DE10045563A1 - Leistungshalbleiter-Baugruppe mit integrierter Strommessung - Google Patents

Leistungshalbleiter-Baugruppe mit integrierter Strommessung

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Abstract

Eine Leistungshalbleiter-Baugruppe weist einen leitenden Kühlkörper-Basisteil (10), der ein Leistungshalbleiter-Bauteil (20) aufnimmt, und eine gedruckte Leiterplatte (40) auf, die oberhalb des Kühlkörper-Basisteils (10) angeordnet ist, und Steuerschaltungen für das Leistungshalbleiter-Bauteil (20) trägt. Ein starrer L-förmiger Anschlußleiter (30) ist mit einer Leistungselektrode des Leistungshalbleiter-Bauteils verbunden, auf dem Basisteil (10) befestigt und erstreckt sich nach oben und benachbart zu einer Kante der gedruckten Leiterplatte (40). Ein Halleffekt-Sensor ist auf der gedruckten Leiterplatte (40) befestigt und in dem von dem Strom in dem Anschlußleiter (30) erzeugten Magnetfeld angeordnet und fängt dieses auf. Magnetkörper können auf gegenüberliegenden Seiten des Halleffekt-Sensors befestigt sein, um das Magnetfeld durch den Halleffekt-Sensor zu konzentrieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleiter-Baugruppe mit integrierten­ grierter Strommessung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Viele elektronische Leistungsschaltungsanwendungen erfordern eine Kenntnis des Stromes in dem System, entweder in der Last oder in den Schalterbauteilen. Diese Information wird üblicherweise verwendet, um das System oder die Leistungswandler- Bauteile zu schützen oder um das Betriebsverhalten zu verbessern. Die Stromüberwachung wird in vielfältiger Weise ausgeführt, wie z. B. durch Stromtransformatoren, Reihenwiderstände, Strommeßelemente und Gleichstrom­ sonden auf der Grundlage von Halleffekt-Bauteilen, die mit Baugruppen aus einem mit einem Spalt versehenen Kern und einer Wicklung gebildet sind. Stromtransformatoren können nicht bei Anwendungen verwendet werden, die die Messung von Strömen mit niedriger Frequenz erfordern. Reihenwiderstände sind hinsichtlich ihres Anwendungsbereiches auf maximal einige wenige zehn Ampere beschränkt. Gleichstromsonden auf Halleffekt-Basis sind aufwendig und ergeben zusätzliche Kosten für die Montage des Systems.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiter-Baugruppe der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Strommessung in sehr ein­ facher und kostengünstiger Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung trägt eine gedruckte Leiterplatte einer Treiberschaltung einer Leistungshalbleiter-Baugruppe oder einer Leistungs-Moduleinheit einen Stromsensor, wie z. B. ein im Handel erhältliches Halleffekt-Bauteil (ohne Magnetelemente), das an einer Kante der Leiterplatte und in dem Magnetfeld angeordnet ist, das durch Leiter erzeugt wird, die den Strom zu und von der Moduleinheit führen. Weiterhin können magnetische Stäbe oder Körper an der Leiterplatte befestigt werden, um den Magnetfluß in dem Stromsensor zu bündeln oder den Magnetfluß zu verstärken.
Einige der Merkmale der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
  • 1. Einfügung eines Halleffekt- oder anderen Stromsensor-Bauteils, wie z. B. von magnetostriktiven oder magnetoresistiven Bauteilen, in die Moduleinheit und Anordnen dieser Bauteile an einer Position, in der sie das Feld erfassen.
  • 2. Sicherstellen einer Möglichkeit zu Anordnung des Stromsensor-Bauteils in einer genauen Ausrichtung bezüglich des stromführenden Leiters.
  • 3. Verwenden des Ausgangssignals des Stromsensor-Bauteils zur Ansteuerung eines Vergleichers zum Schützen der Schalterbauteile oder des Systems.
  • 4. Verfügbarmachen des Ausgangssignals des Stromsensor-Bauteils für ein Steuergerät zur Verbesserung des System-Betriebsverhaltens.
  • 5. In den Fällen, in denen der Strom nicht stark genug ist, um das erfor­ derliche Magnetfeld zu schaffen, Hinzufügen geeigneter Stäbe aus Ferrit, Eisen oder ähnlichem ferromagnetischen Material, das für einen vorgegebenen Strom eine Vergrößerung der Magnetflußdichte durch das Stromsensor-Bauteil ermöglicht.
  • 6. Biegen des stromführenden Leiters, dessen Strom gemessen werden soll, in einer speziellen Richtung, um die Größe des Magnetflusses in dem Stromsensor-Bauteil zu vergrößern oder zu verkleinern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht des Basisteils der Baugruppe gemäß der Erfindung ent­ sprechend einem Querschnitt entlang der Linien 1-1 in Fig. 3.
Fig. 2 eine Ansicht der Oberseite der gedruckten Leiterplatte der Erfindung entsprechend einer Ansicht entlang der Schnittlinien 2-2 nach Fig. 3.
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Fig. 2 entlang der Schnittlinie 3-3 nach Fig. 2.
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 nach Fig. 3.
In Fig. 1 ist eine Kühlkörper-Basisplatte 10 gezeigt, die aus irgendeinem gewünsch­ ten Metall 11 mit einer oberen Isolierschicht 12 (Fig. 3 und 4) und leitenden Kupferflächenbereichen 13 und 14 gebildet sein kann. Irgendein gewünschtes Muster von Kupferflächenbereichen kann in Abhängigkeit von der gewünschten Schaltungs­ anordnung der darauf befindlichen Leistungshalbleiter-Bauteile verwendet werden. Beispielsweise ist in den Fig. 1 und 2 ein einziges Leistungshalbleiter-Bauteil 20 in Form eines Leistungs-MOSFET gezeigt. Das Leistungshalbleiter-Bauteil könnte jedoch auch irgendein anderes Halbleiterbauteil mit MOS-Gatesteuerung, wie z. B. ein IGBT, oder irgendein anderes Leistungshalbleiter-Bauteil, wie z. B. ein bipolarer Tran­ sistor, Thyristor oder dergleichen sein. Weiterhin kann irgendeine gewünschte Anzahl von Halbleiter-Bauteilen verwendet werden.
Das Leistungshalbleiter-Bauteil 20 ist mit seiner unteren Leistungselektrode (Drain) an dem Kupferflächenbereich 13 beispielsweise durch Lot oder leitendes Epoxy-Material oder dergleichen befestigt. Die andere Leistungselektrode kann in geeigneter Weise mit einem stromführenden Anschlußleiter 30 verbunden sein, der ein starrer L- förmiger, dünner flacher Kupferstab ist, dessen unterer Schenkel 31 mit dem Kupferflächenbereich 14 verlötet oder durch ein leitendes Epoxy-Material verbunden ist und der so angeordnet ist, daß er den Source-/Drain-Strom des Halbleiterbauteils 20 führt. Eine Vielzahl von parallelen Drahtkontaktierungen 33, 34 verbindet die Source-Elektrode 35 (Fig. 1) des MOSFET 20 mit dem unteren Schenkel 31 des Anschlußleiters 30.
Um die Leitfähigkeit des MOSFET 20 in gewünschter Weise zu steuern, ist eine Steuerschaltung auf einer üblichen dünnen ebenen gedruckten Leiterplatte 40 ange­ ordnet, die oberhalb und parallel zu dem Basisteil 10 befestigt ist. Geeignete Isolier- Stützpfosten 41, 42 und 43 können sich zwischen dem Basisteil 10 und der Leiterplatte 40 für diese Stützfunktion erstrecken. Die Leiterplatte 40 kann irgendeine gewünschte Steuerschaltung 45 und einen integrierten Steuerschaltungschip 46 (Fig. 2 und 3) tragen, um den MOSFET 20 zu steuern. Entsprechend ist die MOSFET-Gate-Elektrode 50 (Fig. 1) mit der Steuerschaltung gekoppelt, wie dies durch die gestrichelte Linie 51 in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist.
Bis zu diesem Punkt ist die beschriebene Konstruktion allgemein bei vielen bekannten Arten von Leistungshalbleiter-Baugruppen oder Moduleinheiten üblich. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein auf ein Magnetfeld ansprechender Sensor oder Wandler 60 beispielsweise durch Klebemittel oder dergleichen oder durch Löten auf der Leiterplatte 40 benachbart zu einer Endkante der Leiterplatte befestigt. So weist in den Fig. 2 und 3 die Leiterplatte einen schmalen langgestreckten Schlitz 70 auf, der eine innenliegende Endkante 71 bildet (die Kante könnte auch auf der äußeren Leiterplattenkante 72 liegen, wenn dies erwünscht ist). Der starre Stromleiter 30 erstreckt sich dann benachbart zu der Endkante 71 auf seinem nach oben aus der Moduleinheit heraus erstreckenden Pfad. Vorzugsweise ist der vertikale Abschnitt des Stromleiters 30 senkrecht zur Ebene der Leiterplatte 40 angeordnet, doch kann er sich auch unter einem Winkel von mehr als Null Grad erstrecken.
Durch Anbringen des Sensors 60, der vorzugsweise ein Halleffekt-Element oder ein magnetoresistives Bauteil (MRD) ist, benachbart zur Endkante 71 liegt das Hallelement in dem Pfad der durch den Strom in dem Stromleiter 30 erzeugten Magnetfeldlinien und schneidet diese, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Einzelheiten der Konstruktion des Halleffekt-Elementes oder eines magnetoresistiven Elementes, unter Einschluß der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse und der Vorströme, sind gut bekannt und werden hier nicht beschrieben. Das Halleffekt-Element 60 oder irgendein anderer Sensor erzeugt dann eine Ausgangsspannung, die proportional zu dem Feld und damit zu dem Strom in dem Leiter 30 ist. Dieses Ausgangssignal kann dann an die integrierte Schaltung 46 zurückgeführt werden, wie dies durch die gestrichelten Linien 80 in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, um eine gewünschte Steuerung des MOSFET 20 in Abhängigkeit von seinem Source-/Drain-Strom zu bewirken. Zusätzlich zu den beschriebenen körperlichen relativen Positionen des Sensorbauteils und des stromführenden Leiters könnten diese auch an anderen Stellen angeordnet sein.
Stäbe 90 und 91 aus magnetischem Material, wie z. B. aus Ferrit-Material, oder ferro­ magnetisches Material kann hinzugefügt werden, um den Magnetfluß in dem Bereich des Sensorbauteils zu vergrößern. Diese Stäbe können verwendet werden, um eine genaue Messung von niedrigeren Strömen zu ermöglichen, beispielsweise 25-100 Ampere. Wenn Ströme von mehr als 400 Ampere gemessen werden sollen, so können die Stäbe 90 und 91 in Abhängigkeit von der Meßempfindlichkeit nicht notwendig sein.

Claims (19)

1. Leistungshalbleiter-Baugruppe mit einer integrierten Strommeßeinrichtung, wobei das Halbleiterbauteil zumindest eine Leistungselektrode und eine Steuer­ elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Leistungselektrode mit einem langgestreckten leitenden Anschlußleiter verbunden ist, daß die Strommeß­ einrichtung eine gedruckte Leiterplatte (40) mit einer darauf angeordneten Steuerschaltung (45) einschließt, die mit der Steuerelektrode verbunden ist, um den Stromfluß in dem Leistungshalbleiter-Bauteil (20) zu steuern, daß die Leiterplatte (40) in Abstand von dem Halbleiterbauteil (20) angeordnet ist, daß die Leiterplatte einen Kantenabschnitt und einen auf der Leiterplatte angeordneten, auf ein Magnetfeld ansprechenden Wandler (60) aufweist, der benachbart zu dem Kantenabschnitt angeordnet ist, daß der Wandler (60) ein Ausgangssignal erzeugt, das zu dem von dem Wandler aufgefangenen Magnetfeld in Beziehung steht, daß der langgestreckte Anschlußleiter einen Abschnitt aufweist, der benachbart zu dem Kantenabschnitt und unter einem Winkel von mehr als Null Grad bezüglich diesem angeordnet ist, und daß das von dem Strom durch den langgestreckten Anschlußleiter erzeugte Magnetfeld von dem auf das Magnetfeld ansprechenden Wandler (60) aufgefangen wird und ein Ausgangssignal des Wandlers erzeugt, das zu dem Strom in dem langgestreckten Anschlußleiter in Beziehung steht.
2. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Halleffekt-Sensor ist.
3. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der langgestreckte Anschlußleiter (30) ein starrer Leiter ist.
4. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Anschlußleiter (30) ein flacher, relativ dünner Leiter ist.
5. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ebener langgestreckter Kühlkörper vorgesehen ist, daß das Halbleiterbauteil (20) eine untere Elektrode aufweist, die an dem Basisteil befestigt ist, und daß die gedruckte Leiterplatte (40) oberhalb des Basisteils (10) befestigt ist und sich in Abstand hiervon und parallel hierzu erstreckt.
6. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Anschlußleiter (30) ein ebener, relativ dünner Leiter ist.
7. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Anschlußleiter (30) ein L-förmiger Bügel ist, dessen untere Oberfläche auf dem Basisteil (10) befestigt ist.
8. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Leiterplatte (40) einen darin ausgebil­ deten, langgestreckten Schlitz (70) aufweist, und daß die Kante eine Innenkante des Schlitzes bildet, wobei sich der langgestreckte Anschlußleiter (30) durch diesen Schlitz erstreckt.
9. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der langgestreckte Anschlußleiter (30) senkrecht zur Ebene der gedruckten Leiterplatte (40) erstreckt.
10. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Anschlußleiter (30) ein starrer Leiter ist.
11. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Magnetkörper (90, 91) benachbart zu dem Wandler und in Ausrichtung mit dem Magnetfeldpfad des langgestreckten Anschlußleiters (30) angeordnet ist, um den von dem Wandler (60) aufgefangenen Magnetfluß zu vergrößern.
12. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (60) ein Halleffekt-Sensor ist.
13. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Anschlußleiter (30) ein ebener, relativ dünner Leiter ist.
14. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein ebener, langgestreckter Kühlkörper-Basisteil (10) vorgesehen ist, daß das Halbleiterbauteil (20) eine untere Elektrode aufweist, die an dem Basisteil (10) befestigt ist, daß die gedruckte Leiterplatte (40) oberhalb des Basisteils (10) angeordnet ist und sich in Abstand von diesem und parallel hierzu erstreckt.
15. Leistungshalbleiter-Baugruppe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Leiterplatte (40) einen darin ausgebildeten Schlitz (70) aufweist, daß die Kante durch eine Innenkante des Schlitzes gebildet ist, und daß sich der lang­ gestreckte Anschlußleiter (30) durch den Schlitz erstreckt.
16. Strommeßeinrichtung zur Messung des Stromes in einem langgestreckten Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung eine gedruckte Leiter­ platte (40) mit einem Kantenabschnitt aufweist, daß ein Magnetfeld-Wandler auf der Oberfläche der gedruckten Leiterplatte (40) und benachbart zu dem Kantenabschnitt angeordnet ist, daß der langgestreckte Stromleiter (30) benachbart zu dem Kanten­ abschnitt und dem Magnetfeld-Wandler angeordnet ist und sich allgemein senkrecht zu der gedruckten Leiterplatte erstreckt, so daß das von dem Strom in dem Anschluß­ leiter (30) erzeugte Magnetfeld in dem Wandler umläuft, um in diesem ein Ausgangs­ signal zu induzieren, das auf den Strom in dem Anschlußleiter bezogen ist.
17. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Halleffekt-Wandler ist.
18. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leiterplatte (40) ein langgestreckter Schütz (70) ausgebildet ist, daß der Kantenabschnitt durch eine Kante des Schlitzes gebildet ist, und daß sich der lang­ gestreckte Anschlußleiter (30) durch den Schlitz erstreckt.
19. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 16, die weiterhin zumindest einen Magnetkörper (90, 91) einschließt, der benachbart zu dem Wandler (60) und in Aus­ richtung mit dem Magnetfeld des langgestreckten Leiters (30) angeordnet ist, um den von dem Wandler aufgefangenen Magnetfluß zu vergrößern.
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