特許 7749502 電子式制御装置の劣化診断方法、電子式制御装置の劣化診断プログラム、及び、電子式制御装置の劣化診断装置

(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】2025-09-26

(45)【発行日】2025-10-06

(54)【発明の名称】電子式制御装置の劣化診断方法、電子式制御装置の劣化診断プログラム、及び、電子式制御装置の劣化診断装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/72 20060101AFI20250929BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20250929BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20250929BHJP

【ＦＩ】

G01N25/72 G

G01M99/00 Z

H01L23/46 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022053187

(22)【出願日】2022-03-29

(65)【公開番号】P2023146154

(43)【公開日】2023-10-12

【審査請求日】2024-11-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柘植 穂高

(72)【発明者】

【氏名】石川 寛

【審査官】吉原 健太

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１３３１００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１３７９４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００４－５３０３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２６６７１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ １３／００ － １３／０４５

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０１Ｎ ２５／００ － ２５／７２

Ｇ０１Ｋ １／００ － １９／００

Ｈ０１Ｌ ２３／３４ － ２３／４６

Ｈ０１Ｌ ２５／００ － ２５／１６

Ｈ１０Ｂ ８０／００

Ｈ１０Ｄ ８０／００ － ８０／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子を支持する基板と、を備えた電子式制御装置の劣化診断方法であって、
前記電力用半導体素子の動作中に、前記電力用半導体素子又は前記基板に設けられた温度センサの検出結果に基づいて冷却曲線を取得するステップと、
前記冷却曲線を時間微分して得られる微分曲線を取得するステップと、
所定の時間範囲において前記微分曲線を指数関数に近似して、対応する指数を取得するステップと、
取得された前記指数と所定の基準値との大小に基づいて診断を行うステップとを含む、電子式制御装置の劣化診断方法。

【請求項2】

前記電力用半導体素子は、車載モータへの電力制御を行うパワーコントロールユニットの一部を構成し、
前記車載モータが停止した時に、前記冷却曲線の取得を開始する請求項１に記載の電子式制御装置の劣化診断方法。

【請求項3】

取得された前記指数が前記基準値よりも小さいときに、劣化していると判定する請求項１又は請求項２に記載の電子式制御装置の劣化診断方法。

【請求項4】

前記指数の時間変化率と所定の閾値との大小を比較することによって、劣化予測を行う請求項１～請求項３のいずれか１つの項に記載の電子式制御装置の劣化診断方法。

【請求項5】

電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子を支持する基板と、を備えた電子式制御装置の劣化診断プログラムであって、
前記電力用半導体素子の動作中に、前記電力用半導体素子又は前記基板に設けられた温度センサの検出結果に基づいて冷却曲線を取得するステップと、
前記冷却曲線を時間微分して得られる微分曲線を取得するステップと、
所定の時間範囲において前記微分曲線を指数関数に近似して、対応する指数を取得するステップと、
取得された前記指数と所定の基準値との大小に基づいて診断を行うステップとを含む、電子式制御装置の劣化診断プログラム。

【請求項6】

前記電力用半導体素子は、車載モータへの電力制御を行うパワーコントロールユニットの一部を構成し、
前記車載モータが停止した時に、前記冷却曲線の取得を開始する請求項５に記載の電子式制御装置の劣化診断プログラム。

【請求項7】

取得された前記指数が前記基準値よりも小さいときに、劣化していると判定する請求項５又は請求項６に記載の電子式制御装置の劣化診断プログラム。

【請求項8】

電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子に電気的に接続された基板とを備えた電子式制御装置の劣化診断装置であって、
前記電力用半導体素子又は前記基板に設けられた温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて劣化診断を行うプロセッサとを含み、
前記プロセッサは、
前記電力用半導体素子の動作中に、前記温度センサの検出結果に基づいて冷却曲線を取得し、
前記冷却曲線を時間微分した微分曲線を取得し、
所定の時間範囲において前記微分曲線を指数関数に近似して、対応する指数を取得し、
取得された前記指数と所定の基準値との大小に基づいて診断を行う電子式制御装置の劣化診断装置。

【請求項9】

前記電力用半導体素子は、車載モータへの電力制御を行うパワーコントロールユニットの一部を構成し、
前記プロセッサは、前記車載モータが停止した時に、前記冷却曲線の取得を開始する請求項８に記載の電子式制御装置の劣化診断装置。

【請求項10】

取得された前記指数が前記基準値よりも小さいときに、劣化していると判定する請求項８又は請求項９に記載の電子式制御装置の劣化診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電子式制御装置の劣化診断方法、電子式制御装置の劣化診断プログラム、及び、電子式制御装置の劣化診断装置であって、特に、電力用半導体素子を備えた電子式制御装置の劣化診断方法、及び、その電子式制御装置の劣化診断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力用半導体素子と、電力用半導体素子と電気的に接続された配線基板とを備えた電子式制御装置を含む電子式制御装置の余寿命予測方法が公知である（例えば、特許文献１）。

【0003】

特許文献１の電力用半導体素子は配線基板にダイアタッチ材を介して固定されている。配線基板の内部には、電圧を印加することにより発熱する発熱層及び温度の計測が可能な感熱層を備えた発熱感熱デバイスが内蔵されている。

【0004】

発熱感熱デバイスの発熱層に短いパルス給電を行なって瞬間加熱した後に放冷させ、その加熱及び放冷の過程を発熱感熱デバイスの感熱層を用いて温度変化挙動（放熱曲線）として取得する。ダイアタッチ材内部に疲労破壊起因のクラックが生じて、発熱感熱デバイスからの放熱経路において熱抵抗が増大する箇所が発生すると、放熱曲線に変化が生じる。これにより、ダイアタッチ材内部に疲労破壊起因のクラックが発生し始めた初期の段階で検出することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１１－２５３９７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、低炭素社会又は脱炭素社会の実現において、ＣＯ_２排出量の削減やエネルギー効率改善の観点から、電気自動車が注目されている。電気自動車は、バッテリ、モータ、及び、パワーコントロールユニットを備えている。パワーコントロールユニット（電子式制御装置）はバッテリから供給される直流を、モータを駆動するための交流に変換するインバータを含む。インバータはスイッチング素子をとして機能するパワー半導体（電力用半導体素子）を備えている。

【0007】

そこで、特許文献１に記載されている方法に従って、電気自動車に搭載されるパワーコントロールユニットの劣化診断を行うことが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の方法では放熱開始温度を制御する必要がある。また、配線基板内に発熱体を設置している場合には、配線基板の構造が複雑になる。よって、特許文献１に記載されている方法は、広く用いられている電力用半導体素子が配線基板に支持された電子式制御装置の劣化診断には使用できない。

【0008】

本発明は、以上の背景を鑑み、加熱条件、冷却開始温度、冷媒温度等に依らず、汎用性が有り且つ容易な電子式制御装置の劣化診断方法、電子式制御装置の劣化診断プログラム、及び、電子式制御装置の劣化診断装置を提供することを課題とする。そして、延いては電気自動車の利便性や安全性を高め、エネルギー効率の改善に寄与するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、電力用半導体素子（１７）と、前記電力用半導体素子を支持する基板（１３）と、を備えた電子式制御装置（１）の劣化診断方法であって、前記電力用半導体素子の動作中に、前記電力用半導体素子又は前記基板に設けられた温度センサ（４３）の検出結果に基づいて冷却曲線を取得するステップと、前記冷却曲線を時間微分して得られる微分曲線を取得するステップと、所定の時間範囲において前記微分曲線を指数関数に近似して、対応する指数（ｂ）を取得するステップと、取得された前記指数と所定の基準値との大小に基づいて診断を行うステップとを含む。

【0010】

この態様によれば、所定の範囲において微分曲線を指数関数に近似することにより、電子式制御装置の劣化に関連性が高い指数を取得することができるため、加熱条件、冷却開始温度、冷媒温度等に依らず、汎用性が有り且つ容易な電子式制御装置の劣化診断方法を提供することができる。

【0011】

上記の態様において、好ましくは、前記電力用半導体素子は、車載モータ（５）への電力制御を行うパワーコントロールユニットの一部を構成し、前記車載モータが停止した時に、前記冷却曲線の取得を開始する。

【0012】

この態様によれば、温度センサの検出結果に対する車載モータの影響を低減することができる。

【0013】

上記の態様において、好ましくは、取得された前記指数が前記基準値よりも小さいときに、劣化していると判定する。

【0014】

この態様によれば、劣化の有無を容易に判定することができる。

【0015】

上記の態様において、好ましくは、前記指数の時間変化率と所定の閾値との大小を比較することによって、劣化予測を行う。

【0016】

この態様によれば、指数の時間変化率を用いることによって、劣化が加速しているか否かを判定することができるため、劣化予測を良好、且つ、簡便に行うことができる。

【0017】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、電力用半導体素子（１７）と、前記電力用半導体素子を支持する基板（１３）と、を備えた電子式制御装置（１）の劣化診断プログラムであって、前記電力用半導体素子の動作中に、前記電力用半導体素子又は前記基板に設けられた温度センサ（４３）の検出結果に基づいて冷却曲線を取得するステップと、前記冷却曲線を時間微分して得られる微分曲線を取得するステップと、所定の時間範囲において前記微分曲線を指数関数に近似して、対応する指数（ｂ）を取得するステップと、取得された前記指数と所定の基準値との大小に基づいて診断を行うステップとを含む。

【0018】

この態様によれば、所定の範囲において微分曲線を指数関数に近似することにより、電子式制御装置の劣化に関連性が高い指数を取得することができるため、加熱条件、冷却開始温度、冷媒温度等に依らず、汎用性が有り且つ容易な電子式制御装置の劣化診断方法を提供することができる。

【0019】

上記の態様において、好ましくは、前記電力用半導体素子は、車載モータへの電力制御を行うパワーコントロールユニットの一部を構成し、前記車載モータが停止した時に、前記冷却曲線の取得を開始する。

【0020】

この態様によれば、温度センサの検出結果に対する車載モータの温度変化の影響を低減することができる。

【0021】

上記の態様において、好ましくは、取得された前記指数が前記基準値よりも小さいときに、劣化していると判定する。

【0022】

この態様によれば、劣化の有無を容易に判定することができる。

【0023】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、電力用半導体素子（１７）と、前記電力用半導体素子に電気的に接続された基板（１３）とを備えた電子式制御装置の（１）劣化診断装置であって、前記電力用半導体素子又は前記基板に設けられた温度センサ（４３）と、前記温度センサの検出結果に基づいて劣化診断を行うプロセッサとを含み、前記プロセッサは、前記電力用半導体素子の動作中に、前記温度センサの検出結果に基づいて冷却曲線を取得し、前記冷却曲線を時間微分した微分曲線を取得し、所定の時間範囲において前記微分曲線を指数関数に近似して、対応する指数（ｂ）を取得し、取得された前記指数と所定の基準値との大小に基づいて診断を行う。

【0024】

この態様によれば、所定の範囲において微分曲線を指数関数に近似することにより、電子式制御装置の劣化に関連性が高い指数を取得することができるため、熱条件、冷却開始温度、冷媒温度等に依らず、汎用性が有り且つ容易な電子式制御装置の劣化診断方法を提供することができる。

【0025】

上記の態様において、好ましくは、前記電力用半導体素子は、車載モータへの電力制御を行うパワーコントロールユニットの一部を構成し、前記プロセッサは、前記車載モータが停止した時に、前記冷却曲線の取得を開始する。

【0026】

この態様によれば、温度センサの検出結果に対する車載モータの温度変化の影響を低減することができる。

【0027】

上記の態様において、好ましくは、取得された前記指数が前記基準値よりも小さいときに、劣化していると判定する。

【0028】

この態様によれば、劣化の有無を容易に判定することができる。

【発明の効果】

【0029】

以上の構成によれば、電力用半導体素子の劣化診断が容易な電子式制御装置の劣化診断方法、電子式制御装置の劣化診断プログラム、及び、電子式制御装置の劣化診断装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】実施形態に係る劣化診断方法によって診断される電子式制御装置、及び、劣化診断装置のブロック図

【図2】電子式制御装置の一部を示す模式図

【図3】劣化診断処理のフローチャート

【図4】劣化度が異なる３つの電子式制御装置に対応する冷却曲線の例を示すグラフ

【図5】特定範囲取得方法を示すフローチャート

【図6】テストデバイスの冷却曲線の例を示すグラフ

【図7】図６の冷却曲線を用いて取得された特定範囲を説明するためのグラフ

【図8】図４に示した劣化度が異なる３つの電子式制御装置において冷却開始温度が異なる場合に取得された冷却曲線を示すグラフ

【図9】図８に示す冷却曲線を微分した微分曲線、及び、微分曲線を近似した直線を示すグラフ

【図10】図４の曲線１～３の測定に用いたパワーコントロールユニットにおいて、冷却開始温度や冷媒温度を変えて取得した冷却曲線を示すグラフ

【図11】図９の冷却曲線の微分曲線を示すグラフ

【図12】加熱時間、冷却開始温度、冷媒温度などの条件を固定した場合（破線）と、条件をランダムに変動させた場合（実線）とにおけるパワーサイクル試験において得られた指数ｂの変化率を示すグラフ

【図13】冷媒温度及び特定範囲を用いて得られた指数の変動率の関係（黒丸）及び、冷媒温度及び計測時間全体を指数関数近似することにより得られた指数の変動率の関係（白丸）を示すグラフ

【図14】（冷却開始温度－冷媒温度）及び特定範囲を用いて得られた指数の変動率の関係（黒丸）及び、（冷却開始温度－冷媒温度）及び計測時間全体を指数関数近似することにより得られた指数の変動率の関係（白丸）を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、図面を参照して、本発明に係る電子式制御装置の劣化診断方法、電子式制御装置の劣化診断プログラム、及び、電子式制御装置の劣化診断装置の実施形態について説明する。

【0032】

以下では、電子式制御装置の劣化診断方法が、電子式制御装置であるパワーコントロールユニット１の劣化診断を行うために用いられた例について説明する。

【0033】

パワーコントロールユニット１は電気自動車に搭載され、バッテリ３によって駆動する車載モータ５の電力制御を行う。図１に示すように、パワーコントロールユニット１は、電気自動車に搭載されたバッテリ３からの直流を、車載モータ５を駆動するための交流に変換するインバータ７と、インバータ７の駆動制御するゲートドライバ９と、アクセル開度等に合わせてゲートドライバ９の駆動条件を設定するコントローラ１１とを備えている。本実施形態では、電子式制御装置の劣化診断方法は、特に、インバータ７の劣化診断を行うために用いられる。

【0034】

図２には、インバータ７の一部を示す模式図が示されている。インバータ７は、基板１３と、半導体チップ１５（電力用半導体チップ）と、を備えている。

【0035】

基板１３はインシュレータ（絶縁体）によって構成された高熱伝導性・高耐圧を有する絶縁基板である。基板１３は例えば、セラミックスや、窒化アルミニウムを用いた厚銅絶縁基板であってよい。基板１３の一方側の面（以下、上面）には図示しない複数の電極が設けられている。

【0036】

半導体チップ１５には、複数の半導体素子１７が設けられている。半導体素子１７は、車載モータ５への電力の制御や変換を行うための半導体であって、いわゆるパワーデバイス（電力用半導体素子）である。半導体素子１７は、例えば、バイポーラトランジスタや、パワーＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｌｅｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｔｅｒ）であってよい。

【0037】

半導体チップ１５は、基板１３の上面に接合材によって結合されている。これにより、半導体チップ１５に設けられた半導体素子１７はそれぞれ、絶縁体によって構成された基板１３に支持されている。

【0038】

接合材ははんだ（ソルダー）や、金属焼結材料等によって構成されている。本実施形態では、半導体素子１７と基板１３とは、はんだによって接合され、半導体チップ１５と基板１３との間には、はんだ層１９が設けられている。

【0039】

半導体チップ１５は、基板１３上に設けられた電極に、図示しないボンディングワイヤを介して接続されている。基板１３上の電極には、基板１３上に設けられた配線パターンや、基板１３とは別体の電気配線が接続されている。半導体素子１７には、配線パターンや電気配線を介して電圧が印加されて、インバータ７を構成するためのスイッチング素子として機能する。

【0040】

基板１３の他方側の面（以下、下面）は、接合材によって、ヒートシンク２１に結合されている。接合材ははんだ（ソルダー）や、金属焼結材料等によって構成されていてもよい。本実施形態では、基板１３とヒートシンク２１とは、はんだによって接合され、基板１３とヒートシンク２１との間には、はんだ層２３が設けられている。

【0041】

ヒートシンク２１は、サーマルインタフェースマテリアルによって構成された伝熱層２５を介して、冷却器２７に結合している。サーマルインタフェースマテリアルとは、ヒートシンク２１と、冷却器２７の間の小さな隙間や凸凹を埋め、効率よく熱をヒートシンク２１から冷却器２７に伝導させる物質である。伝熱層２５は、例えば、熱伝導率の高いパッド、ペースト、グリース等のいずれによって構成されていてもよい。

【0042】

冷却器２７は、好ましくは金属製の部材であり、内部に冷媒２９を流通させるための流路３１が設けられている。冷媒２９は、例えば、冷却水等であってよい。但し、この態様には限定されず、冷却器２７は例えば、フィンを備えたヒートシンク２１であってもよく、また、ファンを備えていてもよい。

【0043】

半導体チップ１５及び基板１３の間のはんだ層１９や、基板１３とヒートシンク２１との間のはんだ層２３には、熱サイクル等の種々の要因によってクラック（亀裂やひび割れ）が生じて劣化することが知られている。本実施形態に係る電子式制御装置の劣化診断方法は、特に、これらのはんだ層１９、２３の劣化の有無を診断するために使用される。但し、この態様は一例に過ぎず、本発明に係る電子式制御装置の劣化診断方法は、種々の電力用半導体素子を含む電子式制御装置の劣化診断に適用可能である。

【0044】

次に、電子式制御装置の劣化診断方法を実施するための、電子式制御装置の劣化診断装置４１について説明する。劣化診断装置４１は、電子式制御装置の劣化診断方法を実施することによって、パワーコントロールユニット１の劣化診断、具体的には、インバータ７のはんだ層１９、２３の劣化診断を行う装置である。劣化診断装置４１は、図１に示すように、温度センサ４３と、温度センサ４３の検出結果に基づいて、劣化診断を行う診断装置本体４５とを備えている。

【0045】

温度センサ４３は温度を検出するセンサであって、本実施形態では、測温ダイオードによって構成されている。但し、温度センサ４３はこの態様には限定されず、例えば、温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体やサーミスタ等で構成されていてもよい。また、半導体チップ１５の抵抗値と温度の検量線を作成して半導体チップ１５の抵抗値から温度を検知する方法でもよい。

【0046】

図２に示すように、温度センサ４３は半導体チップ１５の裏面に設けられている。よって、温度センサ４３によって検出される温度は、概ね、半導体チップ１５の温度と等しい。但し、この態様には限定されず、例えば、温度センサ４３は、基板１３の上面や裏面、半導体チップ１５の表面のいずれに設けられていてもよい。その他、温度センサ４３は基板１３の内部に設けられていてもよい。本実施形態では、温度センサ４３は半導体チップ１５の裏面に形成され、半導体チップ１５と基板１３との間のはんだ層１９を介して、基板１３の上面に固定されている。

【0047】

本実施形態では、半導体チップ１５、温度センサ４３、基板１３、及び、ヒートシンク２１が一体的にモールド樹脂によって封止されることによって、半導体パッケージ４７が構成されている。

【0048】

図１に示すように、診断装置本体４５は、プロセッサ５１（中央演算処理装置、ＣＰＵ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やＲＯＭ（リードオンリーメモリ）等のメモリ５３と、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）やＨＤＤ（ハードディスクドライブ）等の記憶装置５５と、を備えたコンピュータによって構成されている。診断装置本体４５は、例えば、車室内のモニタ５６Ａを備えたカーナビゲーションシステム５６に接続されていてもよい。

【0049】

診断装置本体４５（詳細には、診断装置本体４５の記憶装置５５）は、特定範囲Ｗを記憶している。特定範囲Ｗは、測定開始からの経過時間に対応する開始時間ｔ_ｓと、測定開始からの経過時間に対応する終了時間ｔ_ｅとの間として定義される時間範囲である（図７も参照）。特定範囲Ｗは、例えば、自動車の製造時等において、記憶装置５５に記憶される。

【0050】

診断装置本体４５は、パワーコントロールユニット１のコントローラ１１に接続されている。パワーコントロールユニット１のコントローラ１１は、ゲートドライバ９を介してインバータ７を制御することにより、車載モータ５の駆動を制御する。診断装置本体４５のプロセッサ５１は、コントローラ１１から、車載モータ５が駆動している状態からその駆動を停止したことを示す信号を取得する。

【0051】

プロセッサ５１は、コントローラ１１から車載モータ５が駆動している状態からその駆動を停止したことを示す信号を取得すると、電子式制御装置の劣化診断プログラムを実行する。プロセッサ５１は、劣化診断プログラムを実行することによって、図３に示すフローチャートに示す劣化診断処理を行い、電子式制御装置の劣化診断方法を実施する。これにより、プロセッサ５１は、電子式制御装置の劣化の有無（具体的には、パワーコントロールユニット１のインバータ７に設けられたはんだ層１９、２３の劣化の有無）を診断する。以下では、図３を参照して、劣化診断処理の詳細について説明する。

【0052】

プロセッサ５１は、劣化診断処理の最初のステップＳＴ１において、車載モータ５が駆動停止してから、所定の時間（以下、計測時間ｔ_ｍａｘ）が経過するまで、取得時間Δｔごとに温度センサ４３の検出結果を取得する。

【0053】

このとき、プロセッサ５１によって取得されるデータは、駆動停止したときを時刻ｔ＝０として、時刻ｔ＝０～ｔ_ｍａｘまでの温度センサ４３によって取得された温度Ｔの時間変化に対応する（例えば、図４参照）。本実施形態では、温度センサ４３は半導体素子１７（デバイス）の温度Ｔを取得するため、プロセッサ５１によって取得されるデータは、時刻ｔ＝０～ｔ_ｍａｘまでの半導体素子１７（デバイス）の温度Ｔの時間変化を示すデータ（以下、冷却曲線）に対応する。計測時間ｔ_ｍａｘは数秒程度であってよく、取得時間Δｔは、１０μ秒程度であってよい。プロセッサ５１は、計測時間ｔ_ｍａｘが経過すると、検出結果の取得を停止し、ステップＳＴ２を実行する。

【0054】

ステップＳＴ２において、プロセッサ５１は、冷却曲線を数値微分し、正負反転することによって、微分曲線（―ｄＴ（ｔ）／ｄｔ）を取得する。微分曲線は、冷却曲線の傾きの大きさを示す曲線に対応する。プロセッサ５１が冷却曲線を数値微分する方法は、前進差分、中心差分等の近似による数値微分等、公知の手法に基づくものであってよい。微分曲線の取得が完了すると、プロセッサ５１はステップＳＴ３を実行する。

【0055】

ステップＳＴ３において、プロセッサ５１は、記憶装置５５から予め記憶された特定範囲Ｗを取得し、微分曲線を、特定範囲Ｗで、指数関数に近似して、対応する指数ｂを取得する。

【0056】

ここでいう指数ｂとは、温度Ｔ（ｔ）が以下の式（１）で表されるとしたときの時間ｔの係数であって、時定数Ｂ（緩和時間ともいう）の逆数（ｂ＝１／Ｂ）に相当する。

【0057】

【数1】

【0058】

式（１）のＡ、Ｃはそれぞれ所定の定数である。

【0059】

本実施形態では、プロセッサ５１は、まず、微分曲線（－ｄＴ（ｔ）／ｄｔ）を、底をｅとする対数変換（すなわち、ｌｏｇ_ｅ（－ｄＴ／ｄｔ））した対数変換曲線Ｙを取得する。ここで、eは自然対数の底を示す。

【0060】

次に、プロセッサ５１は、対数変換曲線Ｙに対して、回帰分析を行う。具体的には、プロセッサ５１は、対数変換曲線Ｙが、特定範囲Ｗで、直線、すなわち、Ｙ＝－ｂｔ＋ｂ０の近似式で表せると仮定し、公知の手法によって、指数ｂを取得する。指数ｂの取得が完了すると、プロセッサ５１はステップＳＴ４を実行する。

【0061】

プロセッサ５１はステップＳＴ４において、指数ｂに基づき、劣化判定を行う。本実施形態では、プロセッサ５１は、指数ｂが所定の異常判定基準値ｂ０以上であるときに、電子式制御装置が劣化していないと判定し、指数ｂが異常判定基準値ｂ０より小さいときには、電子式制御装置が劣化していると判定する。劣化判定が完了すると、プロセッサ５１は、劣化診断処理を終える。

【0062】

プロセッサ５１は電子式制御装置が劣化していると判定したときには、プロセッサ５１は、電子式制御装置が劣化していることを、カーナビゲーションシステム５６のモニタ５６Ａに表示させてもよい。診断装置本体４５が、例えば、車両の所有者の携帯端末（スマートフォン等）にネットワークを介して接続可能であるときには、診断装置本体４５は電子式制御装置が劣化していることを、携帯端末を介して車両の所有者に通知してもよい。

【0063】

次に、記憶装置５５に記憶された特定範囲Ｗの取得方法（以下、特定範囲取得方法）について説明する。特定範囲取得方法は、劣化診断の評価対象となるパワーコントロールユニット１と、同一の仕様（構造）のパワーコントロールユニット（以下、テストデバイス）を試験するテスト装置によって特定範囲取得処理を実行することによって実施される。

【0064】

テスト装置は、例えば、パワーコントロールユニット１の設計段階で、特定範囲取得処理を実行してもよい。また、テスト装置は、初期劣化が終了したテストデバイス（パワーサイクル試験１０，０００回終了品）に対して、特定範囲取得処理を実行してもよい。

【0065】

テスト装置は、テストデバイスに設けられた半導体チップの温度を測定する温度センサと、温度センサの検出結果を解析するプロセッサと、プロセッサによって解析された結果を表示するモニタ等の表示装置とを有している。テスト装置は、劣化診断装置と同様の構成（診断装置本体４５、及び、テストデバイスの温度を測定する温度センサ４３）を含んでいてもよい。また、特定範囲取得方法を実施するときには、パワーコントロールユニット１には一定温度の冷媒２９が供給され、冷媒の温度（以下、冷媒温度）は所定の値（以下、テスト冷媒温度）に設定されているものとする。

【0066】

以下、特定範囲取得処理の詳細について図５を参照して説明する。

【0067】

テスト装置は、特定範囲取得方法の最初のステップＳＴ１１において、テストデバイスに含まれる半導体チップを加熱した後、加熱を停止し、所定の時間（以下、テスト計測時間ｔ_ｍａｘ´）が経過するまで、半導体チップの温度Ｔ´（ｔ）を取得する。テスト計測時間ｔ_ｍａｘ´は、計測時間ｔ_ｍａｘと同一であってもよく、また、異なっていてもよい。

【0068】

このとき、テスト装置によって取得されるデータは、図６に示すように、加熱停止したときを時刻ｔ＝０として、時刻ｔ＝０～ｔ_ｍａｘ´までの温度Ｔ´（ｔ）の時間変化を示すデータ（以下、テスト冷却曲線）に対応する。テスト装置は、テスト計測時間ｔ_ｍａｘ´が経過すると、温度取得を停止し、ステップＳＴ１２を実行する。

【0069】

ステップＳＴ１２において、テスト装置は、温度Ｔ´（ｔ）から、テスト冷媒温度を引いた差分温度ΔＴ´（ｔ）を算出する。その差分温度ΔＴ´（ｔ）の時刻ｔ＝０におけるその１／e（eは自然対数の底）を算出する。

【0070】

その後、テスト装置は、差分温度ΔＴ´（ｔ）がｔ＝０での差分温度の値の１／ｅとなる時間（すなわち、温度Ｔ´（ｔ）が（冷却開始温度－冷媒温度）／ｅ＋冷媒温度よりも低くなる時間。但し、冷却開始温度とは、加熱を停止したときの温度）を仮時定数τ（図６参照）として取得する。その後、テスト装置は、仮時定数τを含む所定幅の時間帯を特定範囲Ｗとして設定する。

【0071】

本実施形態では、テスト装置は、温度Ｔ´（ｔ）の微分値（－ｄＴ´（ｔ）／ｄｔ）を取り、片対数グラフにプロットする（図７参照）。その後、テスト装置は、特定範囲Ｗを、仮時定数τを含み、且つ、できる限り広い範囲で寄与率（Ｒ２）が０．９９程度になる範囲を選択する。ここでいう、寄与率Ｒ２とは、温度Ｔ´（ｔ）の微分値の対数（ｌｏｇ_ｅ（－ｄＴ´（ｔ）／ｄｔ））が、特定範囲Ｗで、直線で表せると仮定したときに、温度Ｔ´（ｔ）の微分値の対数と、その直線とのずれの度合いを示す量であって、Ｒ２乗値、決定係数とも呼ばれる。その他、テスト装置は、テストを行う作業者から入力を受け付けることによって、特定範囲Ｗを変更してもよい。但し、特定範囲Ｗの変更には、その範囲を広くするとＲ２は小さくなり、範囲を狭くするとその逆になることを考慮するとよい。

【0072】

特定範囲Ｗの設定が完了すると、テスト装置は特定範囲Ｗを表示装置に表示し、特定範囲取得処理を完了する。

【0073】

テスト装置を用いてテスト作業を行う作業者や、自動車の組み立て、整備等を行う作業者等が、適宜入力作業等を行い、記憶装置５５に特定範囲Ｗを記憶させてもよい。

【0074】

次に、このように構成した劣化診断方法、及び、劣化診断装置４１の効果について、図面を参照しながら説明する。

【0075】

図４には横軸を時間ｔ、縦軸を温度Ｔとしてプロットした冷却曲線の例が示されている。

【0076】

半導体チップ１５から冷却器２７に熱が逃げる速度が高ければ高いほど、半導体チップ１５の温度はより迅速に冷却する。はんだ層１９、２３にクラック（亀裂やひび割れ）が入ると、半導体チップ１５から冷却器２７に熱が逃げ難くなり、半導体チップ１５の冷却が遅くなる。例えば、図４に示す曲線１に比べて、曲線２、３では、半導体チップ１５の冷却が遅く、熱が逃げ難くなっていることが理解できる。このように、冷却速度を評価することによって、はんだ層１９、２３が劣化しているか否かを判定することができる。

【0077】

しかしながら、車両の走行条件や走行環境等によって冷却開始温度（冷却を開始したときの半導体チップ１５の温度）や冷媒温度が変化しうるため、一概には比較できない。

【0078】

図８には、図４の曲線１～３それぞれに対応するパワーコントロールユニット１において、冷却開始温度や冷媒温度を変更して取得した冷却曲線がそれぞれ示されている。このグラフからでは冷却速度つまり劣化状態を判断することが難しい。

【0079】

そこで、本発明者らは鋭意検討を進めた上、冷却曲線を時間微分しｙ軸（温度）を対象とした片対数グラフにプロットしたとき（図９を参照）に、所定の特定範囲Ｗで有れば冷却開始温度や冷媒温度変化しても傾きが一定になる区間があることを見出した。つまり、冷却曲線を時間微分した値は特定範囲Ｗであれば指数関数で近似でき、片対数グラフにプロットしたときに、その傾きが冷却開始温度や冷媒温度が変化しても一定であることを見出した。例えば、図９によれば、その傾きが曲線１，２，３の順に急になっていることから、劣化状態が判断しやすくなったといえる。

【0080】

図１０には、図４、図８、及び図９に示す曲線１～３の測定に用いたパワーコントロールユニット１において、冷却開始温度や冷媒温度を変えて取得した冷却曲線が示されている。図１１には、図１０に示す冷却曲線を微分した微分曲線がそれぞれ示されている。

【0081】

以下の表１には、図１１に示された曲線それぞれに対して、傾き（指数ｂ）を取得した結果が示されている。

【0082】

【表1】

【0083】

表１から、冷却開始温度や冷媒温度変化しても、指数ｂはほぼ一定であり、劣化度が同じであれば、指数ｂが同じになるということがわかる。

【0084】

しかし、パワーコントロールユニット１に搭載される半導体素子１７の冷却曲線は理論的には、以下の式（２）で表される。

【0085】

【数2】

【0086】

但し、式（２）において、Ｃ、Ａｉ及びｂｉ（ｉ＝１～Ｎ）はそれぞれ、時間ｔに依らない所定の定数であり、Ｎは１以上の所定の正の整数である。式（２）は、微分しても指数関数にはならないので、片対数グラフにプロットしたときに傾きが一定になるとする結果（図６参照）とは矛盾する。

【0087】

式（２）は、式（３）のようにも表される。

【0088】

【数3】

【0089】

本願発明者らは、式（２）（又は、式（３））のうち、ある項、例えばｎ項－Ａ_ｎ・ｅｘｐ（－ｂ_ｎｔ）が支配的となり、他の項の変化がほとんどせず定数として近似できる特定範囲Ｗが存在すると考えた。つまり、本願発明者らは、特定範囲Ｗであれば式（３）は、以下の式（４）によって近似できると考えた。

【0090】

【数4】

【0091】

図１２に、この考察の元で試験的に加熱時間、冷却開始温度、冷媒温度が一定の場合（破線）とランダムに変化させた場合（実線）とにおけるパワーサイクル試験において得られた指数ｂの値に示した。図１２によれば、本発明の劣化診断方法によって、加熱時間、冷却開始温度、冷媒温度が変化しても指数ｂの値でパワーコントロールユニット１の劣化状態が検知できることがわかる。

【0092】

また、図１３に冷媒温度と指数ｂの変動率、図１４に（冷却開始温度－冷媒温度）と指数ｂの変動率の関係を黒丸で示した。比較の為に本手法を使用せずに冷却曲線全体が指数関数と仮定した時の指数ｂの値も併せて白丸で示した。

【0093】

図１３から、本発明の劣化診断方法によって、冷却開始温度、冷媒温度に影響されずに劣化を表す指数ｂが取得できることが分かる。すなわち、図１３及び図１４の黒丸と白丸とから、本発明の劣化診断方法を使用せずに冷却曲線全体から計算すると、指数ｂの値が冷却開始温度、冷媒温度に大きく影響を受けることが分かる。よって、本発明の劣化診断方法を使用せずに冷却曲線全体から計算する方法は、劣化診断には使用できないことがわかる。

【0094】

このように、本願発明によって加熱条件、冷却開始温度、冷媒温度等に依らず、汎用性が有り且つ容易なパワーコントロールユニット１の劣化診断方法が提供される。これにより、電気自動車の利便性や安全性が高められるため、延いては、本発明はエネルギー効率の改善に寄与すると期待できる。

【0095】

プロセッサ５１は、ステップＳＴ４において、指数ｂが異常判定基準値ｂ０より小さいときには、電子式制御装置が劣化していると判定する。このように、指数ｂを異常判定基準値ｂ０と比較することによって劣化判定を行うことができるため、劣化の有無を容易に判定することができる。

【0096】

プロセッサ５１は、車載モータ５が駆動している状態からその駆動を停止したことを示す信号を取得すると、劣化診断処理を実行し、冷却曲線の取得を開始する。このように構成することで、車載モータ５が駆動している状態で冷却曲線の取得を開始する場合に比べて、温度センサ４３の検出結果に対する車載モータ５の影響（例えば、車載モータ５の駆動による電磁ノイズの影響等）を低減することができる。

【0097】

また、変形実施例として、プロセッサ５１がステップＳＴ４において指数ｂを、劣化診断処理を行った時刻とともに記憶装置５５に記憶するとともに、記憶装置５５に既に記憶された指数ｂの経時変化を評価することによって、劣化予測を行うことも考えられる。劣化予測には、例えば、指数ｂの経時変化を示す値として、指数ｂの単位時間に対する変化量、すなわち、指数ｂの時間変化率が用いられてもよい。

【0098】

指数ｂの時間変化率を取得するため、プロセッサ５１は、例えば、ステップＳＴ４において、まず、記憶装置５５から前回、劣化診断処理を実行した時刻ｓ_ａと、前回の劣化診断処理にて得られた指数ｂ（ｓ_ａ）を取得する。次に、プロセッサ５１は、その指数ｂ（ｓ_ａ）と、ステップＳＴ３にて新たに取得した指数ｂ（ｓ_ｂ）との差の絶対値Δｂ＝｜ｂ（ｓ_ｂ）－ｂ（ｓ_ａ）｜を算出する。更に、プロセッサ５１は前回の劣化診断処理を行った時刻ｓ_ａから、ステップＳＴ１を実行した時刻ｓ_ｂまでの経過時間Δｓ（＝ｓ_ｂ－ｓ_ｂ）を取得して、指数ｂの差の絶対値Δｂを経過時間Δｓで割った値（Δｂ／Δｓ）を算出し、算出した値を指数ｂの時間変化率として取得することが考えられる。プロセッサ５１は、指数ｂの時間変化率が所定の閾値以上であるときに、劣化した状態に近づきつつあると判定してもよい。

【0099】

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。

【0100】

上記実施形態において、プロセッサ５１は、劣化診断処理のステップＳＴ４において、微分曲線を、eを底とする対数変換し、回帰分析を行って、指数ｂを取得していたが、この態様には限定されない。プロセッサ５１は、劣化診断処理のステップＳＴ４において、微分曲線を、１０を底とする対数変換し、回帰分析を行って、指数ｂを取得してもよい。

【0101】

上記実施形態において、プロセッサ５１は、ステップＳＴ４において、指数ｂが異常判定基準値ｂ０より小さいときには、電子式制御装置が劣化していると判定していたが、この態様には限定されない。プロセッサ５１は、ステップＳＴ３において、ｂの逆数（１／ｂ。時定数Ｂともいう）を取得し、その時定数Ｂが異常判定基準値Ｂ０よりも大きいときに、電子式制御装置（パワーコントロールユニット１）が劣化していると判定してもよい。

【0102】

上記実施形態において、プロセッサ５１は、ステップＳＴ３において、微分曲線が複数の指数関数の和によって表されていると仮定し、微分曲線を、公知の手法に基づいてフィッティングすることにより、それぞれの指数関数に対応する指数ｂを取得してもよい。その場合には、ステップＳＴ４において、プロセッサ５１は最も小さな指数ｂ（又は、最も大きな時定数Ｂ）と、異常判定基準値ｂ０との大小に基づいて、劣化を判定してもよい。具体的には、プロセッサ５１は最も小さな指数ｂが異常判定基準値ｂ０より小さくなった（又は、最も大きな時定数Ｂが異常判定基準値Ｂ０よりも大きくなった）ときに、電子式制御装置（パワーコントロールユニット１）が劣化していると判定してもよい。指数ｂが小さい（時定数Ｂが大きい）ほど、熱が逃げ難いことを示しているため、最も小さな指数ｂ（最も大きな時定数Ｂ）を用いることで、クラックによって熱が逃げ難くなった箇所の劣化を効果的に抽出することが可能である。

【0103】

また、プロセッサ５１はＳＴ２において取得した微分曲線に基づいて、劣化診断処理を行うごとに、微分曲線の初期値が１／ｅ（ｅは自然対数の底）となる時刻を含む（例えば、その時刻を中心とする所定の時間幅の範囲となる）ように、特定範囲Ｗを設定してもよい。

【0104】

上記実施形態において、プロセッサ５１の代わりに、微分回路や対数変換回路などの既知のアナログ回路が用いられてもよく、また、公知のアナログ回路と公知のデジタル回路とによって組み合わせが用いられてもよい。

【符号の説明】

【0105】

１ ：パワーコントロールユニット（電子式制御装置）
５ ：車載モータ
１３ ：基板
１７ ：半導体素子（電力用半導体素子）
４１ ：劣化診断装置
４３ ：温度センサ
ｂ ：指数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】