２０２０－１０２９７３号公報に記載の方法と組み合わせることを制限しない。上記の組み合わせによって、特開２０２０－１０２９７３号公報に記載の方法では検出できることが同様に検出でき、さらには、同公報に記載の方法では検出できなかった故障を検出可能にする。この場合、半導体スイッチ装置１Ａは、本実施形態の方法で検出した故障と、特開２０２０－１０２９７３号公報に記載の方法で検出した故障の双方の検出結果に基づいて、半導体スイッチ装置１Ａの状態を判定するとよい。以下の説明では、半導体素子チップの故障状況が均等である場合にその故障を検出するための手法を中心に説明する。

【0045】

図４は、第２の実施形態の半導体スイッチ装置１Ａの構成図である。
半導体スイッチ装置１Ａは、半導体スイッチ装置１の判定部４０と、電流センサ５０とに代えて、判定部４０Ａと、電流センサ５１、５２、５３とを備える。

【0046】

電流センサ５１は、エミッタ端子１０Ｅと端子ＴＢＮとの間に設けられ、エミッタ端子１０Ｅと端子ＴＢＮとの間に流れる電流を検出する。電流センサ５２は、エミッタ端子２０Ｅと端子ＴＢＮとの間に設けられ、エミッタ端子２０Ｅと端子ＴＢＮとの間に流れる電流を検出する。電流センサ５３は、エミッタ端子３０Ｅと端子ＴＢＮとの間に設けられ、エミッタ端子３０Ｅと端子ＴＢＮとの間に流れる電流を検出する。電流センサ５１から５３の夫々は、半導体素子チップ１０、２０、３０に夫々含まれた電力変換用の複数のスイッチング素子に流れる電流を纏めて検出する電流検出部の一例である。

【0047】

判定部４０Ａは、第１判定部４１（電流比較部）と、第２判定部４２（電流比較部）と、出力部４３とを備える。第１判定部４１は、後述する第１の推定方法に係る判定を実施する。第２判定部４２は、後述する第２の推定方法に係る判定を実施する。出力部４３は、第１判定部４１による判定の結果と、第２判定部４２による判定の結果とに基づいた論理演算（例えば、論理和演算。）を行って、何れかの判定結果に、半導体スイッチ装置１が機能停止に至る可能性が高いと判定された場合に、この警報を出力端子ＴＢＳＯに出力する。これの詳細は、後述する。

【0048】

（想定する故障に係る半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法ついて）
次に、本実施形態による半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法について説明する。
提案する予測方法は、次の２通りに大別できる。
・各半導体素子チップに流れる電流の検出結果を用いる推定方法（第１の推定方法）
・各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果とを用いる推定方法（第２の推定方法）
以下、これらについて順に説明する。

【0049】

図３Ｂを参照して、電流の検出結果を用いて半導体スイッチ装置の劣化状態を推定する第１の推定方法について説明する。図３Ｂは、第２の実施形態の半導体スイッチ装置の劣化状態の推定方法を説明するための図である。

【0050】

この図３Ｂに示す状態は、半導体素子チップ１０、３０が健常な状態であり、半導体素子チップ２０内のスイッチング素子２１から２３にＯＦＦ故障が生じた状態である。なお、スイッチング素子２４にはＯＦＦ故障が生じていない。

【0051】

この場合、健常な状態のスイッチング素子の個数が９個になる。各スイッチング素子に半導体スイッチ装置１の電流が等分されているとすれば、半導体素子チップ２０に流れる電流の大きさを１とすれば、半導体素子チップ１０、３０のそれぞれに流れる電流の大きさは４になる。

【0052】

電流センサ５１から５３は、各半導体素子チップの電流をそれぞれ検出するので、その電流のばらつきを検出できる。

【0053】

判定部４０Ａの第１判定部４１は、電流センサ５１から５３の検出結果に基づいて、検出結果が示す電流の大きさを比較してこれを検出するとよい。

【0054】

より具体的は、第１判定部４１は、電流センサ５１から５３の検出結果の値に所定値以上の差が生じたら、半導体スイッチ装置１の劣化が進行していると判定してよい。

【0055】

或いは、第１判定部４１は、電流センサ５１から５３の検出結果の最大値と最小値に所定値以上の差が生じたら、半導体スイッチ装置１の劣化が進行していると判定してよい。

【0056】

また、或いは、第１判定部４１は、電流センサ５１から５３の検出結果の平均値（または中心値）に対する各検出結果の値に所定値以上の差が生じたら、半導体スイッチ装置１の劣化が進行していると判定してよい。

【0057】

第１判定部４１は、上記の何れの判定方法によって半導体スイッチ装置１の劣化が進行している状態を検出して、これを示す検出信号ＳＤ１を出力する。

【0058】

図５を参照して、電流の検出結果を用いて半導体スイッチ装置１Ａの劣化状態を推定する第２の推定方法について説明する。図５は、実施形態の半導体スイッチ装置１Ａの劣化状態の第２の推定方法を説明するための図である。

【0059】

この図５に示す状態は、半導体素子チップ１０、２０、３０内のスイッチング素子に夫々ＯＦＦ故障が生じた状態である。例えば、スイッチング素子１１、２２、３４に、ＯＦＦ故障が発生したものとする。これによれば、ＯＦＦ故障が生じたスイッチング素子の半導体素子チップ毎の個数は、夫々１個である。

【0060】

なお、上記の場合には、半導体素子チップ１０、２０、３０の電流にばらつきが生じないため、前述した電流比較を用いる第１の推定方法では、検出が困難な状態である。

【0061】

そこで、第２の推定方法では、電圧も利用して判定することで、これを推定可能にする。

【0062】

健常な状態のスイッチング素子の導通時のＯＮ抵抗が夫々同じであると仮定する。
全てのスイッチング素子が健常な状態にあれば、１２個が並列接続されているので、スイッチング素子毎の電流は、全体の１２分の１になる。

【0063】

ただし、ＯＦＦ故障のスイッチング素子の個数が増えるほど、各スイッチング素子に流れる電流が増加するため、これに伴い各スイッチング素子の端子間に発生する電圧（飽和電圧）が増加する。そのため、各スイッチング素子における損失が増加することになる。

【0064】

判定部４０Ａの第２判定部４２は、電流センサ５１から５３の検出結果と、電圧センサ６０の検出結果とに基づいて、検出結果が示す電流の大きさを比較してこれを検出するとよい。換言すれば、第２判定部４２は、半導体スイッチ装置１内に配置された各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流の検出結果と、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果とを用いて、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）のうちの１又は複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に故障が発生したことを検出する。

【0065】

例えば、第２判定部４２は、記憶部４２１と、論理演算部４２２とを備える。

【0066】

記憶部４２１は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流と、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に夫々掛る電圧との関係から、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータを保持する。この判定基準は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）の安全動作領域（ＡＳＯから所定のディレーティングを考慮に入れて予め定められた電圧－電流特性の許容範囲を決定するとよい。記憶部４２１は、これを判定基準のデータとして保持するとよい。なお、記憶部４２１の判定基準のデータは、半導体素子チップ（１０、２０、３０）毎のデータであるのに対して、前述の記憶部４０１の判定基準のデータは、半導体スイッチ装置１としてのデータである点が異なる。

【0067】

論理演算部４２２は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流の検出結果と、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果とに基づいて、判定基準のデータを用いて前記故障が発生したことを検出する。

【0068】

より具体的には、上記の通り各半導体素子チップ（１０、２０、３０）は、互いに並列に接続されている電力変換用の複数のスイッチング素子を含んでいる。
論理演算部４２２は、各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流の検出結果と、前記複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果とに基づいて、判定基準のデータを用いてスイッチング素子の故障により、機能停止に至る可能性が高まっていることを検出する。

【0069】

第２判定部４２は、上記の判定方法によって半導体スイッチ装置１の劣化が進行している状態を検出して、これを示す検出信号ＳＤ２を出力する。

【0070】

上記の実施形態によれば、故障検出装置（１Ａ）は、電力変換用の複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）を備える半導体スイッチ装置１の故障を検出する。故障検出装置の判定部４０Ａは、半導体スイッチ装置１内に配置された各半導体素子チップ（１０、２０、３０）に流れる電流の検出結果と、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に掛る電圧との検出結果とを用いて、複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）のうちの１又は複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）に故障が発生したことを検出する。複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）は、互いに並列に接続されている。これにより、故障検出装置は、互いに並列接続されている複数の半導体素子チップ（１０、２０、３０）の状態を検出できる。なお、半導体スイッチ装置１Ａは、故障検出装置の一例であり、半導体スイッチ装置１Ａの一部に故障検出装置が含まれてもよい。

【0071】

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、故障検出装置は、電力変換用の複数の半導体素子チップを備える半導体スイッチ装置の故障を検出する。故障検出装置は、判定部を備える。判定部は、半導体スイッチ装置内に配置された各半導体素子チップに流れる電流の検出結果と、複数の半導体素子チップに掛る電圧との検出結果と、故障が発生したことを識別可能にする判定基準のデータとを用いて、複数の半導体素子チップのうちの１又は複数の半導体素子チップに故障が発生したことを検出する。複数の半導体素子チップは、互いに並列に接続されている。これにより、故障検出装置は、互いに並列接続されている複数の半導体素子チップの状態を検出できる。なお、半導体スイッチ装置は、故障検出装置の一例であり、半導体スイッチ装置の一部に故障検出装置が含まれてもよい。

【0072】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0073】

例えば、判定部４０は、第１判定部４１と、第２判定部４２とのうち、少なくとも第２判定部４２を備えていてもよい。

【符号の説明】

【0074】

１、１Ａ 半導体スイッチ装置（故障検出装置）
２ 電力変換装置
３ コンバータ
４ インバータ
５ 駆動電流センサ
６ 制御部
Ｍ 交流電動機
１０、２０、３０ 半導体素子チップ
１１から１４、２２から２４、３１から３４ スイッチング素子
４０、４０Ａ 判定部
４１ 第１判定部
４２ 第２判定部
４３ 出力部
５０から５３ 電流センサ（電流検出部）
６０ 電圧センサ（電圧検出部）

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】