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特表2024-508339パワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばす方法及びデバイス

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-26

(54)【発明の名称】パワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばす方法及びデバイス

(51)【国際特許分類】

H02M 1/00 20070101AFI20240216BHJP

H02M 7/48 20070101ALI20240216BHJP

【ＦＩ】

H02M1/00 R

H02M7/48 M

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023576257

(86)(22)【出願日】2021-12-13

(85)【翻訳文提出日】2023-08-25

(86)【国際出願番号】 JP2021046896

(87)【国際公開番号】W WO2022254762

(87)【国際公開日】2022-12-08

(31)【優先権主張番号】21305753.2

(32)【優先日】2021-06-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩＥＬＥＣＴＲＩＣＲ＆ＤＣＥＮＴＲＥＥＵＲＯＰＥＢ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ４６，１１１９ＮＳＳｃｈｉｐｈｏｌＲｉｊｋ，ＴｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(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】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡隆裕

(72)【発明者】

【氏名】ウハヴ、マルアン

(72)【発明者】

【氏名】デグランヌ、ニコラ

(72)【発明者】

【氏名】ピション、ピエール－イヴ

(72)【発明者】

【氏名】ブランデレロ、ジュリオ・セザール

【テーマコード（参考）】

5H740

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H740AA08

5H740BA11

5H740BA12

5H740BB01

5H740BB08

5H740BB10

5H740BC01

5H740BC02

5H740JA01

5H740JB01

5H740MM08

5H770AA17

5H770BA01

5H770GA02

5H770GA19

5H770HA06X

5H770JA10X

5H770JA19X

5H770LA04X

5H770LB05

5H770PA21

(57)【要約】

本発明は、少なくとも２つのパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばす方法及びシステムに関する。本発明は、パワーダイ又はパワーモジュールの温度を検知し、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、検知された温度から温度サイクルを識別し、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、識別された温度サイクルから信頼性パラメータを求め、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、基準温度を求め、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの検知された温度をそのパワーダイ又はそのパワーモジュールの求められた基準温度から減算し、減算の出力の正負符号に従って少なくとも１つのパワーダイ又はパワーモジュールの導通時間及び／又はスイッチング遅延を調整する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも２つのパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばす方法であって、
前記パワーダイ又はパワーモジュールの温度を検知するステップと、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、検知された温度から温度サイクルを識別するステップと、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、識別された温度サイクルから信頼性パラメータを求めるステップと、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、基準温度を求めるステップと、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、前記パワーダイ又はパワーモジュールの検知された温度を、前記パワーダイ又はパワーモジュールの求められた基準温度から減算するステップと、
前記減算するステップの出力の正負符号に従って、少なくとも１つの前記パワーダイ又はパワーモジュールの導通時間及び／又はスイッチング遅延を調整するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、前記温度サイクルの振幅は、直近に検知された局所最大温度と、直近の局所最小温度として求められる初期温度との間の温度差に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記信頼性パラメータＲ１及びＲ２は、

【数1】

として求められ、
ここで、α_１、α_２、β_１及びβ_２は、パワーサイクリング試験から求めることができる信頼性定数であり、前記パワーダイ又はパワーモジュールの製造業者によって提供される試験データに適合することができ、ΔＴ_１及びΔＴ_２は、前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの前記温度サイクルであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

１つの前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記基準温度は、前記温度サイクルの振幅の間の比が、前記パワーダイ又はパワーモジュールの接合部温度と周囲温度との間の比に等しいと仮定し、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記信頼性パラメータを等しくすることによって求められることを特徴とする、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記信頼性パラメータは、

【数2】

として表すことができる寿命モデルＮｆ１及びＮｆ２から求められ、
ここで、α_１、α_２、β_１及びβ_２は、パワーサイクリング試験から求めることができる信頼性定数であり、前記パワーダイ又はパワーモジュールの製造業者によって提供される試験データに適合することができ、ΔＴ_１及びΔＴ_２は、前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの前記温度サイクルであり、前記信頼性パラメータＲ１及びＲ２は、

【数3】

として求められ、
ここで、ｎ_ｉ（ΔＴ_１）及びｎ_ｉ（ΔＴ_２）は、ΔＴ_１及びΔＴ_２におけるサイクルの数を表すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項6】

前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの前記基準温度は、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記温度サイクルを、前記信頼性パラメータの比較に応じた増分だけ増加又は減少させ、増加又は減少された温度サイクルを所定の温度に合計することによって求められることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの前記基準温度は、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記信頼性パラメータの損傷変化速度であって、

【数4】

として計算される損傷変化速度を計算することと、前記損傷変化速度を平衡させることと、前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記損傷変化速度と前記損傷変化速度の平均値との間の差を最小にする温度の増分を求めることと、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記温度の増分を所定の温度に合計することとによって求められることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記信頼性パラメータは、寿命モデルの事前知識から、

【数5】

として求められ、
ここで、γ_１及びγ_２は、２つの異なる温度サイクル数から求められ、ａ_１，０及びａ_１，１は、第１のパワーダイ又はパワーモジュールの接続部の亀裂の長さ変化を表し、ａ_２，０及びａ_２，１は、第２のパワーダイの接続部の亀裂の長さ変化を表し、ΔＴ_１は、前記第１のパワーダイ又はパワーモジュールの前記温度サイクルであり、ΔＴ_２は、第２のパワーダイ又はパワーモジュールの前記温度サイクルであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項9】

前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの前記基準温度は、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記温度サイクルを、前記信頼性パラメータの比較に応じた増分だけ増加又は減少させ、前記増加又は減少された温度サイクルを所定の温度に合計することによって求められることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記信頼性パラメータは、寿命モデルの事前知識から、

【数6】

として求められ、
ここで、ΔＫ_１及びΔＫ_２は、それぞれ前記温度サイクルΔＴ_１及びΔＴ_２の関数である前記パワーダイの応力拡大係数であり、寿命を拡張するために最適化が使用され、それによって、前記基準温度は、以下の２つの主方程式

【数7】

の解に基づいて計算される双方のパワーダイの応力拡大係数ΔＫ_ｒｅｆ１及びΔＫ_ｒｅｆ２を使用して前記パワーダイの故障判定基準に同時に達する目標値を用いて計算され、
ここで、Ｎ_１は、前記寿命の拡張前の所与のサイクル数を表し、Ｎ_１は、１と、前記パワーダイの故障までの前記サイクル数を表すＮ_ｆとの間で選択されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項11】

少なくとも２つのパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムであって、
前記パワーダイ又はパワーモジュールの温度を検知する手段と、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、検知された温度から温度サイクルを識別する手段と、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、識別された温度サイクルから信頼性パラメータを求める手段と、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、基準温度を求める手段と、
前記パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれについて、前記パワーダイ又はパワーモジュールの前記検知された温度を、前記パワーダイ又はパワーモジュールの求められた基準温度から減算する手段と、
前記減算する手段の出力の正負符号に従って、少なくとも１つの前記パワーダイ又はパワーモジュールの導通時間及び／又はスイッチング遅延を調整する手段と、
を備えることを特徴とする、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、包括的には、パワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばす方法及びデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、パワーダイ又はパワーモジュールは並列に接続される。これらのパワーダイ又はパワーモジュールの劣化は、プロセスのばらつき又はパワーモジュール設計の幾何学的非対称性により、異なる速度で発生する場合がある。したがって、現在のところ、製造中に、並列接続されたパワーダイ又はパワーモジュールは、同じ電気熱機械特性を示すようにソートされる。並列のパワーダイの劣化を一様にすることは、信頼性が最もクリティカルな構成要素に依存するものではなく、ソートプロセスを回避できることから、そのようなパワーダイ又はパワーモジュールを備えるシステムの寿命に有益である。

【0003】

極端なシナリオによると、異種のパワーダイ又はパワーモジュールを接続した場合、通常、劣化速度及び劣化モードのばらつきが大きくなる。パワーダイ又はパワーモジュールが異種であるということは、例えば、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ及びＳｉＩＧＢＴのように技術が相違すること及び／又はダイサイズが相違すること及び／又は相互接続技術が相違することの意味である。

【0004】

異種のパワーダイ及び／又はパワーモジュールを並列に接続することは、効率性等の性能の観点から有益であるが、実際には、電気熱機械的相違に起因して、不均衡並びに信頼性及びロバスト性に問題が発生するため困難である。このように、劣化を一様にすることにより、異種のアセンブリの大きなボトルネックを取り除くことが可能になる。

【0005】

従来技術では、温度を均衡させること等の全体的性能を改善するために、異種（例えば、並列のＳｉＣＭＯＳＦＥＴ及びＳｉＩＧＢＴ）のパワーモジュールのスイッチングイベントを調整するいくつかの方法が提示されている。スイッチングパターンは、電気熱性能の事前知識に基づいて求められる。この種の手法では、各パワーダイ又は各パワーモジュールの電気熱性能の事前特性評価が必要となる。加えて、温度が変化し、及び／又は劣化が生じると、劣化による電気熱パラメータに対する影響のため、事前特性評価は有効でなくなる。その結果、この種の「開ループ」手法では、コストが高くなり、性能が低下する。

【0006】

従来技術のいくつかの方法では、感温性電気パラメータを監視し、それらのパワーダイ及び／又はパワーモジュールの電源投入を遅延させることで、最も高温のパワーダイ及び／又は最も高温のパワーモジュールの損失を削減し、温度を平衡させている。

【0007】

そのようなアルゴリズムは、熱的不均衡を有するパワーモジュールの温度を均衡させるのに効率的である。しかしながら、強い電気的不均衡又は信頼性不均衡がある場合には、この種のアルゴリズムは、効率性等の性能指標及び／又は寿命等の信頼性指標を改善するのに適応していない。実際、信頼性数値が異なるパワーダイ又はパワーモジュールの場合には、劣化速度又は劣化モードのばらつき及び製造プロセスのばらつきのために、温度を均衡させても、寿命は均一とならない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、より高いレベルの信頼性及びロバスト性を達成するために、いくつかの並列のパワーダイ及び／又はパワーモジュールの劣化を、ゲート制御による平衡化できる方法及びデバイスを提供することを目的とする。加えて、本発明は、新たなビジネスケース、すなわち、さまざまな構成要素及び技術の改造、二次使用、価値化を可能にする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

そのために、本発明は、少なくとも２つのパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばす方法であって、
パワーダイ又はパワーモジュールの温度を検知するステップと、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、検知された温度から温度サイクルを識別するステップと、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、識別された温度サイクルから信頼性パラメータを求めるステップと、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、基準温度を求めるステップと、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、パワーダイ又はパワーモジュールの求められた基準温度から、パワーダイ又はパワーモジュールの検知された温度を減算するステップと、
減算するステップの出力の正負符号に従って少なくとも１つのパワーダイ又はパワーモジュールの導通時間及び／又はスイッチング遅延時間を調整するステップと、
を含むことを特徴とする、方法に関する。

【0010】

本発明はまた、少なくとも２つのパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムであって、
パワーダイ又はパワーモジュールの温度を検知する手段と、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、検知された温度から温度サイクルを識別する手段と、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、識別された温度サイクルから信頼性パラメータを求める手段と、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、基準温度を求める手段と、
各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの求められた基準温度から、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの検知された温度を減算する手段と、
減算する手段の出力の正負符号に従って少なくとも１つのパワーダイ又はパワーモジュールの導通時間及び／又はスイッチング遅延時間を調整する手段と、
を備えることを特徴とする、システムに関する。

【0011】

したがって、同じ又は異なる技術の並列接続されたパワーダイ又はパワーモジュールの間で劣化レベルを監視し、制御し及び均衡させることができ、これによって、全体的なシステム寿命を延ばすことが可能になる。

【0012】

特定の特徴によれば、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、温度サイクルの振幅は、直近に検知された局所最大温度と、直近の局所最小温度として求められる初期温度との間の温度差に等しい。

【0013】

したがって、各単一のパワーダイ又はパワーモジュールの信頼性パラメータの応力入力として使用するために、温度サイクル又は温度変化を動作中に連続して求めることができる。

【0014】

特定の特徴によれば、信頼性パラメータＲ１及びＲ２は、

【数1】

として求められる。
ここで、α_１、α_２、β_１及びβ_２は、パワーサイクリング試験から求めることができる信頼性定数であり、パワーダイ又はパワーモジュールの製造業者によって提供される試験データに適合するものであり、ΔＴ_１及びΔＴ_２は、パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの温度サイクルである。

【0015】

したがって、各パワーダイ又は各パワーモジュールの信頼性パラメータを、計算された温度サイクルに基づいて動作状態中に連続して求めることができる。その上、信頼性パラメータは、その後、各パワーダイ又は各パワーモジュールの基準温度を求めるのに使用される。

【0016】

特定の特徴によれば、１つのパワーダイ又はパワーモジュールの基準温度は、温度サイクルの振幅の間の比が、パワーダイ又はパワーモジュールの接合部温度と周囲温度との間の比に等しいと仮定し、パワーダイ又はパワーモジュールの信頼性パラメータを等しくすることによって求められ、他のパワーダイ又はパワーモジュールの基準温度は、そのパワーダイ又はパワーモジュールで検知された温度に等しいとして求められる。

【0017】

したがって、基準温度は、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、動作状態下で連続してそれらの劣化レベルを制御するために求められる。

【0018】

特定の特徴によれば、信頼性パラメータは、

【数2】

として表すことができる寿命モデルＮｆ１及びＮｆ２から求められる。
ここで、α_１、α_２、β_１及びβ_２は、パワーサイクリング試験から求めることができる信頼性定数であり、パワーダイ又はパワーモジュールの製造業者によって提供される試験データに適合するものであり、ΔＴ_１及びΔＴ_２は、パワーダイ又はパワーモジュールのそれぞれの温度サイクルであり、信頼性パラメータＲ１及びＲ２は、

【数3】

として求められる。
ここで、ｎ_ｉ（ΔＴ_１）及びｎ_ｉ（ΔＴ_２）は、ΔＴ_１及びΔＴ_２におけるサイクルの数を表す。

【0019】

したがって、各パワーダイ又は各パワーモジュールの信頼性パラメータは、例えば［０，１］、又は［０％，１００％］の区間内において動作状態下で連続して評価される仮想劣化量と相関する。その結果、健全状態と故障状態との間の全ての劣化レベルを推定することができる。

【0020】

特定の特徴によれば、各パワーダイ又は各パワーモジュールの基準温度は、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの温度サイクルを、信頼性の比較に応じた増分だけ増加又は減少させ、増加又は減少された温度サイクルを所定の温度に合計することによって求められる。

【0021】

したがって、並列接続されたパワーダイ又はパワーモジュールの温度によって全ての劣化レベルを監視及び制御することによって、平衡状態を確立することができる。

【0022】

特定の特徴によれば、各パワーダイ又は各パワーモジュールの基準温度は、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの信頼性パラメータの損傷変化速度であって、

【数4】

として計算される損傷変化速度を計算することと、損傷変化速度を平衡させることと、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの損傷変化速度と損傷変化速度の平均値との間の差を最小にする温度の増分を求めることと、そのパワーダイ又はそのパワーモジュールの温度の増分を所定の温度に合計することとによって求められる。

【0023】

したがって、損傷変化速度間の差を最小にすることによって、各パワーダイ又は各パワーモジュールの損傷又は劣化レベルの間の差を最小にすることが可能になる。その結果、システム全体の寿命を延ばすことができる。

【0024】

特定の特徴によれば、信頼性パラメータは、寿命モデルの事前知識から、

【数5】

として求められる。
ここで、γ_１及びγ_２は、２つの異なる温度サイクル数から求められ、ａ_１，０及びａ_１，１は、第１のパワーダイの接続部の亀裂の長さ値変化を表し、ａ_２，０及びａ_２，１は、第２のパワーダイの接続部の亀裂の長さ値変化を表し、ΔＴ_１は、第１のパワーダイ又はパワーモジュールの温度サイクルであり、ΔＴ_２は、第２のパワーダイ又はパワーモジュールの温度サイクルである。

【0025】

したがって、各パワーダイ又は各パワーモジュールの信頼性パラメータは、オンラインモード又はオフラインモードを使用する亀裂長測定に基づいて識別される。その結果、各パワーダイ又は各パワーモジュールの信頼性パラメータを定義するのに信頼性試験データは必要とされない。

【0026】

【0027】

したがって、各パワーダイ又は各パワーモジュールの劣化レベルは、各パワーダイ又は各パワーモジュールに適用された温度サイクルに基づいて制御及び均衡される。

【0028】

特定の特徴によれば、信頼性パラメータは、寿命モデルの事前知識から、

【数6】

として求められる。
ここで、ΔＫ_１及びΔＫ_２は、それぞれ温度サイクルΔＴ_１及びΔＴ_２の関数であるパワーダイの応力拡大係数であり、システム寿命を拡張するために最適化が使用され、それによって、基準温度は、以下の２つの主方程式

【数7】

の解に基づいて計算される双方のパワーダイの応力拡大係数ΔＫ_ｒｅｆ１及びΔＫ_ｒｅｆ２を使用してパワーダイの故障判定基準に同時に達する目標値を用いて計算される。
ここで、Ｎ_１は、システム寿命の拡張前の所与のサイクル数を表し、Ｎ_１は、１と、パワーダイの故障までのサイクル数を表すＮ_ｆとの間で選択される。

【0029】

本発明の特徴は、例示の実施形態の以下の説明を読むことによってより明らかになる。この説明は、添付図面に関して作成されたものである。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1a】本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第１の例を表す図である。

【図1b】本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第２の例を表す図である。

【図1c】本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第３の例を表す図である。

【図1d】本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第４の例を表す図である。

【図1e】本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第５の例を表す図である。

【図2】本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第６の例を表す図である。

【図3】本発明に従って実行されるアルゴリズムの一例を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１ａは、本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第１の例を表している。

【0032】

図１ａの例では、システムは、電気的に並列に接続された２つのパワーダイＤ１及びＤ２を備えている。

【0033】

図１ａでは、明瞭にするために２つのパワーダイのみが示されている。本発明は、３つ以上のパワーダイにも適用可能である。

【0034】

パワーダイは、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）及びシリコン（Ｓｉ）等の種々の材料、及び／又は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の種々の構造、及び／又は、面積１０ｍｍ^２及び面積１００ｍｍ^２等の種々のサイズ、及び／又は、はんだ及び焼結ダイアタッチ等若しくはアルミニウムワイヤボンド及び銅ワイヤボンド等の種々のタイプの相互接続から構成することができる。

【0035】

パワーダイは、パワーモジュールに置き換えることができ、各パワーモジュールは並列の複数のパワーダイから構成される。

【0036】

一般に、異種のパワーダイ及び／又はパワーモジュールは、異なる電気熱機械特性を示し、これは、並列に接続されたときに異なる疲労挙動及び信頼性性能をもたらす。

【0037】

インダクタＬ１及びＬ２は、モータの負荷を表す負荷インダクタを表す。

【0038】

各パワーダイＤ１、Ｄ２について、システムは、温度検知手段Ｔｓ１及びＴｓ２を備えている。

【0039】

温度検知手段Ｔｓ１及びＴｓ２は、各パワーダイ上に若しくはその近くに配置された温度センサであるか、又は、パワーダイの感熱性電気パラメータである。例えば、感熱性電気パラメータは、パワーダイの内部ゲート抵抗である。

【0040】

温度検知手段Ｔｓ１は、パワーダイＤ１の温度Ｔ１（ｔ）を提供する。温度検知手段Ｔｓ２は、パワーダイＤ２の温度Ｔ２（ｔ）を提供する。温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）は、最終的にはフィルタリングされる。これらの温度は、基準温度決定モジュール１００ａと、減算モジュール１２２及び１２４と、サイクル識別モジュール１２０とにそれぞれ提供される。

【0041】

基準温度モジュール１００ａは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、温度Ｔ１、Ｔ２と、それぞれの信頼性パラメータＲ１及びＲ２とから基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２をそれぞれ求める。

【0042】

信頼性パラメータは、例えば、それぞれのパワーダイＤ１及びＤ２のデータシートによって提供される信頼性パラメータである。

【0043】

例えば、信頼性パラメータは、信頼性決定モジュール１１０ａによって求められる。

【0044】

信頼性決定モジュール１１０ａは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、一定の温度スイングΔＴ_１、ΔＴ_２から構成される温度プロファイルから、信頼性パラメータＲ１及びＲ２を以下の式として求める。

【数8】

【0045】

そのようなモデルによって、応力変数ΔＴ_１及びΔＴ_２が制御される実験室の場合について信頼性変数を計算することが可能になる。より一般的には、ほとんどの信頼性モデルは、温度差を入力変数として取る。これは、温度サイクルの終わりにおいてのみ、Ｒ１＝ｆ（ΔＴ_１，α_１，β_１，δ_１．．．）及びＲ２＝ｆ（ΔＴ_２，α_２，β_２，δ_２．．．）に従って損傷を推定することができることを意味する。

【0046】

これらの式において、α_１、β_１、δ_１．．．は、実験室の試験によって求められるモデル定数である。ΔＴ_１及びΔＴ_２は、サイクル識別モジュール１２０によって、それぞれ温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）から求められる。ΔＴ_１及びΔＴ_２は、通常、温度サイクル又は動作サイクル期間若しくは試験サイクル期間にわたる最大値と最小値との間の温度変化を表す。すなわち、

【数9】

である。

【0047】

ｍｉｎ（Ｔ_ｉ（ｔ））（ただし、ｉ＝１，２）の値は、動作開始温度、すなわちＴ_ｉ（ｔ_{ｓｔａｒｔ}）（ただし、ｉ＝１，２）を表すことができ、この温度は、一般的にはサイクル期間における最低温度である基準温度を表す。

【0048】

例えば、信頼性パラメータＲ１及びＲ２は、以下の式となる。

【数10】

ここで、α_１、α_２、β_１及びβ_２は、パワーダイの製造業者によって提供される試験データに適合させることができるので、パワーサイクリング（エージング）試験から求めることができる信頼性定数である。一例として、これらのパラメータは、次の値、すなわち、α_１＝１．５×１０^１４、α_２＝２×１０^１４、β_１＝－６及びβ_２＝－４とすることができる。

【0049】

サイクル識別モジュール１２０は、例えば、２つの連続した温度測定の間の各離散時間間隔Δｔにおいて評価される温度プロファイルの１次導関数を使用して温度サイクルの開始ｔ_{ｓｔａｒｔ}を求める。正負符号の反転を使用すると、局所温度最小値を識別することができ、したがって、温度サイクルの開始は、

【数11】

且つ

【数12】

であるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}＝ｔ－Δｔとして求められる。

【0050】

信頼性関数Ｒ１及びＲ２は、それぞれＲ１＝f（ｍａｘ（Ｔ１（ｔ））－Ｔ１（ｔ_{ｓｔａｒｔ}），α_１，β_１）及びＲ２＝f（ｍａｘ（Ｔ２（ｔ））－Ｔ２（ｔ_{ｓｔａｒｔ}），α_２，β_２）として表すことができ、温度サイクル中に離散時間間隔Δｔにおいて評価される。所与の時点において、信頼性関数の入力は、ΔＴ_１＝ｍａｘ（Ｔ１（ｔ））－Ｔ１（ｔ_{ｓｔａｒｔ}）として取り込まれる。すなわち、サイクルの開始から測定された最大温度とサイクルの開始時における温度との間の差は、このサイクルの場合にΔＴ_１であると考えられる。

【0051】

局所温度最小値が満たされるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}はリセットされ、新たな値ｔ_{ｓｔａｒｔ}が使用される。

【0052】

基準温度モジュール１００ａは、温度サイクル振幅の間の比が接合部温度と周囲温度との間の比に等しいと仮定して、すなわち、

【数13】

であると仮定して、各パワーダイＤ１及びＤ２について、それぞれ基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２を求める。

【0053】

換言すれば、温度サイクルの振幅は、以下の式のように、或る係数を伴う温度に比例する。

【数14】

【0054】

一例として、このパラメータａは値０．５とすることができる。

【0055】

基準温度モジュール１００ａは、以下の式のように、パワーダイの寿命を均衡させることによって基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２を求める。

【数15】

【0056】

この関係は、寿命の均衡をもたらすｌｏｇ（Ｔ１）とｌｏｇ（Ｔ２）との間の関係を表す。

【0057】

例えば、測定された温度ｌｏｇ（Ｔ２）について、基準温度Ｔｒｅｆ１は、基準温度モジュール１００ａによって以下の式に従って求められる。

【数16】

【0058】

この場合に、パワーダイＤ２の基準温度Ｔｒｅｆ２は、測定された温度と同じ値になるように設定（確定）することができ、これは、

【数17】

を意味する。

【0059】

同様にして、Ｔｒｅｆ１を、測定された温度と同じ値になるように設定（確定）することができ、Ｔｒｅｆ２は、以下の式に基づいて推定することができる。

【数18】

【0060】

測定された値Ｔ１及びＴ２にそれぞれ従ってＴｒｅｆ１及び／又はＴｒｅｆ２を確定する決定は、任意の動作基準に基づくことができる。例えば、最も劣化したパワーダイの温度基準を確定することができ、それほど劣化していないパワーダイの温度は、最も劣化したパワーダイと同じ劣化レベルに達するように増加させることができる。

【0061】

温度サイクル振幅のべき関数を含む簡単な寿命モデルは、例えば、平均温度、加熱時間及び／又は電流等を考慮することによって強化することができる。そのような依存関係は、同じ原理を使用して加えることができる。

【0062】

測定された温度Ｔ１（ｔ）は、減算モジュール１２４によって基準温度Ｔｒｅｆ１から減算され、測定された温度Ｔ２（ｔ）は、減算モジュール１２２によって基準温度Ｔｒｅｆ２から減算される。

【0063】

減算モジュール１２２及び１２４の出力は、ゲート信号コントローラ１３０に提供される。ゲート信号コントローラ１３０は、減算モジュール１２２及び１２４の出力の正負符号に従ってパワーダイＤ１及びＤ２の導通時間及び／又はスイッチング遅延を調整する。

【0064】

例えば、減算モジュール１２２の出力が正である場合には、ゲート制御信号１３０は、駆動信号ｇ１を得るために信号ＳＰ１の導通時間を増加させ、及び／又は、パワーダイＤ１の駆動信号ｇ１のスイッチング遅延を増加させる。減算モジュール１２２の出力が負又はヌルである場合には、信号ＳＰ１の導通及び／又はスイッチング遅延は変更されず、駆動信号ｇ１は、その場合に信号ＳＰ１に等しい。減算モジュール１２４の出力が正である場合には、ゲート制御信号１３０は、駆動信号ｇ２を得るために信号ＳＰ２の導通時間を増加させ、及び／又は、パワーダイＤ２の駆動信号ｇ２のスイッチング遅延を増加させる。減算モジュール１２４の出力が負又はヌルである場合には、信号ＳＰ２の導通及び／又はスイッチング遅延は変更されず、駆動信号ｇ２は、その場合に信号ＳＰ２に等しい。

【0065】

導通時間の増加は、１０マイクロ秒と５０マイクロ秒との間に含まれてもよいし、遅延時間は、１０ナノ秒と５０ナノ秒との間に含まれてもよい。

【0066】

図１ｂは、本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第２の例を表している。

【0067】

図１ｂの例では、システムは、並列に接続された２つのパワーダイＤ１及びＤ２を備えている。

【0068】

図１ｂでは、明瞭にするために２つのパワーダイのみが示されている。本発明は、３つ以上のパワーダイにも適用可能である。

【0069】

【0070】

パワーダイは、パワーモジュールに置き換えることができ、各パワーモジュールは並列の複数のパワーダイから構成される。

【0071】

【0072】

インダクタＬ１及びＬ２は、モータの負荷を表す負荷インダクタを表す。

【0073】

各パワーダイＤ１、Ｄ２について、システムは、温度検知手段Ｔｓ１及びＴｓ２を備えている。

【0074】

【0075】

温度検知手段Ｔｓ１は、パワーダイＤ１の温度Ｔ１（ｔ）を提供する。温度検知手段Ｔｓ２は、パワーダイＤ２の温度Ｔ２（ｔ）を提供する。温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）は、最終的にはフィルタリングされる。これらの温度は、基準温度決定モジュール１００ｂと、減算モジュール１２２及び１２４と、サイクル識別モジュール１２０とにそれぞれ提供される。

【0076】

基準温度モジュール１００ｂは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、温度Ｔ１、Ｔ２と、それぞれの信頼性パラメータＲ１及びＲ２とから基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２をそれぞれ求める。

【0077】

信頼性パラメータは、信頼性決定モジュール１１０ｂによって求められる。

【0078】

信頼性決定モジュール１１０ｂは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、一定の温度スイングΔＴ_１、ΔＴ_２から構成される温度プロファイルと、通常は以下のように表すことができる寿命モデルＮｆ１及びＮｆ２に基づいて損傷パラメータＲ１及びＲ２を求める。

【数19】

ここで、α_１、α_２、β_１及びβ_２は、パワーダイの製造業者によって提供される試験データに適合させることができるので、パワーサイクリング（エージング）試験から求めることができる寿命モデル定数である。一例として、これらのパラメータは、次の値、すなわち、α_１＝１．５×１０^１４、α_２＝２×１０^１４、β_１＝－６及びβ_２＝－４とすることができる。

【0079】

ΔＴ_１及びΔＴ_２は、通常、温度サイクル又は動作サイクル期間若しくは試験サイクル期間にわたる最大値と最小値との間の温度変化を表す。

【0080】

そのような寿命モデルによって、以下の式を用いて、パワーダイＤ１及びＤ２の線形損傷累積（合計）を表す信頼性パラメータＲ１及びＲ２を計算することが可能になる。

【数20】

ここで、ｎ_ｉ（ΔＴ_１）及びｎ_ｉ（ΔＴ_２）は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２が受けるΔＴ_１及びΔＴ_２におけるサイクル数を表す。それらは、応力カウントアルゴリズム、例えばレインフローカウンター（Rainflow counter）を使用して求めることができる。これは、IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, no. 4, pp. 3368-3375, July-Aug. 2015, doi: 10.1109/TIA.2015.2407055に掲載されたR. GopiReddy、L. M. Tolbert、B. Ozpineci及びJ. O. P. Pintoによる「Rainflow Algorithm-Based Lifetime Estimation of Power Semiconductors in Utility Applications」という題名の論文に開示されている。

【0081】

Ｎｆ１（ΔＴ_１）及びＮｆ２（ΔＴ_２）は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２のΔＴ_１及びΔＴ_２における故障までのサイクル数を表す。

【0082】

図１ｂの例では、信頼性パラメータは、健全な状態の０％から寿命の終わり又は劣化した状態の１００％まで増加する損傷パーセンテージを表す。

【0083】

特定の特徴によれば、信頼性パラメータＲ１及びＲ２によって表される損傷のレベルは、パワーダイＤ１及びＤ２の損傷のレベルを推定する図１ｂに図示されていない外部状態監視装置によって提供することもできる。

【0084】

例えば、外部状態監視装置は、故障前兆の監視に基づいて損傷のレベルを推定する。損傷は、例えば、オン状態電圧の変遷又は熱抵抗の変遷又は所与の動作状態の温度Ｔ１及びＴ２の変遷から推定することができる。

【0085】

したがって、温度Ｔ１及びＴ２の知識と、スイッチングパターンの知識とを通じて損傷レベルの不一致を内部で推定することも可能である。

【0086】

サイクル識別モジュール１２０は、温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）からΔＴ_１及びΔＴ_２を求める。ΔＴ_１及びΔＴ_２は、通常、温度サイクル又は動作サイクル期間若しくは試験サイクル期間にわたる最大値と最小値との間の温度変化を表す。すなわち、

【数21】

である。

【0087】

【0088】

【数22】

且つ

【数23】

であるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}＝ｔ－Δｔとして求められる。

【0089】

局所温度最小値が満たされるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}はリセットされ、新たな値ｔ_{ｓｔａｒｔ}が使用される。

【0090】

基準温度モジュール１００ｂは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、それぞれ基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２を求める。

【0091】

温度情報ΔＴ１、ΔＴ２及び信頼性パラメータＲ１、Ｒ２に基づいて、基準温度モジュール１００ｂは温度基準の増分を求める。ΔＴｒｅｆ１及びΔＴｒｅｆ２は、以下のように計算することができる。

【0092】

Ｒ１がＲ２よりも大きい場合には、ΔＴｒｅｆ１＝ΔＴ１－ΔＴ_ｉｎｃｒ及び／又はΔＴｒｅｆ２＝ΔＴ２＋ΔＴ_ｉｎｃｒである。

【0093】

そうでない場合には、ΔＴｒｅｆ１＝ΔＴ１＋ΔＴ_ｉｎｃｒ及び／又はΔＴｒｅｆ２＝ΔＴ２－ΔＴ_ｉｎｃｒである。

【0094】

ΔＴ_ｉｎｃｒは、例えば、損傷差Ｒ１－Ｒ２に応じて５℃～５０℃の範囲で変化することができる温度増分を表す。

【0095】

温度基準ΔＴｒｅｆ１及びΔＴｒｅｆ２の増分の計算に基づいて、基準温度モジュール１００ｂは、以下の式のように基準温度を求める。

【数24】

ここで、Ｔ_ｍｉｎ１及びＴ_ｍｉｎ２は、パワーダイＤ１及びＤ２のそれぞれの最小温度を表す。Ｔ_ｍｉｎ１及びＴ_ｍｉｎ２は、周囲温度又はヒートシンク温度とすることができ、例えば２０℃又は７０℃とすることができる。

【0096】

【0097】

減算モジュール１２２及び１２４の出力は、ゲート信号コントローラ１３０に提供される。ゲート信号コントローラ１３０は、減算モジュール１２２及び１２４の出力の正負符号にそれぞれ従ってパワーダイＤ１及びＤ２の導通時間及び／又はスイッチング遅延を調整する。

【0098】

【0099】

導通時間の増加は、１０マイクロ秒と５０マイクロ秒との間に含まれてもよいし、遅延時間は、１０ナノ秒と５０ナノ秒との間に含まれてもよい。

【0100】

図１ｃは、本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第３の例を表している。

【0101】

図１ｃの例では、システムは、並列に接続された２つのパワーダイＤ１及びＤ２を備えている。

【0102】

図１ｃでは、明瞭にするために２つのパワーダイのみが示されている。本発明は、３つ以上のパワーダイにも適用可能である。

【0103】

【0104】

パワーダイは、パワーモジュールに置き換えることができ、各パワーモジュールは並列の複数のパワーダイから構成される。

【0105】

【0106】

インダクタＬ１及びＬ２は、モータの負荷を表す負荷インダクタを表す。

【0107】

各パワーダイＤ１、Ｄ２について、システムは、温度検知手段Ｔｓ１及びＴｓ２を備えている。

【0108】

【0109】

温度検知手段Ｔｓ１は、パワーダイＤ１の温度Ｔ１（ｔ）を提供する。温度検知手段Ｔｓ２は、パワーダイＤ２の温度Ｔ２（ｔ）を提供する。温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）は、最終的にはフィルタリングされる。これらの温度は、基準温度決定モジュール１００ｃと、減算モジュール１２２及び１２４と、サイクル識別モジュール１２０とにそれぞれ提供される。

【0110】

基準温度モジュール１００ｃは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、温度Ｔ１、Ｔ２と、それぞれの信頼性パラメータＲ１及びＲ２とから基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２をそれぞれ求める。

【0111】

信頼性パラメータは、信頼性決定モジュール１１０ｃによって求められる。

【0112】

信頼性決定モジュール１１０ｃは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、一定の温度スイングΔＴ_１、ΔＴ_２から構成される温度プロファイルと、通常は以下のように表すことができる寿命モデルＮｆ１及びＮｆ２に基づいて損傷パラメータＲ１及びＲ２を求める。

【数25】

【0113】

ΔＴ_１及びΔＴ_２は、通常、温度サイクル又は動作サイクル期間若しくは試験サイクル期間にわたる最大値と最小値との間の温度変化を表す。

【0114】

【数26】

ここで、ｎ_ｉ（ΔＴ_１）及びｎ_ｉ（ΔＴ_２）は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２が受けるΔＴ_１及びΔＴ_２におけるサイクル数を表す。それらは、応力カウントアルゴリズム、例えばレインフローカウンターを使用して求めることができる。これは、IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, no. 4, pp. 3368-3375, July-Aug. 2015, doi: 10.1109/TIA.2015.2407055に掲載されたR. GopiReddy、L. M. Tolbert、B. Ozpineci及びJ. O. P. Pintoによる「Rainflow Algorithm-Based Lifetime Estimation of Power Semiconductors in Utility Applications」という題名の論文に開示されている。

【0115】

Ｎｆ１（ΔＴ_１）及びＮｆ２（ΔＴ_２）は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２のΔＴ_１及びΔＴ_２における故障までのサイクル数を表す。

【0116】

図１ｃの例では、信頼性パラメータは、健全な状態の０％から寿命の終わり又は劣化した状態の１００％まで増加する損傷パーセンテージを表す。

【0117】

特定の特徴によれば、信頼性パラメータＲ１及びＲ２によって表される損傷のレベルは、パワーダイＤ１及びＤ２の損傷のレベルを推定する図１ｃに図示されていない外部状態監視装置によって提供することもできる。

【0118】

【0119】

したがって、温度Ｔ１及びＴ２の知識と、スイッチングパターンの知識とを通じて損傷レベルの不一致を内部で推定することも可能である。

【0120】

【数27】

である。

【0121】

ｍｉｎ（Ｔ_ｉ（ｔ））（ただし、ｉ＝１，２）の値は、動作開始温度、すなわちＴ_ｉ（ｔ_{ｓｔａｒｔ}）（ただし、ｉ＝１，２）を表すことができ、この温度は、一般的にはサイクル期間における最冷点である基準温度を表す。

【0122】

【数28】

且つ

【数29】

であるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}＝ｔ－Δｔとして求められる。

【0123】

局所温度最小値が満たされるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}はリセットされ、新たな値ｔ_{ｓｔａｒｔ}が使用される。

【0124】

基準温度モジュール１００ｃは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、それぞれ基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２を求める。

【0125】

基準温度モジュール１００ｃは、以下の微分方程式を使用して損傷速度を求める。

【数30】

【0126】

少なくとも２つのパワーダイの損傷変化速度を平衡させるために、コスト関数が、以下の式として表すことができる各損傷変化速度の平均値に基づいて計算される。

【数31】

【0127】

ここで、２つのパワーダイの基準損傷変化速度（ＤＣＲ）は等しい。すなわち、

【数32】

である。ここで、∂Ｒ_ＲＥＦ１及び∂Ｒ_ＲＥＦ２は、それぞれ時間離散化ステップ∂ｔに従った基準信頼性パラメータＲｒｅｆ１及びＲｒｅｆ２の離散化された導関数である。

【0128】

Ｒｒｅｆ１及びＲｒｅｆ２は、それぞれ

【数33】

及び

【数34】

の時間積分によって求められる。

【0129】

基準温度は、その後、次のように計算される。すなわち、コスト関数

【数35】

を用いてΔＴｒｅｆ１を見つける。

【0130】

以下の積分を解くことができるとき、

【数36】

Ｒ１^{ｉｎｉｔｉａｌ}は、通常は０に等しいパワーダイＤ１内の初期損傷を表す。同じ計算を使用すると、ΔＴｒｅｆ２の値を求めることができる。

【0131】

ΔＴｒｅｆ１及びΔＴｒｅｆ２の計算に基づくと、基準温度を以下のように表すことができる。

【数37】

【0132】

Ｔ_ｍｉｎ１及びＴ_ｍｉｎ２は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２の最小温度を表す。それらは、周囲温度又はヒートシンク温度とすることができ、例えば２０℃又は７０℃とすることができる。

【0133】

損傷速度は、離散時間値を使用して計算することもでき、したがって、微分は除算に置き換えられ、積分は乗算に置き換えられる。時間間隔は、例えば１００時間とすることができる。

【0134】

【0135】

【0136】

【0137】

導通時間の増加は、１０マイクロ秒と５０マイクロ秒との間に含まれてもよいし、遅延時間は、１０ナノ秒と５０ナノ秒との間に含まれてもよい。

【0138】

図１ｄは、本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第４の例を表している。

【0139】

図１ｄの例では、システムは、並列に接続された２つのパワーダイＤ１及びＤ２を備えている。

【0140】

図１ｄでは、明瞭にするために２つのパワーダイのみが示されている。本発明は、３つ以上のパワーダイにも適用可能である。

【0141】

【0142】

パワーダイは、パワーモジュールに置き換えることができ、各パワーモジュールは並列の複数のパワーダイから構成される。

【0143】

【0144】

インダクタＬ１及びＬ２は、モータの負荷を表す負荷インダクタを表す。

【0145】

各パワーダイＤ１、Ｄ２について、システムは、温度検知手段Ｔｓ１及びＴｓ２を備える。

【0146】

【0147】

温度検知手段Ｔｓ１は、パワーダイＤ１の温度Ｔ１（ｔ）を提供する。温度検知手段Ｔｓ２は、パワーダイＤ２の温度Ｔ２（ｔ）を提供する。温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）は、最終的にはフィルタリングされる。これらの温度は、基準温度決定モジュール１００ｄと、減算モジュール１２２及び１２４と、サイクル識別モジュール１２０とにそれぞれ提供される。

【0148】

基準温度モジュール１００ｄは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、温度Ｔ１、Ｔ２と、それぞれの信頼性パラメータＲ１及びＲ２とから基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２をそれぞれ求める。

【0149】

信頼性パラメータは、信頼性決定モジュール１１０ｄによって求められる。

【0150】

信頼性決定モジュール１１０ｄは、例えば、様々な温度サイクルが観測された時点の数を表す温度サイクルのヒストグラムとして温度履歴を求める。変化する温度サイクルのスペクトルを単純な温度サイクルの同等集合に変形することは、レインフローアルゴリズム等の応力カウントアルゴリズムによって行うことができる。

【0151】

信頼性決定モジュール１１０ｄは、例えば、少なくとも１つの相互接続部の亀裂長さを表す少なくとも１つの値から得られる健全状態を判断する。例えば、Ｓｊはワイヤボンド内の亀裂長さであり、又は、Ｓｉj＝‘a_ｉｊ’は、パワーダイＤｊの各ワイヤボンドｉの値を有する亀裂長さアレイであり、又は、Ｓｊ＝‘ａ_ｅｑ _ｊ’は、パワーダイＤｊの等価亀裂長さであり、又は、Ｓｊ＝ΔＲｅｌｅｃｊは、パワーダイＤｊの亀裂伝播に起因する電気抵抗の増加である。

【0152】

信頼性パラメータＲ１及びＲ２は、寿命モデルの事前知識から計算される。この事前知識は、パワーダイ温度履歴及び健全状態変数Ｓ１、Ｓ２を入力パラメータとして取り、寿命を出力として計算する法則である。最も簡単な場合には、一定の温度スイングΔＴ１、ΔＴ２から構成される温度プロファイルを仮定すると、そのような法則の一例は、以下のものである。

【数38】

【0153】

したがって、モデル較正は、システム寿命の間に行われる。

【0154】

１つの例はパリス則である。このパリス則では、可変の温度プロファイル下でパワーダイＤ１について以下の式を記述することができる。

【数39】

【0155】

Ｎ０は、所与のサイクル数を表し、例えばＮ０＝１０００サイクルであり、

【数40】

は、サイクル数に対する第ｉの亀裂長さの導関数を表し、ΔＴ１_ｉは、パワーダイＤ１における第ｉの温度サイクルを表す。上記例では、応力パラメータは、温度サイクルΔＴ１_ｉと同等である。しかしながら、一般に、応力パラメータは、異なる物理的意味と、温度サイクルΔＴ１_ｉの関数とすることができる異なる式とを有することができる。この場合を以下で説明する。

【0156】

この式の例では、２つの異なるＮ０値、例えばＮ０＝１０００サイクル及びＮ０＝５０００サイクルにおける２つの反復によって、Ｒ１を構成するγ_１及びδ_１の識別が可能になる。γ_１及びδ_１は、例えば、それぞれ２×１０^６及び－４の値とすることができる。

【0157】

より具体的には、２つのパワーダイの基本的な場合に、対応する相互接続部の亀裂長さａ_１及びａ_２を用いると、寿命モデルは、パリス則を使用して以下のように表すことができる。

【数41】

ここで、ΔＧ_１及びΔＧ_２は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２の応力度を特徴付ける。それらは、例えば０．５Ｊ／ｍ^２とすることができ、γ_１’、γ_２’、δ_１’、δ_２’は、パリスモデル定数であり、例えば、それらは、次の値、すなわち、それぞれ３×１０^６、３．５×１０^５、－５、－７とすることができる。一般に、ΔＧ_１及びΔＧ_２は、以下の式として表すことができる。

【数42】

【0158】

例えば、最も簡単な解析形式では、ΔＧ_１及びΔＧ_２は、それぞれ（ｌ_０－ａ_１）・ΔＴ_１ ^２及び（ｌ_０－ａ_２）・ΔＴ_２ ^２に比例する。ここで、ｌ_０は、初期結合長に関する形態係数であり、例えば、８００マイクロメートルとすることができる。ａ_１及びａ_２は、亀裂長さを表し、０とｌ_０との間で変化する。ΔＧ_ｉとΔＴ_ｉとの間のより正確な関係は、特定の幾何形状、材料特性及び材料構成則について、例えば、シミュレーションソフトウェアＡＮＳＹＳ又はＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを使用して、有限要素解析によって計算することができる。したがって、式は以下の式となる。

【数43】

【0159】

ここで、ΔＴ_１及びΔＴ_２は、通常、温度サイクル又は動作サイクル期間若しくは試験サイクル期間にわたる最大値と最小値との間の温度変化を表し、ｄＮは、Ｎに関する離散化ステップである。

【0160】

Ｒ１、温度履歴及びモデル変数の間の明示的な関係を更に与えるために、信頼性関数は、値ａ_１，０から値ａ_１，１までの亀裂長さの変化にわたるｄＮの積分によって計算することができる。破壊力学において一般に観測されるように、δ_１＝１である場合に、ｌ_０－ａ_１，０とｌ_０－ａ_１，１との間の上記式におけるｄＮの積分によって、以下のものが得られる。

【数44】

【0161】

或いは、より一般的にδ_１≠１である場合には、以下の式となる。

【数45】

【0162】

２つの異なるサイクル数におけるａ_１の２つの値（ａ_１，０、ａ_１，１）の測定値によって、γ_１及びδ１の推定が可能になる。この実施モードは、オンライン又はオフラインで行うことができる。オフライン実施の場合には、健全状態の値Ｓ１及びＳ２を、例えばメンテナンスルーチン中に少ない回数で、例えば１回～５回で高精度に推定することができる。オンライン実施の場合には、健全状態の値Ｓ１及びＳ２は、オンラインで測定可能なパラメータの測定値、例えばオン状態抵抗増加ΔＲｅｌｅｃ１、ΔＲｅｌｅｃ２から推定される。この場合には、ａｅｑ_１によって示されるパワーダイＤ１における等価亀裂長さを、以下の式を使用して計算することができる。

【数46】

ここで、ε_１は、幾何形状及び材料特性に依存する定数であり、ｌ_０は、初期結合長に関する形態係数である。

【0163】

有利には、そのようなオンライン実施によって、前述したようなシステム寿命中におけるモデルパラメータγ_１、δ_１及び信頼性モデル精度の増加のより高頻度の評価が可能になる。

【0164】

【数47】

である。

【0165】

【0166】

【数48】

且つ

【数49】

であるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}＝ｔ－Δｔとして求められる。

【0167】

局所温度最小値が満たされるとき、ｔ_{ｓｔａｒｔ}はリセットされ、新たな値ｔ_{ｓｔａｒｔ}が使用される。

【0168】

基準温度モジュール１００ｄは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、それぞれ基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２を求める。

【0169】

基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２は、劣化を可能な限り早く等しくして、１つのダイが安全動作域を超えて、又は或る時点後に又は寿命の終わりにオーバーヒートしないことを確保するために求められる。

【0170】

基準温度モジュール１００ｄは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、それぞれ基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２を求める。

【0171】

温度情報ΔＴ１、ΔＴ２及び信頼性パラメータＲ１、Ｒ２に基づいて、基準温度モジュール１００ｄは温度基準の増分を求める。ΔＴｒｅｆ１及びΔＴｒｅｆ２は、以下のように計算することができる。
Ｒ１がＲ２よりも大きい場合には、ΔＴｒｅｆ１＝ΔＴ１－ΔＴ_ｉｎｃｒ及び／又はΔＴｒｅｆ２＝ΔＴ２＋ΔＴ_ｉｎｃｒである。
そうでない場合には、ΔＴｒｅｆ１＝ΔＴ１＋ΔＴ_ｉｎｃｒ及び／又はΔＴｒｅｆ２＝ΔＴ２－ΔＴ_ｉｎｃｒである。

【0172】

ΔＴ_ｉｎｃｒは、例えば、損傷差Ｒ１－Ｒ２に応じて５℃～５０℃の範囲で変化することができる温度増分を表す。

【0173】

温度基準ΔＴｒｅｆ１及びΔＴｒｅｆ２の増分の計算に基づいて、基準温度モジュール１００ｄは、以下の式のように基準温度を求める。

【数50】

【0174】

【0175】

【0176】

【0177】

導通時間の増加は、１０マイクロ秒と５０マイクロ秒との間に含まれてもよいし、遅延時間は、１０ナノ秒と５０ナノ秒との間に含まれてもよい。

【0178】

図１ｅは、本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第５の例を表している。

【0179】

図１ｅの例では、システムは、並列に接続された２つのパワーダイＤ１及びＤ２を備えている。

【0180】

図１ｅでは、明瞭にするために２つのパワーダイのみが示されている。本発明は、３つ以上のパワーダイにも適用可能である。

【0181】

【0182】

パワーダイは、パワーモジュールに置き換えることができ、各パワーモジュールは並列の複数のパワーダイから構成される。

【0183】

【0184】

インダクタＬ１及びＬ２は、モータの負荷を表す負荷インダクタを表す。

【0185】

各パワーダイＤ１、Ｄ２について、システムは、温度検知手段Ｔｓ１及びＴｓ２を備える。

【0186】

【0187】

温度検知手段Ｔｓ１は、パワーダイＤ１の温度Ｔ１（ｔ）を提供する。温度検知手段Ｔｓ２は、パワーダイＤ２の温度Ｔ２（ｔ）を提供する。温度Ｔ１（ｔ）及びＴ２（ｔ）は、最終的にはフィルタリングされる。これらの温度は、基準温度決定モジュール１００ｅと、減算モジュール１２２及び１２４と、サイクル識別モジュール１２０とにそれぞれ提供される。

【0188】

基準温度モジュール１００ｅは、各パワーダイＤ１及びＤ２について、温度Ｔ１、Ｔ２と、それぞれの信頼性パラメータＲ１及びＲ２とから基準温度Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２をそれぞれ求める。

【0189】

信頼性パラメータは、信頼性決定モジュール１１０ｅによって求められる。信頼性決定モジュール１１０ｅは、信頼性決定モジュール１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ又は１１０ｄと同一のものとすることができる。

【0190】

信頼性パラメータＲ１及びＲ２が判明すると、将来の劣化速度は、基準温度モジュール１００ｅによって基準温度の関数として推定することができる。将来の温度プロファイルの性質が未知であることを前提とすると、並列ダイの基準温度の分布則が必要とされる。温度分布則は、種々の形態を取ることができ、例えば、基準温度比Ｋ１及びＫ２を基準温度に従属するものとして定義することができる。例えば、

【数51】

である。

【0191】

信頼性パラメータＲ１及びＲ２の知識によって、各パワーダイＤ１、Ｄ２の健全変数の状態がそれぞれの致命故障値Ｄ_ｆｉに同時に達するような基準温度比Ｋ１及びＫ２が計算される。例えば、ｉ＝１又は２であるダイＤｉの致命故障値は、少なくとも１つの相互接続部の亀裂長さが所定の値ａ_ｆｉに達した時の値とすることができる。

【0192】

したがって、有利には、全てのパワーダイは同時に故障し、全体的なシステム寿命は最大化される。

【0193】

パワーダイＤ１及びＤ２ごとの損傷は、亀裂長さ又は初期ワイヤ接触長に正規化された値を表す。

【0194】

第５の実施態様例の目的は、システム寿命拡張を最適化し、その結果、基準温度がパワーダイの故障判定基準に同時に達する目標値を用いて計算されるようにすることである。

【0195】

２つのパワーダイＤ１及びＤ２の基本的な場合には、寿命モデルは、以下のようにパリス則を使用して表すことができる。

【数52】

ここで、ΔＫ_１及びΔＫ_２は、提案された寿命／損傷均衡技法の適用前、すなわちＮ≦Ｎ１であるときのそれぞれパワーダイＤ１及びＤ２の応力拡大係数である。ここで、

【数53】

である。

【0196】

ΔＫ_１及びΔＫ_２は、例えば、

【数54】

に等しくすることができる。ａ_１及びａ_２は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２のサイクル数の関数としての亀裂長さの変遷を表す。γ_１、γ_２、δ_１、δ_２はパリスモデル定数であり、例えば、次の値、すなわち、それぞれ３×１０^６、３．５×１０^５、－５、－７とすることができる。Ｎ１は、提案された寿命／損傷技法の適用がその後に開始される所与のサイクル数（例えば２０００サイクルに等しい）を表す。ΔＫ_１及びΔＫ_２は、例えば、異なる温度サイクル及び異なる亀裂長さの下でＡＮＳＹＳ又はＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを使用して数値シミュレーションによって求めることができる。例えば、それらは、以下の式のように、通常は解析的に表すことができる。

【数55】

ここで、ｘ_１、ｘ_１’、ｘ_２、ｘ_２’、ｘ_３及びｘ_３’は、それぞれ次の値、すなわち、２、２．５、３、３．５、１及び１．５とすることができる定数である。ａ_１，０及びａ_２，０は、それぞれパワーダイＤ１及びＤ２の初期結合長に関する形態係数である。例えば、それらは、８００マイクロメートルとすることができる。

【0197】

その上、ΔＴ_１及びΔＴ_２は、通常、温度サイクル又は動作サイクル期間若しくは試験サイクル期間にわたる最大値と最小値との間の温度変化を表す。温度サイクルは、前述したようにサイクル識別モジュール１２０によって求められる。

【0198】

パワーダイＤ１及びＤ２の寿命の終わりに同時に達するために、双方のデバイスの応力拡大係数ΔＫ_ｒｅｆ１及びΔＫ_ｒｅｆ２は、以下の２つの主方程式の解に基づいて計算することができる。

【数56】

ここで、Ｎ_１は、提案された技法の適用がその後に開始される所与のサイクル数を表す。Ｎ_１は、１と、パワーダイＤ１及び／又はＤ２の故障までのサイクル数を表すＮ_ｆとの間で選択することができる。上記２つの式は、３つの変数ΔＫ_ｒｅｆ１、ΔＫ_ｒｅｆ２及びＮ_ｆがあるので、無限個の解を与えることに留意しなければならない。ただし、負荷条件（例：定負荷電流、定負荷電力等）又はスイッチング限界によって課される第３の式がある。そうでない場合には、上記式は、以下のコスト関数を考慮して解かれる。

【数57】

【0199】

ΔＫ_ｒｅｆ１及びΔＫ_ｒｅｆ２に基づいてΔＴ_ｒｅｆ１及びΔＴ_ｒｅｆ１を計算するために、応力度式の以下の逆関数が使用される。

【数58】

【0200】

最後に、Ｔｒｅｆ１及びＴｒｅｆ２は、上記２つの式に基づいて、以下の式を用いて評価することができる。

【数59】

【0201】

ΔＴｒｅｆ１及びΔＴｒｅｆ２の計算に基づくと、基準温度を以下のように表すことができる。

【数60】

【0202】

【0203】

【0204】

【0205】

【0206】

導通時間の増加は、１０マイクロ秒と５０マイクロ秒との間に含まれてもよいし、遅延時間は、１０ナノ秒と５０ナノ秒との間に含まれてもよい。

【0207】

図２は、本発明によるパワーダイ又はパワーモジュールの寿命を延ばすシステムの第６の例を表している。

【0208】

システムは、例えば、バス２０１によってともに接続された構成要素と、図３に開示されるようなプログラムによって制御されるプロセッサ２００とに基づくアーキテクチャを有する。

【0209】

バス２０１は、プロセッサ２００を、リードオンリーメモリＲＯＭ２０２、ランダムアクセスメモリＲＡＭ２０３、及び入出力インターフェースＩ／ＯＩＦ２０５にリンクさせる。

【0210】

メモリ２０３は、図３に開示されるようなアルゴリズムに関連したプログラムの変数及び命令を受信するように意図されたレジスタを含む。

【0211】

リードオンリーメモリ、又は場合によっては、フラッシュメモリ２０２は、システムの電源が投入されると、ランダムアクセスメモリ２０３にロードされる、図３に開示されるようなアルゴリズムに関連したプログラムの命令を含む。代替的に、プログラムは、ＲＯＭメモリ２０２から直接実行することもできる。

【0212】

システムによって行われる制御は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）又はマイクロコントローラ等のプログラマブルコンピューティングマシンによる命令又はプログラムのセットの実行によってソフトウェアにおいて実現することもできるし、マシン、又は、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）若しくはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）等の専用構成要素によってハードウェアにおいて実現することもできる。

【0213】

換言すれば、システムは、システムに、図３に開示されるようなアルゴリズムに関連したプログラムを実行させる回路部、又は回路部を備える装置を備える。

【0214】

図３は、本発明に従って実行されるアルゴリズムの一例を表している。

【0215】

本アルゴリズムは、プロセッサ２００によって実行される一例において開示される。

【0216】

ステップＳ３０において、プロセッサ２００は、パワーダイ又はパワーモジュールの温度を取得する。

【0217】

ステップＳ３１において、プロセッサ２００は、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、検知された温度から温度サイクルを識別する。

【0218】

ステップＳ３２において、プロセッサ２００は、各パワーダイ又は各パワーモジュールについて、識別された温度サイクルから信頼性パラメータを求める。