DE102021126682A1

DE102021126682A1 - Messaufbau für ein Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102021126682A1
Application number: DE102021126682.3A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Schultheiss
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messaufbau (1) zum Erfassen zumindest eines Stroms einer leistungselektronischen Schaltung (3) für ein Leistungsmodul (4) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:
- einen Schaltungsträger (2), auf welchem die leistungselektronische Schaltung (3) angeordnet ist,
- zumindest einen stromführenden Bonddraht (9), welcher mit zwei Anschlusspunkten der leistungselektronischen Schaltung (3) zum Ausbilden eines Strompfades zwischen den zwei Anschlusspunkten verbunden ist,
- ein Strommessgerät (10) zur Messung des zumindest einen Stromes der leistungselektronischen Schaltung (3), wobei der zumindest eine Bonddraht (9) unter Ausbildung einer leiterschleifenartigen Schlinge (14) mit den Anschlusspunkten verbunden ist und das Strommessgerät (10) zumindest eine Rogowski-Spule (11) umfasst, welche durch die leiterschleifenartige Schlinge (14) hindurchgeführt ist und dazu ausgelegt ist, den über den zumindest einen Bonddraht (9) fließenden Strom zu erfassen..

Description

Die Erfindung betrifft einen Messaufbau zum Erfassen zumindest eines Stroms einer leistungselektronischen Schaltung für ein Leistungsmodul eines Kraftfahrzeugs. Der Messaufbau weist einen Schaltungsträger, auf welchem die leistungselektronische Schaltung angeordnet ist, sowie zumindest einen stromführenden Bonddraht auf, welcher mit zwei Anschlusspunkten der leistungselektronischen Schaltung zum Ausbilden eines Strompfades zwischen den zwei Anschlusspunkten verbunden ist. Ferner weist die Messanordnung ein Strommessgerät zur Messung des zumindest einen Stroms der leistungselektronischen Schaltung auf.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Leistungsmodule für Kraftfahrzeuge. Solche Leistungsmodule können beispielsweise in Stromrichtern elektrifizierter Kraftfahrzeuge eingesetzt werden und dazu leistungselektronische Schaltungen mit schaltenden Leistungshalbleiterbauelementen aufweisen. Diese Leistungshalbleiterbauelemente werden beispielsweise mittels Drahtbonden an Kupferflächen eines als DCB-Substrat (DCB - Direct Copper Bonding) ausgebildeten Schaltungsträgers elektrisch leitfähig angebunden.
Strommessungen in solchen leistungselektronischen Schaltungen werden in Serienanwendungen üblicherweise mithilfe von kleinen, oberflächenmontierten, SMD-Halbleiterchips durchgeführt. Aufgrund fehlender Software zur Auswertung der Messergebnisse aus den Halbleiterchips werden bei Labormustern hingegen üblicherweise Rogowski-Spulen oder Multi- bzw. Ampere-Meter zur Strommessung eingesetzt. Insbesondere bei Leistungsmodulen, bei denen die Leistungshalbleiterbauelemente über Oberflächenmontage kontaktiert sind, sind meist keine freiliegenden Leitungen in notwendiger Größe vorhanden, um eine Rogowski-Spule anzulegen, sodass eine solche Strommessung nicht möglich ist. Für Messungen mit Multi- bzw. Ampere-Metern muss hingegen der Stromkreis aufgetrennt werden, was zu einer Erhöhung der Leitungslänge führt und somit einen negativen Einfluss auf das Messergebnis hat.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung zum Messen eines Stroms einer leistungselektronischen Schaltung in Laboranwendungen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Messaufbau mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Ein erfindungsgemäßer Messaufbau dient zum Erfassen zumindest eines Stroms einer leistungselektronischen Schaltung für ein Leistungsmodul eines Kraftfahrzeugs. Der Messaufbau umfasst einen Schaltungsträger, auf welchem die leistungselektronische Schaltung angeordnet ist, sowie zumindest einen stromführenden Bonddraht, welcher mit zwei Anschlusspunkten der leistungselektronischen Schaltung zum Ausbilden eines Strompfades zwischen den zwei Anschlusspunkten verbunden ist. Außerdem umfasst der Messaufbau ein Strommessgerät zur Messung des zumindest einen Stromes der leistungselektronischen Schaltung. Der zumindest eine Bonddraht ist unter Ausbildung einer leiterschleifenartigen Schlinge mit den zwei Anschlusspunkten verbunden. Das Strommessgerät umfasst zumindest eine Rogowski-Spule, welche durch die leiterschleifenartige Schlinge hindurchgeführt ist und welche dazu ausgelegt ist, den über den zumindest einen Bonddraht fließenden Strom zu erfassen.
Die leistungselektronische Schaltung weist zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere zumindest eine Halbbrücke aus zwei seriell geschalteten Leistungshalbleiterbauelementen, auf. Der Schaltungsträger bzw. die Platine ist insbesondere ein DCB-Substrat, welches Kupferflächen zur elektrischen und/oder thermischen Anbindung der Leistungshalbleiterbauelemente der leistungselektronischen Schaltung aufweist. Solche Kupferflächen ermöglichen vor allem eine gute Ableitung der im Betrieb der Leistungshalbleiterbauelemente entstehenden Abwärme. Auf diesen Kupferflächen können die Leistungshalbleiterbauelemente, beispielsweise mittels Lötens, befestigt und kontaktiert werden. Strompfade der leistungselektronischen Schaltung sind dabei zumindest teilweise mittels Drahtbonden gefertigt und somit als Bonddrähte ausgebildet.
Um einen Strom, welcher über einen solchen Bonddraht fließt, in Laboranwendungen mittels einer Rogowski-Spule messen zu können, sind die Bonddrähte derart zwischen zwei Anschlusspunkten der leistungselektronischen Schaltung geführt, dass sich eine Schlinge bzw. Schlaufe ergibt. Der Bonddraht wird also nicht auf direktem Weg von einem Anschlusspunkt zum anderen Anschlusspunkt geführt, sondern der Bonddraht wird verlängert und gebogen, sodass die leiterschleifenartige Schlinge gebildet wird. Durch diese Schlinge wird eine Durchgangsöffnung, welche zwischen dem Bonddraht und dem Schaltungsträger ausgebildet ist, soweit vergrößert, dass die Rogowski-Spule durch diese Durchgangsöffnung hindurchgeführt werden kann. Dazu ist die Rogowski-Spule zum Hindurchfädeln durch die leiterschleifenartige Schlinge insbesondere auftrennbar ausgebildet. Beispielsweise kann die Rogowski-Spule einen flexiblen Spulenkörper umfassen, welcher mit einem Messumformer des Messaufbaus zusammensteckbar ist. Vor dem Zusammenstecken mit dem Messumformer kann ein freiliegendes Ende des mit einem Leiter umwickelten Spulenkörpers durch die Durchgangsöffnung gefädelt werden und dann zum Ausbilden der Rogowski-Spule mit dem Messumformer zusammengesteckt werden. An dem Messumformer ist ein Wert des über den Strompfad fließenden Stroms ablesbar.
Durch das Ausbilden der Schlinge an dem zumindest einem Bonddraht kann in vorteilhafter Weise eine Strommessung mittels der Rogowski-Spule in Laboranwendungen ermöglicht werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine stromführende Bonddraht mit einem Ausgangsanschluss des zumindest einen Leistungshalbleiterbauelementes, welcher einen ersten Anschlusspunkt ausbildet, sowie mit einer auf dem Schaltungsträger angeordneten Kontaktfläche, welche einen zweiten Anschlusspunkt ausbildet, verbunden ist. Die Rogowski-Spule ist dazu ausgelegt, als den Strom einen Ausgangsstrom des zumindest einen Leistungshalbleiterbauelementes zu erfassen. Insbesondere ist das zumindest eine Leistungshalbleiterbauelement als ein vertikales Bauelement, beispielsweise als ein Leistungs-MOSFET oder IGBT, ausgebildet, bei welchem Ausgangsanschlüsse durch eine Oberseite und eine Unterseite des Leistungshalbleiterbauelementes gebildet ist. Das Leistungshalbleiterbauelement leitet den Strom also in vertikaler Richtung. Die Unterseite ist elektrisch und mechanisch, beispielsweise durch Löten, mit einer auf dem Schaltungsträger angeordneten Kontaktfläche verbunden und der zumindest eine Bonddraht ist mit der Oberseite elektrisch verbunden. Die Kontaktflächen sind insbesondere Kupferflächen, welche zudem zum Kühlen der Leistungshalbleiterbauelemente verwendet werden können. Der zumindest eine Bonddraht wird dabei unter Ausbildung der Schlinge ausgehend von der Oberseite des Leistungshalbleiterbauelementes herab zu einer Kontaktfläche, beispielsweise einem Anschluss der Halbbrücke, geführt. Insbesondere steht die Schlinge in vertikaler Richtung nach oben hin von der Oberseite des Leistungshalbleiterbauelementes ab.
Es kann vorgesehen sein, dass die Anschlusspunkte mittels zumindest zwei parallelen Bonddrähten elektrisch verbunden sind, welche den Strompfad ausbilden und welche jeweils eine Schlaufe zum Hindurchführen der Rogowski-Spule aufweisen. Da ein Bonddraht nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit aufweist, können beispielsweise die Oberseite des zumindest einen Leistungshalbleiterbauelementes auch mit mehreren, parallelen Bonddrähten verbunden sein, welche unter Ausbildung jeweiliger Schlaufen zu einer Kontaktfläche auf dem Schaltungsträger geführt sind. Die Rogowski-Spule kann dann durch alle Schlaufen zur Erfassung des über den Strompfad fließenden Gesamtstroms als die Summe der über die Bonddrähte fließenden Einzelströme geführt sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Seitenschnittdarstellung eines Messaubaus 1. Der Messaufbau 1 weist einen Schaltungsträger 2 mit einer leistungselektronischen Schaltung 3 auf. Der Schaltungsträger 2 und die leistungselektronische Schaltung 3 bilden ein Leistungsmodul 4, beispielsweise für einen Inverter und/oder ein Onboard-Ladegerät eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die leistungselektronische Schaltung 3 weist mehrere, miteinander verschaltete Leistungshalbleiterbauelemente 5 auf.
Der Schaltungsträger 2 weist mehrere Kontaktflächen 6 in Form von Kupferflächen auf. Hier weist das Leistungshalbleiterbauelement 5 zwei Ausgangsanschlüsse 7a, 7b auf, welche eine Oberseite 8a und eine Unterseite 8b des vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes 5 ausbilden. Die Unterseite 8b des Leistungshalbleiterbauelementes 5 ist mit einer der Kontaktflächen 6 des Schaltungsträgers 2 elektrisch, mechanisch und thermisch verbunden. Die Oberseite 8a ist über zumindest einen Bonddraht 9 mit einer weiteren Kontaktfläche 6 des Schaltungsträgers 2 elektrisch verbunden. Die Stromleitung zwischen den Kontaktflächen 6 des Schaltungsträgers 2 erfolgt also über den zumindest einen Bonddraht 9 sowie über das Leistungshalbleiterbauelement 5.
Zur Messung des über den Bonddraht 9 fließenden Stroms weist der Messaufbau 1 ein Strommessgerät 10 auf, welches eine Rogowski-Spule 11 umfasst. Diese misst den Strom über den Bonddraht 9 berührungslos. Dazu wird die Rogowski-Spule 11 um den stromführenden Bonddraht 9 gelegt. Der über den Bonddraht fließende Strom erregt ein Magnetfeld, welches in der Rogowski-Spule 11 eine messbare Spannung induziert. Um einen mit einem elektrischen Leiter 12 umwickelten Spulenkörper 13 der Rogowski-Spule 11 um den Bonddraht 9 herumlegen zu können, weist dieser eine leiterschleifenartige Schlinge 14 auf. Durch diese Schlinge 14 wird eine Durchgangsöffnung 15 gebildet, durch welche der Spulenkörper 13 hindurchgefädelt werden kann. Die Schlinge 14 wird gebildet, indem eine Länge des Bonddrahtes 9 vergrößert wird.

Claims

Messaufbau (1) zum Erfassen zumindest eines Stroms einer leistungselektronischen Schaltung (3) für ein Leistungsmodul (4) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: - einen Schaltungsträger (2), auf welchem die leistungselektronische Schaltung (3) angeordnet ist, - zumindest einen stromführenden Bonddraht (9), welcher mit zwei Anschlusspunkten der leistungselektronischen Schaltung (3) zum Ausbilden eines Strompfades zwischen den zwei Anschlusspunkten verbunden ist, - ein Strommessgerät (10) zur Messung des zumindest einen Stromes der leistungselektronischen Schaltung (3), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bonddraht (9) unter Ausbildung einer leiterschleifenartigen Schlinge (14) mit den Anschlusspunkten verbunden ist und das Strommessgerät (10) zumindest eine Rogowski-Spule (11) umfasst, welche durch die leiterschleifenartige Schlinge (14) hindurchgeführt ist und dazu ausgelegt ist, den über den zumindest einen Bonddraht (9) fließenden Strom zu erfassen.
Messaufbau (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schaltung (3) zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (5) aufweist und der zumindest eine stromführende Bonddraht (9) mit einem, einen ersten Anschlusspunkt ausbildenden Ausgangsanschluss (7a) des Leistungshalbleiterbauelementes (5) sowie mit einer auf dem Schaltungsträger (2) angeordneten, einen zweiten Anschlusspunkt ausbildenden Kontaktfläche (6) verbunden ist, wobei die Rogowski-Spule (11) dazu ausgelegt ist, als den Strom einen Ausgangsstrom des Leistungshalbleiterbauelementes (5) zu erfassen.
Messaufbau (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leistungshalbleiterbauelement (5) als ein vertikales Bauelement ausgebildet ist, bei welchem die Ausgangsanschlüsse (7a, 7b) durch eine Oberseite (8a) und eine Unterseite (8b) des Bauelementes gebildet ist, wobei die Unterseite (8b) elektrisch und mechanisch mit einer auf dem Schaltungsträger (2) angeordneten Kontaktfläche (6) verbunden ist und der zumindest eine Bonddraht mit der Oberseite (8a) elektrisch verbunden ist.
Messaufbau (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leistungshalbleiterbauelement (5) als ein elektronischer Schalter, insbesondere ein Leistungs-MOSFET oder ein IGBT, ausgebildet ist.
Messaufbau (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspunkte mittels zumindest zwei parallelen Bonddrähten (9) elektrisch verbunden sind, welche den Strompfad ausbilden und welche jeweils eine Schlaufe (14) zum Hindurchführen der Rogowski-Spule (11) aufweisen.
Messaufbau (1) Messaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rogowski-Spule (11) zum Hindurchfädeln durch die leiterschleifenartige Schlinge (14) des zumindest einen Bonddrahtes (9) auftrennbar ausgebildet ist.
Messaufbau (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rogowski-Spule (11) einen flexiblen, mit einem Messumformer des Messaufbaus zusammensteckbaren, mit einem Leiter (12) umwickelten, länglichen Spulenkörper (13) aufweist, welcher zumindest zeitweise ein offenes Ende zum Hindurchstecken durch die Schlinge (14) aufweist.