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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen
Verbrauchers, bei dem es sich insbesondere um einen Kfz-Gebläsemotor
handelt. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Temperatur eines Halbleiterchips eines Transistors insbesondere
in einem Gebläseregler
zur im wesentlichen stufenlosen linearen Stromregelung eines Kfz-Lüftungsgebläses.
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Gebläseregler
für die
Lüftungsgebläsemotoren
von Kfz-Lüftungsanlagen
sind als getaktete oder lineare Regler bekannt. Bei einem Linearregler
wird der Strom für
den Gebläsemotor
durch kontinuierliche Ansteuerung eines Leistungstransistors bestimmt.
Demgegenüber
erfolgt die Ansteuerung des Leistungstransistors bei einem getakteten
Gebläseregler
durch Pulsweitenmodulation. Bei einem Lineargebläseregler wird in dem Leistungstransistor
je nach dessen Ansteuerung eine nicht unbeträchtliche Verlustleistung erzeugt,
die zumeist über
einen Kühlkörper abgeführt wird.
Der Kühlkörper kann
zur Verbesserung des Kühlungseffekts
im Lüftungskanal
angeordnet sein.
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Sowohl
bei kontinuierlicher als auch bei pulsweitenmodulierter Ansteuerung
des Transistors ist es sinnvoll, zur Überwachung des Leistungstransistors dessen
Temperatur zu erfassen. Hierfür
existieren Leistungstransistoren mit integrierten Temperatursensoren.
Alternativ kann die Temperatur des Leistungstransistors auch durch
einen extern angeordneten Temperatursensor erfasst werden, der dann
in gutem thermischen Kontakt mit dem Halbleiterchip des Transistors
stehen muss. Hierfür
bietet es sich an, das bei Halbleitertransistoren ins Gehäuse eingebettete
plattenförmige
Metallelement, das an einer Außenseite
des Gehäuses
freiliegt, mit dem Temperatursensor thermisch zu koppeln. Dieses
plattenförmige
Metallelement dient der besseren thermischen Ankopplung des Transistorgehäuses an
den Kühlkörper. Bei
liegender Anordnung des Gehäuses
des Leistungstransistors auf dem Kühlkörper kann der thermische Kontakt
mit dem externen Temperatursensor lediglich über den Kühlkörper zu einem anderen Punkt
einer auf dem Kühlkörper angeordneten Platine
erfolgen, auf der sich dann der Temperatursensor befindet. Der Herstellungsprozess
eines derartigen Gebläsereglers
ist nicht unerheblich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen
Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors zu schaffen, der mit
einer verbesserten Temperaturermittlung des Halbleiterchips des
Transistors der Ansteuerungsvorrichtung versehen ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung
eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors
vorgeschlagen, die versehen ist mit
- – einem
Transistor, der ein Gehäuse
aufweist, das auf einer seiner Seiten mit einem zumindest teilweise
freiliegenden Metallelement, welches elektrisch mit einem Drain-Gebiet
eines Halbleiterchips verbunden ist und von dem sich ein Drain-Anschlusselement
des Transistors erstreckt, und welches mit einem elektrisch mit
einem Gate des Halbleiterchips verbundenen Gate-Anschlusselement
sowie einem elektrisch mit einem Source-Gebiet des Halbleiterchips verbundenen
Source-Anschlusselement versehen ist,
- – einem
Kühlkörper, der
mit dem Metallelement thermisch gekoppelt ist,
- – einer
Platine, die elektrische und/oder elektronische Bauteile zur Ansteuerung
des Transistors und Stromführungsleiterbahnen
zum Leiten eines über
das Gate-Anschlusselement steuerbaren, den elektrischen Verbraucher
betreibenden Stroms aufweist,
- – wobei
die Stromführungsleiterbahnen
elektrisch mit dem Source-Anschlusselement und dem Metallelement
des Gehäuses
des Transistors verbunden sind, und
- – einem
Temperatursensor, der mit dem Drain-Anschlusselement des Gehäuses des
Transistors gekoppelt ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird das Drain-Anschlusselement für die Sensierung der Temperatur
des Halbleiterchips des Transistors genutzt. Normalerweise ist der
Leistungstransistor mit den Leiterbahnen einer Platine verlötet. Damit
erstrecken sich von den Anschlusselementen des Leistungstransistors
auf der Platine Leiterbahnen für
die Strom- und Spannungszufuhr. Eine derartige Beschaltung des Transistors
verfälscht
jedoch die über das
Drain-Anschlusselement erfassbare Temperatur des Halbleiterchips
des Leistungstransistors, da die Leiterbahn, die sich von dem Drain-Anschlusselement
aus erstreckt und die mit diesem verlötet ist, eine nicht unerhebliche,
der Umgebung ausgesetzte und durch diese thermisch beeinflusste
thermische Masse darstellt. Dies gilt insbesondere für die zum Drain-Anschlusselement
führende
Leiterbahn, da diese wegen der geforderten relativ großen Stromtragfähigkeit
entsprechende relativ große
geometrische Abmessungen (Breite und Dicke) aufweist.
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Wenn
es also gelänge,
dass Drain-Anschlusselement nicht mehr für die Stromführung durch
den Transistor verwenden zu müssen,
so stünde
mit dem Drain-Anschlusselement ein nach außen geführtes Element des Transistorgehäuses zur
Verfügung,
das sich für
die Sensierung des Halbleiterchips nutzen ließe.
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Dies
gelingt, wenn man die Stromführung des
Transistors über
ein in dessen Gehäuse
eingebettetes, teilweise freiliegendes, plattenförmiges Metallelement realisiert.
Bei einem Leistungstransistor liegen das Metallelement und das Drain-Anschlusselement
auf ein und demselben Potential, wobei diese beiden Elemente insbesondere
einstückig
miteinander verbunden sind. Somit kann also der gesteuerte Strom
durch das Source-Anschlusselement, den Halbleiterchip und das Metallelement
fließen,
wohingegen das Drain-Anschlusselement ausschließlich der Temperatursensierung
dient. Damit braucht sich von Drain-Anschlusselement aus auf einer Platine, mit
der der Transistor verlötet
ist, keine Leiterbahn mehr zu erstrecken; vielmehr kann nun in unmittelbarer
Nähe der
Verlötung
des Drain-Anschlusselements auf der Platine ein an das Drain-Anschlusselement
thermisch angekoppelter Temperatursensor angeordnet werden.
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Damit
ist eine denkbar einfache Möglichkeit der
thermischen Kopplung eines externen Temperatursensors mit dem Halbleiterchip
eines Transistors gegeben, so dass die aufwendiger gestalteten Transistoren
mit integriertem Temperatursensor nicht verbaut werden müssen. Der
Temperatursensor liegt auf Grund seiner thermischen Kopplung über das Drain-Anschlusselement
sehr gut gekoppelt an dem Halbleiterchip an, so dass Temperaturanstiege
des Halbleiterchips, die möglicherweise
zu dessen Zerstörung
führen
könnten,
sehr schnell erfasst werden können.
Dies ist bei bekannten Konzepten, bei denen der externe Temperatursensor über das
Metallelement des Transistorgehäuses
thermisch mit dem Halbleiterchip gekoppelt ist, in weniger ausgeprägtem Maße der Fall.
Dabei ist bei diesem bekannten Konzept eine gute thermische Kopplung
des Metallelements mit einem Kühlkörper zwingend
erforderlich. Hier bietet sich im Grunde genommen ausschließlich eine
Verlötung
des Metallelements mit dem Kühlkörper an.
Dabei sollte aber auch sogleich zur Reduktion von Herstellungskosten
und -zeiten eine Verlötung des
Transistors mit der Platine und eine Verlötung von beispielsweise SMD-Bauteilen
mit der Platine möglich
sein. Derartige Lötprozesse
sind technisch recht aufwendig. Die Verlötung des Metallelements des
Transistorgehäuses
mit dem Kühlkörper macht es überdies
erforderlich, dass der Kühlkörper aus
einem verlötbaren
Material besteht. Zumeist wird für Kühlkörper jedoch
Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung verwendet, die sich nicht
löten lässt. Daher werden
in derartige Kühlkörper Metalleinsätze eingepresst,
mit denen dann das Metallelement des Gehäuses des Transistors verlötbar ist.
Bei dem Material für
diese Metallelemente bzw. Metalleinsätze handelt es sich im Regelfall
um Kupfer.
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All
diese Erfordernisse herstellungs- bzw. fertigungstechnischer und
konstruktiver Art sind mit dem erfindungsgemäßen Konzept nicht mehr gegeben.
Es muss lediglich noch für
eine Möglichkeit
der Kontaktierung des Metallelements des Transistors gesorgt werden.
Dies kann durch eine Metallplatte o. dgl. erfolgen, die mit dem
Metallelement des Transistorgehäuses
thermisch gekoppelt ist und einen Anschlusspin o. dgl. Anschlusselement
aufweist, das sich wie ein Anschlusselement des Transistors mit der
Platine verbinden lässt.
Die thermische Kopplung des Transistorgehäuses mit einem Kühlkörper ist nach
dem erfindungsgemäßen Konzept
ebenfalls vereinfacht, da es nunmehr ausreicht, das Transistorgehäuse mit
einer Spannklemme o. dgl. -bügel
gegen den Kühlkörper zu
drücken.
Eine Verlötung
des Metallelements des Transistorgehäuses mit dem Kühlkörper ist
dagegen nicht mehr erforderlich.
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Nach
der Erfindung wird also zur Lösung
der obigen Aufgabe letztendlich eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Temperatur eines Halbleiterchips eines Transistors insbesondere
in einem Gebläseregler
zur im wesentlichen stufenlosen linearen Stromregelung eines Kfz-Lüftungsgebläses vorgeschlagen,
- – wobei
der Transistor ein Gehäuse
aufweist, das auf einer seiner Seiten mit einem zumindest teilweise
freiliegenden Metallelement, welches elektrisch mit einem Drain-Gebiet
eines Halbleiterchips verbunden ist und von dem sich ein Drain-Anschlusselement
des Transistors erstreckt, und mit einem elektrisch mit einem Gate des
Halbleiterchips verbundenen Gate-Anschlusselement sowie einem elektrisch
mit einem Source-Gebiet des Halbleiterchips verbundenen Source-Anschlusselement
versehen ist,
- – wobei
die Vorrichtung versehen ist mit einem Temperatursensor, der thermisch
mit dem Drain-Anschlusselement gekoppelt ist, und
- – wobei
der Transistor zur Erzeugung eines über das Gate-Anschlusselement
steuerbaren Stroms an dem Metallelement seines Gehäuses kontaktierbar
ist.
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Die
Erfindung schlägt
also die Verwendung eines Anschlusselements eines eines einen Halbleiterchip
aufweisenden Transistors zur Erfassung der Temperatur des Halbleiterchips
während
eines Stromflusses durch den Transistor vor,
- – wobei
der Transistor ein Gehäuse
aufweist, das auf einer seiner Seiten mit einem zumindest teilweise
freiliegenden Metallelement, welches elektrisch mit einem Drain-Gebiet
eines Halbleiterchips verbunden ist und von dem sich ein Drain-Anschlusselement
des Transistors erstreckt, und mit einem elektrisch mit einem Gate des
Halbleiterchips verbundenen Gate-Anschlusselement sowie einem elektrisch
mit einem Source-Gebiet des Halbleiterchips verbundenen Source-Anschlusselement
versehen ist,
- – indem
ein Temperatursensor mit dem Drain-Anschlusselement thermisch gekoppelt
wird und der über
das Gate-Anschlusselement steuerbare Strom durch das Source-Anschlusselement,
den Halbleiterchip und das Metallelement des Gehäuses des Transistors fließt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen
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1 eine
Seitenansicht eines Gebläsereglers
mit Kühlkörper, Leistungstransistor
und Platine und
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2 eine
Ansicht auf den Gebläseregler gemäß 1 in
Richtung des Pfeils II.
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In
den 1 und 2 ist der mechanische und elektrische
Aufbau eines Gebläsereglers 10 für ein Kraftfahrzeug
gezeigt. Der Gebläseregler 10 weist
einen Leistungstransistor (beispielsweise MOS-Leistungstransistor) 12 auf,
der über
einen Federbügel 14 gegen
einen Kühlkörper 16 gespannt und
damit mit diesem thermisch gekoppelt ist. Der Leistungstransistor 12 weist
ein Gehäuse 18 aus
einer Vergussmasse (zumeist Kunststoff) auf, in das an der Unterseite
ein plattenförmiges
Metallelement 20 aus Kupfer eingelassen ist. Mit diesem
Metallelement 20 ist der Halbleiterchip 22 des
Leistungstransistors 12 beispielsweise durch eine Verlötung thermisch
gekoppelt. Von dem Metallelement 20 ragt das Drain-Anschlusselement 24 des
Leistungstransistors 12 ab, das aus dessen Gehäuse 18 herausgeführt ist. Aus
dem Gehäuse 18 des
Leistungstransistors 12 sind ferner das Source-Anschlusselement 26 und das
Gate-Anschlusselement 28 herausgeführt, wie es insbesondere anhand
von 2 zu erkennen ist. Intern sind die drei Anschlusselemente
mit dem Drain- Gebiet,
dem Source-Gebiet und dem Gate des Halbleiterchips des Leistungstransistors 12 elektrisch verbunden,
wie dies an sich bekannt ist. Die Stromzufuhr und Ansteuerung des
Leistungstransistors 12 erfolgt über Leiterbahnen und elektronische
Bauteile, die auf einer Platine 30 angeordnet sind. Die
Besonderheit besteht dabei darin, dass der Strom zum Drain-Gebiet
bzw. aus dem Drain-Gebiet heraus nicht über das Drain-Anschlusselement 24 sondern über das
mit diesem einstückig
verbundenen plattenförmigen
Metallelement 20 des Leistungstransistors 12 erfolgt.
Hierzu weist der Gebläseregler 10 eine Metallplatte 32 aus
Kupfer oder einem anderen verlötbaren
Metall auf, die zwischen dem plattenförmigen Metallelement 20 an
der Unterseite des Gehäuses 18 des
Leistungstransistors 12 und dem Kühlkörper 16 angeordnet
und eingeklemmt ist. Von der Metallplatte 32 steht ein
Anschlusselement 34 ab, das mit einer der beiden den Strom
für den
Gebläsemotor führenden
Leiterbahnen 36 verlötet
ist. Die zweite stromführende
Leiterbahn 38 ist mit dem Source-Anschlusselement 26 verlötet.
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Eine
Steuerelektronik 40 ist mit dem Gate-Anschlusselement 28 verbunden,
und zwar über
eine Leiterbahn 42.
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Durch
diese Art der Beschaltung des (herkömmlichen) Leistungstransistors 12 wird
erreicht, dass das Drain-Anschlusselement 24 für die Bestromung
des Leistungstransistors 12 nicht benötigt wird.
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Das
Drain-Anschlusselement 24 ist einstückig mit dem plattenförmigen Metallelement 20 des Gehäuses 18 des
Leistungstransistors 12 verbunden. Dieses plattenförmige Metallelement 20 ist
thermisch direkt mit dem Halbleiterchip 22 gekoppelt. Damit
gibt die Temperatur des Drain-Anschlusselements 24 sehr
gut die aktuelle Temperatur des Halbleiterchips 22 wieder.
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Bei
dem Gebläseregler 10 wird
nun der zuvor genannte Umstand zur externen Temperaturmessung des
Halbleiterchips 22 genutzt. Hierfür weist die Platine 30 einen
Temperatursensor 44 auf, der thermisch mit einer Montagefläche 46 der
Platine 30 gekoppelt ist, mit der auch das Drain-Anschlusselement 24 thermisch
gekoppelt ist (beispielsweise durch Verlötung). Das Temperatursignal,
das von dem Temperatursensor 44, bei dem es sich beispielsweise
um einen NTC-Widerstand handelt, gemessen wird, wird von der Ansteuerelektronik 40 überwacht
und verarbeitet. Das Signal des Temperatursensors 44 stellt ein
relativ genaues Maß für die aktuelle
Betriebstemperatur des Halbleiterchips 22 dar.
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Auf
den Kühlkörper 16 ist
beispielsweise eine Gehäusekappe 48 aufgesetzt,
in der sich der Leistungstransistor 12 und die Platine 30 befinden. Von
der Platine 30 abstehende stiftförmige Elemente 50 bilden
zusammen mit den benachbarten Gehäusebereichen einen Steckerkorb 52.
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- 10
- Gebläseregler
- 12
- Leistungstransistor
- 14
- Federbügel
- 16
- Kühlkörper
- 18
- Gehäuse des
Leistungstransistors
- 20
- plattenförmiges Metallelement
des Leistungstransistors
- 22
- Halbleiterchip
- 24
- Drain-Anschlusselement
des Leistungstransistors
- 26
- Source-Anschlusselement
des Leistungstransistors
- 28
- Gate-Anschlusselement
des Leistungstransistors
- 30
- Platine
- 32
- Metallplatte
- 34
- Anschlusselement
- 36
- stromführende Leiterbahn
- 38
- stromführende Leiterbahn
- 40
- Ansteuerelektronik
- 42
- Leiterbahn
- 44
- Temperatursensor
- 46
- Montagefläche
- 48
- Gehäusekappe
- 50
- Steckerelemente
- 52
- Steckerkorb