DE102022202940A1

DE102022202940A1 - Magnetfeld-basierte strommessvorrichtung und verfahren zum magnetfeld-basierten messen elektrischer ströme

Info

Publication number: DE102022202940A1
Application number: DE102022202940.2A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leisenheimer; Richard Heinz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2042-03-25
Also published as: US20230305042A1; CN116804684A; DE102022202940B4

Abstract

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft eine Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100). Diese weist unter anderem einen mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensor (110) auf, der an einem Knotenpunkt (120) montiert ist, an dem ein erster, ein zweiter und ein dritter elektrischer Leiter (101, 102, 103), jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend, zusammengeführt sind. Der Magnetfeldsensor (110) ist ausgestaltet, um jeweils einen Betrag und/oder eine Richtung der im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter (101, 102, 103) jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt (120) zusammentreffenden, Magnetfelder (111, 112, 113) zu bestimmen, und um basierend hierauf eine Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt (120) fließenden, elektrischen Ströme (I1, I2, I3) abzuleiten. Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft außerdem ein entsprechendes Verfahren (600) zum Magnetfeld-basierten Messen elektrischer Ströme (I1, I2, 13) mittels einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung (100).

Description

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft eine Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung mittels derer elektrische Ströme in Leitern ermittelt werden können, und zwar basierend auf einer Messung der durch die fließenden Ströme induzierten Magnetfelder. Die hierin beschriebene Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung kann den Betrag und/oder die Richtung der Magnetfeldvektoren ermitteln und, basierend hierauf, auf den Betrag und/oder Richtung der entsprechenden elektrischen Ströme rückschließen.
In elektrischen Systemen ist es oft wünschenswert, den elektrischen Strom pro Last zu ermitteln, sei es aus funktionalen Gründen, zu Diagnosezwecken oder aus sicherheitsrelevanten Aspekten. Hierzu gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Strommessvorrichtungen, wie zum Beispiel Amperemeter oder unterschiedliche Arten von Stromsensoren.
Zur Strommessung werden die jeweiligen Strommessvorrichtungen mit einem elektrischen Leiter verbunden, um die in ebendiesem Leiter fließenden Ströme messen zu können. Sind mehrere Leiter vorhanden, so kann entweder die Strommessvorrichtung nacheinander an die einzelnen Leiter angeschlossen werden, oder es können mehrere Strommessvorrichtungen vorhanden sein, die dann an die jeweiligen Leiter angeschlossen werden.
Während die erste Variante zeitintensiv ist, so ist die zweite Variante mit höheren Kosten verbunden. Ein weiterer Kostenreiber ist die Qualität der Strommessvorrichtungen. Präzise messende Stromsensoren sind in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel in der Mikroelektronik, gefragt. Außerdem ist es häufig von Interesse, neben dem Betrag des Stroms auch dessen Richtung, also die Stromflussrichtung, präzise aber gleichzeitig auch sehr schnell zu ermitteln.
Es wäre daher wünschenswert, eine Strommessvorrichtung bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln, sprich kostengünstig, realisierbar ist, und die gleichzeitig den Betrag und die Richtung des Stroms, vorzugsweise in mehreren Leitern gleichzeitig, schnell und präzise messen kann.
Dies wird ermöglicht mit der Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie mit dem entsprechenden Verfahren zum Magnetfeld-basierten Messen elektrischer Ströme gemäß Anspruch 17.
Die hierin beschriebene innovative Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung weist unter anderem einen mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensor auf, der an einem Knotenpunkt montiert ist, an dem ein erster, ein zweiter und ein dritter elektrischer Leiter, jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend, zusammengeführt sind. Der Magnetfeldsensor ist ausgestaltet, um jeweils einen Betrag und/oder eine Richtung der im ersten, im zweiten und im dritten elektrischen Leiter jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt zusammentreffenden, Magnetfelder zu bestimmen, und um basierend hierauf eine Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt fließenden, elektrischen Ströme abzuleiten.
Das entsprechende Verfahren zum Magnetfeld-basierten Messen elektrischer Ströme weist Verfahrensschritte auf, zu denen ein Bereitstellen eines mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensors zählt, der an einem Knotenpunkt montiert ist, an dem ein erster, zweiter und dritter elektrischer Leiter, jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend, zusammengeführt sind. Ein weiterer Verfahrensschritt beinhaltet ein Ermitteln, mittels des Magnetfeldsensors, eines jeweiligen Betrags und/oder einer jeweiligen Richtung der im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt zusammentreffenden, Magnetfelder, und ein Ableiten einer Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt fließenden, elektrischen Ströme, basierend auf den ermittelten Beträgen und/oder Richtungen der jeweiligen Magnetfelder.
Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte der Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung sowie des entsprechenden Verfahrens zum Magnetfeld-basierten Messen elektrischer Ströme sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Ansicht einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung in einem schematischen Stromkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3A-3C eine schematische Ansicht einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Ermittlung unterschiedlicher Betriebszustände eines Elektromotors,
4 eine schematische Ansicht einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung in einem Package gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Ansicht einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung, integriert in einem ungehäusten Halbleiterchip, gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
6 eine schematische Blockdarstellung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Verfahrensschritte, die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung abgebildet bzw. beschrieben sind, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept. Zu sehen sind außerdem ein erster elektrischer Leiter 101, ein zweiter elektrischer Leiter 102 sowie ein dritter elektrischer Leiter 103. Die drei Leiter 101, 102, 103 sind an einem Knotenpunkt 120 zusammengeführt. Die drei Leiter 101, 102, 103 führen aus unterschiedlichen Richtungen zu dem Knotenpunkt 120. Die hier gezeigte T-förmige Anbindung am Knotenpunkt 120 ist rein beispielhaft. Die drei Leiter 101, 102, 103 können prinzipiell aus beliebigen unterschiedlichen Richtungen kommend an dem Knotenpunkt 120 zusammengeführt sein. Details hierzu werden nachfolgend noch näher erläutert.
Die Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung 100 weist einen mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensor 110 auf. Der Magnetfeldsensor 110 ist hier rein beispielhaft in Form eines Packages 130 dargestellt, welches schematisch dargestellte Anschlussfüßchen 141, ..., 146 aufweisen kann.
Der Magnetfeldsensor 110 ist an dem zuvor beschriebenen Knotenpunkt 120 montiert. Der Magnetfeldsensor 110 kann dabei vorzugsweise derart am Knotenpunkt 120 montiert sein, dass eine (hier nicht explizit dargestellte) Sensorfläche des Magnetfeldsensors 110 mindestens einem der drei Leiter 101, 102, 103 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 110 kann beispielsweise derart am Knotenpunkt 120 montiert sein, dass dessen Sensorfläche dem Knotenpunkt 120 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 110 kann beispielsweise über bzw. auf den Leitern 101, 102, 103, oder unter den Leitern 101, 102, 103 angeordnet sein.
Sofern in den elektrischen Leitern 101, 102, 103 ein elektrischer Strom fließt, verursacht dieser Strom ein Magnetfeld im jeweiligen Leiter. So kann beispielsweise ein im ersten Leiter 101 fließender Strom I₁, ein erstes Magnetfeld erzeugen, das hier rein symbolisch mittels den Magnetfeldvektoren 111 dargestellt ist. Ein im zweiten Leiter 102 fließender Strom I₂ kann ein zweites Magnetfeld erzeugen, das hier rein symbolisch mittels den Magnetfeldvektoren 112 dargestellt ist. Ein im dritten Leiter 103 fließender Strom I₃ kann dementsprechend ein drittes Magnetfeld erzeugen, das hier rein symbolisch mittels den Magnetfeldvektoren 113 dargestellt ist.
Die hier rein symbolisch dargestellten Magnetfeldvektoren 111, 112, 113 kennzeichnen eine Richtung des im jeweiligen Leiter 101, 102, 103 auftretenden Magnetfelds, dargestellt durch die Pfeilrichtung der jeweiligen Magnetfeldvektoren 111, 112, 113, sowie einen Betrag des im jeweiligen Leiter 101, 102, 103 auftretenden Magnetfelds, dargestellt durch die Länge der jeweiligen Magnetfeldvektoren 111, 112, 113.
Wie gesagt, sind die Magnetfeldvektoren 111, 112, 113 hier rein symbolisch zu verstehen. Die reale Magnetfeldverteilung an den jeweiligen Leitern 101, 102, 103 mag sich, z.B. gemäß der Rechte-Hand-Regel, in der Realität anders darstellen.
Entscheidend ist jedoch, dass der Magnetfeldsensor 110 ausgestaltet ist, um jeweils einen Betrag und/oder eine Richtung der im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter 101, 102, 103 jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt 120 zusammentreffenden, Magnetfelder zu bestimmen. Hierfür kann es sich bei dem Magnetfeldsensor 110 um einen mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensor (2D-Magnetsensor) handeln. Dieser kann eine Magnetfeldvektormessung bzw. eine vektorielle Magnetfeldmessung ausführen, d.h. der Betrag und die Richtung eines Magnetfelds können ermittelt werden.
Basierend hierauf kann der Magnetfeldsensor 110 eine Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt fließenden, elektrischen Ströme I₁, I₂, I₃ ableiten. Der Magnetfeldsensor 110 kann also mittels einer vektoriellen Magnetfeldmessung die in den jeweiligen Leitern 101, 102, 103 fließenden Ströme I₁,I₂, I₃ bestimmen.
Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor 110 mittels einer vektoriellen Magnetfeldmessung des im ersten Leiter 101 erzeugten Magnetfelds (siehe Magnetfeldvektoren 111) den im ersten Leiter 101 fließenden ersten elektrischen Strom I₁ bestimmen. Genauer gesagt kann der Magnetfeldsensor 110 den Betrag und/oder die Richtung des im ersten Leiter 101 fließenden ersten elektrischen Stroms I₁, bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor 110 mittels einer vektoriellen Magnetfeldmessung des im zweiten Leiter 102 erzeugten Magnetfelds (siehe Magnetfeldvektoren 112) den im zweiten Leiter 102 fließenden zweiten elektrischen Strom I₂ bestimmen. Genauer gesagt kann der Magnetfeldsensor 110 den Betrag und/oder die Richtung des im zweiten Leiter 102 fließenden zweiten elektrischen Stroms I₂ bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor 110 mittels einer vektoriellen Magnetfeldmessung des im dritten Leiter 103 erzeugten Magnetfelds (siehe Magnetfeldvektoren 113) den im dritten Leiter 103 fließenden dritten elektrischen Strom I₂ bestimmen. Genauer gesagt kann der Magnetfeldsensor 110 den Betrag und/oder die Richtung des im dritten Leiter 103 fließenden dritten elektrischen Stroms I₃ bestimmen.
Selbiges gilt natürlich auch für einen denkbaren vierten Leiter, sowie für alle weiteren denkbaren Leiter, die an dem gemeinsamen Knotenpunkt 120 angeschlossen sind.
Dementsprechend kann also der Magnetfeldsensor 110 ausgestaltet sein, um basierend auf den am Knotenpunkt 120 jeweils ermittelten Richtungen der Magnetfelder 111, 112, 113 zu bestimmen, in welche Richtung ein erster elektrischer Strom I₁ im ersten Leiter 101, ein zweiter elektrischer Strom I₂ im zweiten Leiter 102 und ein dritter elektrischer Strom I₃ im dritten Leiter 103 jeweils fließt.
Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor 110 ausgestaltet sein, um basierend auf den am Knotenpunkt 120 jeweils ermittelten Beträgen der Magnetfelder 111, 112, 113 zu bestimmen, welchen Betrag ein erster elektrischer Strom I₁, im ersten Leiter 101, ein zweiter elektrischer Strom I₂ im zweiten Leiter 102, und ein dritter elektrischer Strom I₃ im dritten Leiter 103 jeweils aufweist.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann der Magnetfeldsensor 110 am Knotenpunkt 120 montiert sein. Dies schließt auch einen gewissen Nahbereich um den Knotenpunkt 120 herum ein. Nach der obigen Diskussion kann der Magnetfeldsensor beispielsweise derart am Knotenpunkt 120 (bzw. um den Knotenpunkt 120 herum) angeordnet sein, dass eine (hier nicht explizit dargestellte) Sensorfläche des Magnetfeldsensors 110 die am Knotenpunkt 120 zusammenfließenden Magnetfeldvektoren 111, 112, 113 bzw. elektrischen Ströme I₁,I₂, I₃ mit hinlänglicher Genauigkeit messen, und voneinander unterscheiden, kann.
Das heißt, der Magnetfeldsensor 110 kann unterscheiden aus welcher Richtung ein am Knotenpunkt 120 eintreffender Magnetfeldvektor 111, 112, 113 bzw. elektrischer Strom I₁, I₂, I₃ kommt. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor 110 den Betrag des jeweiligen Magnetfeldvektors 111, 112, 113 bzw. elektrischen Stroms I₁, I₂, I₃ bestimmen.
Dies hat ganz entscheidende Vorteile. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor 110 ausgestaltet sein, um basierend auf den ermittelten Richtungen und/oder Beträgen der jeweiligen, am Knotenpunkt 120 zusammentreffenden Magnetfelder 111, 112, 113 bzw. elektrischen Ströme I₁, I₂, I₃ auf einen Betriebszustand eines mit den elektrischen Leitern 101, 102, 103 verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelements 310 zu schlie-ßen. Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3A bis 3C näher erläutert werden.
Zunächst sei hierfür auf 2 verwiesen. Hier ist beispielhaft ein Stromkreis mit einer Parallelschaltung von drei resistiven Lasten X1, X2, X3 gezeigt. Jede Last X1, X2, X3 ist in einem Stromzweig mit entsprechenden elektrischen Leitern 101, 102, 103 angeordnet. So ist die erste resistive Last X1 in einem ersten Stromzweig angeordnet, der einen ersten elektrischen Leiter 101 aufweist, in dem ein erster elektrischer Strom I₁, fließt. Die zweite resistive Last X2 ist in einem zweiten Stromzweig angeordnet, der einen zweiten elektrischen Leiter 102 aufweist, in dem ein zweiter elektrischer Strom I₂ fließt. Die dritte resistive Last X3 ist in einem dritten Stromzweig angeordnet, der einen dritten elektrischen Leiter 103 aufweist, in dem ein dritter elektrischer Strom I₃ fließt.
Die elektrischen Leiter 101, 102, 103 laufen an einem gemeinsamen Knotenpunkt 120 zusammen. Dabei laufen die Leiter 101, 102, 103 aus jeweils unterschiedlichen Richtungen zu dem Knotenpunkt 120.
Rechts unten im Bild ist eine vergrößerte Darstellung des Knotenpunkts 120 gezeigt. Hier ist auch zu erkennen, wie die jeweiligen elektrischen Ströme I₁, I₂, I₃ am Knotenpunkt 120 zusammenfließen. In diesem nicht limitierenden Beispiel fließen die im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter 101, 102, 103 fließenden Ströme I₁,I₂, I₃ zum Knotenpunkt hin und vereinigen sich dort zum gemeinsamen Strom I₄ im vierten Leiter 104, der vom Knotenpunkt 120 weg fließt. Der vierte Strom I₄ ergibt sich in diesem Beispiel gemäß der Kirchhoff'schen Maschenregel zu: I₁ +I₂ +I₃ = I₄
In den jeweiligen Leitern 101, ..., 104 erzeugen die darin fließenden elektrischen Ströme I₁,I₂, I₃, I₄ jeweils ein Magnetfeld, das hier wiederum rein schematisch anhand der symbolischen Magnetfeldvektoren 111, 112, 113, 114 in den jeweiligen Leitern 101, ..., 104 dargestellt ist.
Am Knotenpunkt 120 ist ein Magnetfeldsensor 110 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept angeordnet. Es ist zu erkennen, dass der Magnetfeldsensor 110 nicht exakt in der Mitte des Knotenpunkts 120 montiert sein muss. Der Magnetfeldsensor 110 kann beispielsweise etwas versetzt angeordnet sein, aber vorzugsweise derart, dass eine Sensorfläche 210 des Magnetfeldsensors 110 die am Knotenpunkt 120 zusammenfließenden Magnetfeldvektoren 111, 112, 113, 114 bzw. elektrischen Ströme I₁, I₂, I₃, I₄ mit hinlänglicher Genauigkeit messen, und voneinander unterscheiden, kann.
In dem hier gezeigten nicht limitierenden Beispiel kann der Magnetfeldsensor 110 als ein zweidimensional messender Hallsensor ausgestaltet sein. Dieser kann mindestens zwei vertikale Hall-Elemente 211, 212 aufweisen. Die Hall-Elemente 211, 212 können in einem 90°-Winkel zueinander ausgerichtet sein, um dementsprechend eine x-Komponente sowie eine y-Komponente der Magnetfeldvektoren 111, ..., 114 zu bestimmen.
Um die Genauigkeit des Hallsensors 110 zu verbessern, kann dieser zwei weitere vertikale Hall-Elemente 213, 214 aufweisen, die ebenfalls in einem 90°-Winkel zueinander angeordnet sind. Wie es rein beispielhaft in 2 gezeigt ist, können die vier Hall-Elemente 211, ..., 214 derart angeordnet sein, dass jedes Hall-Element relativ zu seinem jeweiligen benachbarten Hall-Element um 90° versetzt ist.
Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn die elektrischen Leiter 101, 104 ebenfalls um jeweils 90° relativ zueinander versetzt sind, wie dies in 2 gezeigt ist. Der Hallsensor 110 kann derart orientiert sein, dass die einzelnen Hall-Elemente 211, ..., 214 im Wesentlichen senkrecht zu der Stromflussrichtung im jeweiligen Leiter 101, ..., 104 stehen. Unter Bezugnahme auf 2 würde dies bedeuten, dass die Stromflussrichtung des ersten Stroms I₁, im ersten Leiter 101 im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Hall-Element 211 gerichtet ist. Selbiges gälte für die Stromflussrichtungen der zweiten, dritten und vierten Ströme I₂, I₃, I₄ relativ zu den zweiten, dritten und vierten Hall-Elementen 212, 213, 214.
Alternativ zum Hallsensor kann der Magnetfeldsensor 110 auch als ein magnetoresistiver Sensor ausgestaltet sein, der die Magnetfelder 111, ..., 114 basierend auf dem magnetoresistiven Effekt ermittelt. Hierzu zählen beispielsweise AMR-Sensoren (AMR: Anisotropic Magnetoresistance), GMR-Sensoren (GMR: Giant Magnetoresistance), TMR-Sensoren (TMR: Tunnel Magnetoresistance), CMR-Sensoren (CMR: Colossal Magnetoresistance), EMR-Sensoren (EMR: Extraordinary Magnetoresistance) und dergleichen, die für gewöhnlich unter der Bezeichnung xMR zusammengefasst werden können.
Alternativ zu einem zweidimensional messenden Magnetfeldsensor (2D-Sensor) kann der Magnetfeldsensor 110 als ein dreidimensional messender Magnetfeldsensor (3D-Sensor) ausgestaltet sein. Dieser könnte neben den parallel zur Chipebene gerichteten x- und y-Komponenten auch eine senkrecht zur Chipebene gerichtete z-Komponente der Magnetfeldvektoren ermitteln.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Magnetfeldsensors 110 ist dieser dazu ausgestaltet, um die am Knotenpunkt 120 zusammentreffenden Magnetfelder (siehe die Magnetfeldvektoren 111, ..., 114) zu messen und den Betrag und/oder die Richtung des jeweiligen Magnetfeldvektors 111, ..., 114 zu bestimmen. Basierend hierauf kann der Magnetfeldsensor 110 dann die im jeweiligen Leiter 101, ..., 104 fließenden Ströme I₁, I₂, I₃, I₄ ermitteln. Vorzugsweise kann der Magnetfeldsensor 110 den Betrag und/oder die Richtung der im jeweiligen Leiter 101, ..., 104 fließenden Ströme I₁, I₂, I₃, I₄ bestimmen.
In dem in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel kann der Magnetfeldsensor 110 beispielsweise anhand der gemessenen Magnetfeldvektoren 111, ..., 114 bestimmen, dass die im ersten, zweiten und dritten Leiter 101, 102, 103 jeweils fließenden elektrischen Ströme I₁,I₂, I₃ in den Knotenpunkt 120 hineinlaufen, während der im vierten Leiter 104 fließende Strom I₄ aus dem Knotenpunkt herausläuft.
In elektrischen Systemen ist es oft wünschenswert, den elektrischen Strom I₁, I₂, I₃ pro Last zu ermitteln, sei es aus funktionalen Gründen, zu Diagnosezwecken oder aus sicherheitsrelevanten Aspekten. In dem in 2 gezeigten Beispiel mit drei Lasten X1, X2, X3 wäre es also beispielsweise von Interesse, die jeweiligen einzelnen Ströme I₁, I₂, I₃ zu messen.
In herkömmlichen Strommessverfahren könnte ein einzelner Stromsensor im vierten Leiter 104 angeordnet werden, um den dort fließenden vierten Strom I₄ zu messen. Dieser würde sich gemäß der o.g. Kirchhoff'schen Maschenregel aus allen drei Einzelströmen I₁, I₂, I₃ zusammensetzen. Hierbei bestünde jedoch das Problem, dass nicht nachvollzogen werden kann, welchen Beitrag zum Gesamtstrom I₄ die jeweiligen Einzelströme I₁, I₂, I₃ leisten. Als Abhilfe wird bei herkömmlichen Strommessverfahren daher in jedem Stromzweig jeweils ein Stromsensor eingebaut, was jedoch bei komplexen Systemen mit einer Vielzahl von Stromzweigen schnell sehr teuer werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, ist der Magnetfeldsensor 110 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept am Knotenpunkt 120 montiert, an dem alle Ströme zusammenlaufen, und dazu ausgestaltet, um die einzelnen Ströme I₁, I₂, I₃, I₄, die am Knotenpunkt 120 zusammenlaufen, nach deren Betrag und/oder Richtung zu bestimmen. Somit reicht ein einzelner Magnetfeldsensor 110 aus, um die Ströme in einer Vielzahl von Stromzweigen zu bestimmen, sofern die Ströme an einem gemeinsamen Knotenpunkt zusammenlaufen. Dies reduziert die Herstellungskosten zur sensorbasierten Strommessung erheblich.
Ein denkbares Einsatzgebiet soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C beispielhaft beschrieben werden. Hier ist eine sogenannte H-Brücke gezeigt, in der fünf Zweipole 310, ..., 315 in Form des Großbuchstabens „H“ zusammengeschaltet sind. Die Querverbindung 330 wird auch als Brückenzweig bezeichnet. Im Brückenzweig 330 ist ein elektrischer Motor 310 angeordnet. In den durch die Querverbindung 330 getrennten vier Stromzweigen 331, ..., 334 ist jeweils ein Schaltelement 310, ..., 314 angeordnet. Die Schaltelemente 310, ..., 314 dienen dazu, um den Stromfluss in dem jeweiligen Stromzweig 331, ..., 334, je nach Schaltzustand, entweder zu blockieren oder zu gestatten. Je nachdem welche der vier Schaltelemente 310, ..., 314 geöffnet bzw. geschlossen sind, ergibt sich ein unterschiedlicher Strompfad durch die einzelnen Stromzweige 331, ..., 334.
Um bei der Nomenklatur aus 1 zu bleiben, sind ein erster Leiter 101, ein zweiter Leiter 102 und ein dritter Leiter 103 an einem gemeinsamen Knotenpunkt 120 miteinander verbunden. Der erste Leiter 101 ist in diesem Beispiel mit einem ersten Schaltelement 311 verbunden, der zweite Leiter 102 ist in diesem Beispiel mit einem zweiten Schaltelement 312 verbunden, und der dritte Leiter 103 ist in diesem Beispiel mit einer Spannungsversorgung 320 verbunden.
Am Knotenpunkt 120 ist ein Magnetfeldsensor 110 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept angeordnet. Dieser ist hier jedoch, aufgrund der Größenverhältnisse in der Zeichnung, nicht im Detail abgebildet. Es sei diesbezüglich auf die obige Diskussion unter Bezugnahme auf die 1 und 2 verwiesen.
In derartigen H-Brückenschaltungen kann es äußerst hilfreich sein, die unterschiedlichen Betriebszustände des elektrischen Bauteils 310 im Brückenzweig 330, hier also des Motors 310, zu ermitteln. In Abhängigkeit eines gewünschten Betriebszustands des Motors 310 sind die vier Schaltelemente 311, ..., 314 entsprechend verschaltet, sodass sich eine für den jeweiligen Betriebszustand gewünschte Stromflussrichtung in den jeweiligen Stromzweigen ergibt.
Betriebszustände, die bei einem Elektromotor 310 von Interesse sein können, wären beispielsweise ein ON-Zustand (Motor ein), in dem der Motor 310 angetrieben wird, ein Brems- oder Rekuperations-Zustand, in dem eine Motorbremsfunktion wirkt und der Motor 310 im Sinne eines Generators Leistung erzeugt, oder ein Freilauf-Zustand, in dem der Motor 310 weitestgehend ohne Motorbremswirkung im Wesentlichen frei dreht.
Ein nicht limitierendes Anwendungsbeispiel wäre ein elektrisch betätigter Kofferraum, wie er beispielsweise bei ATVs (All Terrain Vehicles) verbaut wird. Der Motor 310 kann den Kofferraum elektrisch betätigen, um diesen zu öffnen und zu schließen. Der Kofferraum soll aber auch per Hand betätigbar sein. In diesem Falle würde allerdings die manuelle Kraft entgegen der Motorkraft wirken, d.h. beim Öffnen bzw. Schließen müsste gegen die Motorbremswirkung gearbeitet werden. Dies erschwert das manuelle Öffnen und Schlie-ßen des Kofferraums erheblich.
In diesem Anwendungsbeispiel wäre es daher von Interesse, ein manuelles Betätigen des Kofferraums zu detektieren. In diesem Falle könnte der Motor 310 dann nämlich in einen Freilauf-Zustand geschaltet werden, in dem der manuellen Betätigungskraft keine merkliche Motorbremswirkung mehr entgegensteht. Ähnliche Anwendungsfälle ergeben sich auch bei BLDC-Motoren, d.h. bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC: Brushless Direct Current).
Wie eingangs erwähnt, hängt der Betriebszustand des Motors 310 in der H-Brückenschaltung davon ab, wie die einzelnen Schaltelemente 311, ..., 314 geschaltet sind. 3A zeigt ein Beispiel für einen ON-Zustand des Motors 310 (Motor ein). Hier sind zwei der insgesamt vier Schaltelemente 311, ..., 314 geöffnet, und die anderen beiden Schaltelemente sind geschlossen. In dem hier abgebildeten nicht limitierenden Beispiel wären das zweite Schaltelement 312 und das diagonal gegenüberliegende vierte Schaltelement 314 geöffnet, während das (dem zweiten Schaltelement 312 seitlich gegenüberliegende) erste Schaltelement 311 sowie das dem ersten Schaltelement 311 diagonal gegenüberliegende (sowie dem vierten Schaltelement 314 seitlich gegenüberliegende) dritte Schaltelement 313 geschlossen wären.
Dadurch ergibt sich der in 3A eingezeichnete Strompfad, in dem der Strom vom oberen Knotenpunkt 120', über das geöffnete vierte Schaltelement 314, sodann über den Motor 310, und schließlich über das geöffnete zweite Schaltelement 312 zu dem unteren Knotenpunkt 120 fließt. Dies könnte eine denkbare Schaltkombination zur Realisierung des ON-Zustands des Motors 310 sein.
Implementierungsabhängig wäre es natürlich auch denkbar, dass alternativ das erste und das dritte Schaltelement 311, 313 geöffnet wären, während das zweite und das vierte Schaltelement 312, 314 geschlossen wären. In Abhängigkeit der Polung der Spannungsquelle (bzw. Stromquelle) 320 wäre es auch denkbar, dass der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt, als dies in 3A rein schematisch eingezeichnet ist. Das Gleiche gilt natürlich auch für die in den 3B und 3C gezeigten schematischen Schaltungen.
Um bei dem in 3A abgebildeten Schaltungsbeispiel zu bleiben, würde also im ON-Zustand des Motors 310 der Strom vom zweiten Leiter 102 in den Knotenpunkt 120, und von dort in den dritten Leiter 103 fließen. Dies wird nachfolgend als ein zweiter Stromfluss S2 bzw. als eine zweite Stromflussrichtung S2 bezeichnet. Die dabei in den jeweiligen Leitern 102, 103 erzeugten Magnetfelder können mittels des am Knotenpunkt 120 montierten Magnetfeldsensors 110 gemessen werden. Der Magnetfeldsensor 110 kann anhand der am Knotenpunkt 120 gemessenen Magnetfelder bzw. Magnetfeldvektoren, und insbesondere anhand der ermittelten Richtungen der jeweils in den einzelnen Leitern 102, 103 erzeugten Magnetfelder, auf die oben genannte Stromflussrichtung S2 schließen.
Der Magnetfeldsensor 110 (oder eine mit dem Magnetfeldsensor 110 gekoppelte Steuerung) kann basierend auf der am Knotenpunkt 120 ermittelten Stromflussrichtung (hier: die zweite Stromflussrichtung S2 vom zweiten Leiter 102 in den dritten Leiter 103) den Betriebszustand des Motors 310 ableiten (hier: Motor ein).
Wie eingangs erwähnt wurde, kann es denkbar sein (z.B. bei umgepolter Spannungsquelle 320), dass die Stromflussrichtung umgekehrt ist. Dann würde im ON-Zustand der Strom vom dritten Leiter 103 über den Knotenpunkt 120 in den zweiten Leiter 102 fließen, was aber natürlich ebenfalls vom Magnetfeldsensor 110 erkannt werden würde.
Der Magnetfeldsensor 110 kann also ausgestaltet sein, um am Knotenpunkt 120 einen Stromfluss S2 zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103 zu detektieren, unabhängig davon in welche Richtung der Strom hierbei tatsächlich fließt.
Wie ebenfalls zuvor erwähnt wurde, kann im ON-Zustand der Strom, in Abhängigkeit von der Implementierung der Schaltung, alternativ auch zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103 über den Knotenpunkt 120 fließen. Dies ist in 3A mittels Strichlinien dargestellt und wird nachfolgend als ein erster Stromfluss S1 bzw. als eine erste Stromflussrichtung S1 bezeichnet. Auch hier kann wiederum, z.B. in Abhängigkeit der Polung der Spannungsquelle (bzw. Stromquelle) 320, der Strom vom ersten Leiter 101 über den Knotenpunkt 120 in den dritten Leiter 103, oder eben vom dritten Leiter 103 über den Knotenpunkt 120 in den ersten Leiter 101 fließen.
Zusammenfassend kann also der Magnetfeldsensor 110 ausgestaltet sein, einen aktiven ON-Betriebszustand des Elektromotors 310 zu detektieren, indem der Magnetfeldsensor 110 am Knotenpunkt 120 einen ersten Stromfluss S1 zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103 ermittelt, oder indem der Magnetfeldsensor 110 am Knotenpunkt 120 einen zweiten Stromfluss S2 zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103 ermittelt. Der Strom fließt also in diesem Fall (ON-Zustand) am Knotenpunkt 120 zwischen dem Leiter 103, der mit der Spannungsquelle (bzw. Stromquelle) 320 verbunden ist, und einem der Leiter 101,102, die mit jeweils einem der Schaltelemente 311, 312 verbunden sind.
In 3B ist eine Möglichkeit zur Realisierung eines Freilauf-Zustands des Motors 310 gezeigt. Hier sind die Schaltelemente 311, ..., 314 derart geschaltet, dass sich ein Stromfluss im unteren Teil der H-Brücke ergibt. Zum Beispiel können, wie hier schematisch dargestellt ist, das erste Schaltelement 311 und das zweite Schaltelement 312 geöffnet sein, während das dritte Schaltelement 313 und das vierte Schaltelement 314 geschlossen sind.
Dementsprechend würde sich am Knotenpunkt 120 ein Stromfluss zwischen dem ersten Leiter 101 und dem zweiten Leiter 102 einstellen, der sich mittels des Magnetfeldsensors 110 in der hierin beschriebenen Art und Weise ermitteln ließe. Beispielsweise kann der Strom vom zweiten Leiter 102 in den Knotenpunkt 120 hineinfließen, und aus dem Knotenpunkt 120 in den ersten Leiter 101 hineinfließen. Der Magnetfeldsensor 110 kann anhand der am Knotenpunkt 120 gemessenen Magnetfelder bzw. Magnetfeldvektoren, und insbesondere anhand der ermittelten Richtungen der jeweils in den einzelnen Leitern 101, 102 erzeugten Magnetfelder, auf die oben genannte Stromflussrichtung schließen.
Der Magnetfeldsensor 110 (oder eine mit dem Magnetfeldsensor 110 gekoppelte Steuerung) kann basierend auf der am Knotenpunkt 120 ermittelten Stromflussrichtung (hier: vom zweiten Leiter 102 in den ersten Leiter 101) den Betriebszustand des Motors 310 ableiten (hier: Freilauf).
Alternativ dazu kann es, neben der in 3B beispielhaft gezeigten Stromflussrichtung am Knotenpunkt 120 (vom zweiten Leiter 102 über den Knotenpunkt 120 in den ersten Leiter 101), auch zu einer entgegengesetzt gerichteten Stromflussrichtung am Knotenpunkt 120 kommen (d.h. vom ersten Leiter 101 über den Knotenpunkt 120 in den zweiten Leiter 102). Auch in diesem Falle ließe sich der Stromfluss mittels des Magnetfeldsensors 110 in der hierin beschriebenen Art und Weise ermitteln und ein Betriebszustand des Motors 310 könnte hierüber abgeleitet werden (hier: Freilauf). Der Strom würde in diesem Fall (Freilauf) also am Knotenpunkt 120 zwischen den beiden Leitern 101, 102 fließen, in denen jeweils eines der Schaltelemente 311, 312 angeordnet ist.
Implementierungsabhängig wäre es alternativ denkbar, dass die Schaltelemente 311, ..., 314 derart geschaltet wären, dass sich ein Stromfluss im oberen Teil der H-Brücke ergäbe. Zum Beispiel könnten in diesem Falle das erste Schaltelement 311 und das zweite Schaltelement 312 geschlossen sein, während das dritte Schaltelement 313 und das vierte Schaltelement 314 geöffnet wären. Dann fände am oberen Knotenpunkt 120' ein Stromfluss zwischen den beiden oberen Leitern in der zuvor beschriebenen Art und Weise statt, der dann wiederum mittels eines am oberen Knotenpunkt 120' montierten Magnetfeldsensor 110 detektierbar wäre.
3C zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung eines Motorbrems-Betriebszustands oder eines Rekuperations-Motorbetriebszustands. Hier sind die Stromflüsse im Vergleich zum ON-Zustand gemäß 3A im Wesentlichen genau entgegengesetzt. Somit gilt das oben Gesagte, in jeweils entgegengesetzte Richtungen, genauso für den in 3C gezeigten Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand.
Im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand kann (wie in 3C rein beispielhaft dargestellt ist) der Strom vom dritten Leiter 103 in den Knotenpunkt 120, und vom Knotenpunkt 120 in den ersten Leiter 101 fließen. Dies wird nachfolgend als ein dritter Stromfluss S3 bzw. als eine dritte Stromflussrichtung S3 bezeichnet.
Um zwischen einem ON-Betriebszustand (3A) und einem Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand (3C) unterscheiden zu können, ist die dritte Stromflussrichtung S3 entgegengesetzt zu der oben beschriebenen ersten Stromflussrichtung S1 im ON-Betriebszustand.
Die hierbei in den jeweiligen Leitern 101, 103 erzeugten Magnetfelder können mittels des am Knotenpunkt 120 montierten Magnetfeldsensors 110 in der hierin beschriebenen Art und Weise gemessen werden. Der Magnetfeldsensor 110 kann anhand der am Knotenpunkt 120 gemessenen Magnetfelder bzw. Magnetfeldvektoren, und insbesondere anhand der ermittelten Richtungen der jeweils in den einzelnen Leitern 101, 103 erzeugten Magnetfelder, auf die oben genannte dritte Stromflussrichtung S3 schließen.
Der Magnetfeldsensor 110 (oder eine mit dem Magnetfeldsensor 110 gekoppelte Steuerung) kann basierend auf der ermittelten Stromflussrichtung (hier: die dritte Stromflussrichtung S3 vom dritten Leiter 103 in den ersten Leiter 101) den Betriebszustand des Motors 310 ableiten (hier: Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand).
Wie eingangs erwähnt wurde, kann es denkbar sein, dass die Stromflussrichtung umgekehrt ist. Dann würde im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand der Strom vom ersten Leiter 101 über den Knotenpunkt 120 in den dritten Leiter 103 fließen, was aber natürlich ebenfalls vom Magnetfeldsensor 110 erkannt werden würde.
Der Magnetfeldsensor 110 kann also ausgestaltet sein, um am Knotenpunkt 120 einen Stromfluss S3 zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103 zu detektieren, unabhängig davon in welche Richtung der Strom hierbei tatsächlich fließt. Der Stromfluss im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand ist jedoch stets entgegengesetzt zum Stromfluss im ON-Betriebszustand. Das hieße, der im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand am Knotenpunkt 120 ermittelte dritte Stromfluss S3 zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103 ist stets entgegengesetzt gerichtet zu dem im ON-Betriebszustand am Knotenpunkt 120 ermittelten ersten Stromfluss S1 zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103.
Wie ebenfalls zuvor erwähnt wurde, kann im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand der Strom, in Abhängigkeit von der Implementierung der Schaltung, alternativ auch zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103 über den Knotenpunkt 120 fließen. Dies ist in 3C mittels Strichlinien dargestellt und wird nachfolgend als ein vierter Stromfluss S4 bzw. als eine vierte Stromflussrichtung S4 bezeichnet. Auch hier gilt wieder, dass der Stromfluss im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand S3, S4 stets entgegengesetzt zum Stromfluss S1, S2 im ON-Betriebszustand ist. Das hieße, der im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand am Knotenpunkt 120 ermittelte vierte Stromfluss S4 zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103 ist stets entgegengesetzt gerichtet zu dem im ON- Betriebszustand am Knotenpunkt 120 ermittelten zweiten Stromfluss S2 zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103.
Der Magnetfeldsensor 110 kann also ausgestaltet sein, um einen Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand des Elektromotors 310 zu detektieren, indem der Magnetfeldsensor 110 am Knotenpunkt 120 einen zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103 gerichteten dritten Stromfluss S3 ermittelt, der entgegengesetzt zum ersten Stromfluss S1 im ON-Betriebszustand ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor 110 den Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand des Elektromotors 310 detektieren, indem der Magnetfeldsensor 110 am Knotenpunkt 120 einen zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103 gerichteten vierten Stromfluss S4 ermittelt, der entgegengesetzt zum zweiten Stromfluss S2 im ON-Betriebszustand gerichtet ist.
Um die jeweiligen Betriebszustände des Motors 310 besser auseinanderhalten zu können, kann es sinnvoll sein, wenn die Stromzweige mit berücksichtigt werden. Wenn also der Stromfluss S2 im ON-Betriebszustand, wie in 3A beispielhaft abgebildet ist, über den unteren rechten Stromzweig 332 führt (d.h. zweiter Stromfluss S2 zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103), dann sollte der Stromfluss S3 im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand (3C) vorzugsweise über den unteren linken Stromzweig 331 in entgegengesetzter Stromflussrichtung führen (d.h. dritter Stromfluss S3 zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103).
Das gleiche gilt genauso andersherum. Das hieße, wenn der Stromfluss im ON-Betriebszustand (3A) über den unteren linken Stromzweig 331 führte (d.h. erster Stromfluss S1 zwischen dem ersten Leiter 101 und dem dritten Leiter 103), dann sollte der Stromfluss S4 im Motorbrems- bzw. Rekuperations-Betriebszustand (3C) vorzugsweise über den unteren rechten Stromzweig 332 in entgegengesetzter Stromflussrichtung führen (d.h. vierter Stromfluss S4 zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103).
Im Übrigen gilt alles, was mit Bezug auf den Knotenpunkt 120 beschrieben wurde, ganz genauso für den oberen Knotenpunkt 120'. Ebenso gilt alles, was mit Bezug auf den am Knotenpunkt 120 angeordneten Magnetfeldsensor 110 beschrieben wurde, ganz genauso für einen am oberen Knotenpunkt 120' montierten Magnetfeldsensor 110'.
Die 4 und 5 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen zur Integration einer Magnetfeld-basierten Strommessvorrichtung 100 in bestehende Systemumgebungen.
4 zeigt ein Substrat 400. Hierbei kann es sich um ein mehrlagiges Substrat handeln. Das Substrat 400 kann beispielsweise in Form eines Komponentenboards bzw. PCBs (PCB: Printed Component Board) ausgestaltet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein mehrlagiges PCB handeln, das auch als Multilayer-PCB bezeichnet wird.
Das Multilayer-PCB kann mehrere Schichten eines dielektrischen Materials 401, 402, 403, 404 aufweisen, wobei zwischen diesen Schichten 401, 402, 403, 404 jeweils ein signalführender Leiter 405, 406, 407 angeordnet sein kann. Diese signalführenden Leiter 405, 406, 406 werden auch als Signal Layer bezeichnet.
Auf den sich gegenüberliegenden äußeren Oberflächen 440, 450 des Multilayer-PCBs 400 können jeweils stromführende Leiterstrukturen 441, 451 angeordnet sein, die die zuvor beschriebenen ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter 101, 102, 103 beinhalten. Eine der beiden stromführenden Leiterstrukturen 441, 451 kann ein Massepotential aufweisen. Die stromführenden Leiterstrukturen 441, 451 werden auch als Power Layer bezeichnet.
Die hierin beschriebene Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung 100 bzw. der Magnetfeldsensor 110 kann in einem Package 420 integriert sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein WLB-Package bzw. eWLB-Package handeln (eWLB: embedded Wafer Level Ball Grid Array). Die Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung 100 kann einen für die Magnetfeldlinien empfindlichen Sensorbereich 430 aufweisen.
Das Substrat 400 kann eine Aussparung 410 aufweisen. Das Package 420 kann innerhalb dieser Aussparung 410 in Flip-Chip Montagetechnik montiert sein, sodass der für die Magnetfeldlinien empfindliche Sensorbereich 430 des Magnetfeldsensors 110 dem ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter 101, 102, 103 zugewandt ist. Indem man das Package 420, und insbesondere den für die Magnetfeldlinien empfindlichen Sensorbereich 430 des Magnetfeldsensors 110 möglichst nah an einem der Power Layer 441, 451 platziert, kann eine höhere Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors 110 erreicht werden.
5 zeigt eine weitere denkbare vorteilhafte Ausgestaltung. Hier kann die Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung 100 bzw. der Magnetfeldsensor 110 in einem Chip 520 integriert sein, der wiederum auf einem Substrat 500 angeordnet sein kann. Bei dem Substrat 500 kann es sich um ein Keramiksubstrat, z.B. um ein Siliziumsubstrat, handeln.
Das Substrat 500 kann eine oder mehrere signalführende Leiterstrukturen (signal layer) und/oder eine oder mehrere stromführende Leiterstrukturen 551 (power layer) aufweisen. Eine stromführende Leiterstruktur 551 (power layer) kann die zuvor beschriebenen elektrischen Leiter 101, 102, 103 aufweisen.
Bei dem Chip 520 kann es sich beispielsweise um einen ungehäusten Halbleiter-Chip (Bare Die) handeln. Der Chip 520 kann Face-Up auf dem Keramiksubstrat 500 montiert sein, sodass der für die Magnetfeldlinien empfindliche Sensorbereich 530 des Magnetfeldsensors 110 von dem Keramiksubstrat 500 abgewandt ist. Der Chip 520 kann mittels Bonddrähten 540 in Drahtbonding-Technologie kontaktiert sein.
Der Chip 520 kann auf der Leiterstruktur 551 (power layer) montiert sein, sodass der für die Magnetfeldlinien empfindliche Sensorbereich 530 des Magnetfeldsensors 110 der Leiterstruktur 551 und den darin ausgestalteten elektrischen Leitern 101, 102, 103 gegenüberliegt.
6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens 600 zum Magnetfeld-basierten Messen elektrischer Ströme gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In Block 601 wird ein mindestens zweidimensional messender Magnetfeldsensor 110 bereitgestellt, der an einem Knotenpunkt 120 montiert ist, an dem ein erster, zweiter und dritter elektrischer Leiter 101, 102, 103, jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend, zusammengeführt sind.
In Block 602 wird mittels des Magnetfeldsensors 110 ein jeweiliger Betrag und/oder eine jeweilige Richtung der im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter 101, 102, 103 jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt 120 zusammentreffenden, Magnetfelder 111, 112, 113 ermittelt.
In Block 603 wird eine Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt 120 fließenden elektrischen Ströme I₁,I₂, I₃ abgeleitet, und zwar basierend auf den ermittelten Beträgen und/oder Richtungen der jeweiligen Magnetfelder 111, 112, 113.
Zusammenfassend zählen zur vorliegenden Offenbarung Systeme und Verfahren für eine 2D- oder 3D Stromrichtungsmessung. Hierfür können 3D Hallsensoren, oder 2D Hallsensoren, mit vertikalen Hallelementen verwendet werden. Es kann eine Stromrichtung gemessen werden, was auch als richtungsgebundene Strommessung bezeichnet werden kann. Beispielsweise kann mit einem zweidimensionalen Hallsondenkonzept der Strom und die Richtung des Stroms auf einer gemeinsamen Leiterverbindung ermittelt werden. Mit dieser Information kann der Strom und die Stromquelle bestimmt werden.
Das hierin vorgestellte Konzept kann für einen großen Bereich verschiedener Anwendungen genutzt werden, wie z.B.:

• H-Brücken
• BLDC-Motoren
• Verteilerkästen
• Anwendungen mit mehr als einer Last.

Das hierin vorgestellte Konzept bietet eine kostengünstige und leistungseffiziente (keine zusätzlichen Leistungsverluste wie in einem Shunt) Lösung, um Informationen über den fließenden Strom zu erhalten, z.B. aus funktionellen Gründen, zu Diagnosezwecken oder aus sicherheitsrelevanten Aspekten.
Hierfür kann ein Magnetfeldsensor (z.B. 3D- oder 2D-Hallsensor oder xMR-Sensor) verwendet werden, um einen Strom und seine Stromflussrichtung zu ermitteln, um herauszufinden von welcher Last bzw. von welchen Lasten der Strom bzw. die Ströme herrühren. Hierfür kann der Magnetfeldsensor auf einer Metalllage platziert werden, auf der sich unterschiedliche Ströme aus unterschiedlichen Richtungen treffen. In einigen hierin beschriebenen Beispielen können drei Ströme aus unterschiedlichen Richtungen unterhalb des Magnetfeldsensors zusammenlaufen. Mittels der Messwerte des Magnetfeldsensors kann der resultierende Magnetfeldvektor bestimmt werden. Der Magnetfeldvektor, der den Betrag und die Richtung des Magnetfelds angibt, beinhaltet eine Information über die beteiligten elektrischen Ströme, sofern die Werte der einzelnen Ströme messbar bzw. nennenswert sind.
Anwendungsbeispiele hierfür wären H-Brückenschaltungen für Elektromotor-Anwendungen. Mit lediglich einem einzigen Magnetfeldsensor können die einzelnen Ströme gemessen, und basierend hierauf, der Motor-Betriebszustand ermittelt werden. Dies ist von Interesse für die Motorsteuerung, zur Diagnose und für die Sicherheit, aber auch um ein Verständnis dafür zu entwickeln, wann ein Motor-Bremszustand abgeschlossen ist. Ein nicht limitierendes Beispiel hierfür wäre ein ATV-Kofferraum: Hierfür werden für Gewöhnlich Gleichstrommotoren benutzt. Der Kofferraum sollte sich mit Hilfe dieses Motors öffnen und schließen lassen. Zusätzlich sollte er sich aber auch einfach vom Menschen manuell per Muskelkraft öffnen und schließen lassen. Hierfür ist eine Erkennung wünschenswert, ob der Kofferraum bzw. der Motor per Handkraft betätigt wird, um von einem ON-Zustand oder einem Bremszustand in einen Freilaufzustand zu schalten, um ein einfaches Öffnen bzw. Schließen zu ermöglichen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen innovativen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des hierin beschriebenen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Claims

Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) aufweisend: einen mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensor (110), der an einem Knotenpunkt (120) montiert ist, an dem ein erster, ein zweiter und ein dritter elektrischer Leiter (101, 102, 103), jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend, zusammengeführt sind, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, um jeweils einen Betrag und/oder eine Richtung der im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter (101, 102, 103) jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt (120) zusammentreffenden, Magnetfelder (111, 112, 113) zu bestimmen, und um basierend hierauf eine Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt (120) fließenden, elektrischen Ströme (I₁, I₂, I₃) abzuleiten.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, um basierend auf den am Knotenpunkt (120)jeweils ermittelten Richtungen der Magnetfelder (111, 112, 113) zu bestimmen, in welche Richtung ein erster elektrischer Strom (I₁) im ersten Leiter (101), ein zweiter elektrischer Strom (I₂) im zweiten Leiter (102) und ein dritter elektrischer Strom (I₃) im dritten Leiter (103) jeweils fließt.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, um basierend auf den am Knotenpunkt (120) jeweils ermittelten Beträgen der Magnetfelder (111, 112, 113) zu bestimmen, welchen Betrag ein erster elektrischer Strom (I₁) im ersten Leiter (101), ein zweiter elektrischer Strom (I₂) im zweiten Leiter (102), und ein dritter elektrischer Strom (I₃) im dritten Leiter (103) jeweils aufweist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, um basierend auf den ermittelten Richtungen und/oder Beträgen der jeweiligen, am Knotenpunkt (120) zusammentreffenden Magnetfelder (111, 112, 113), auf einen Betriebszustand eines mit den elektrischen Leitern (101, 102, 103) verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelements (310) zu schließen.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Elektromotor (310) sowie vier Schaltelemente (311, 312, 313, 314), die zusammen mit dem Elektromotor (310) in einer H-Brückenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei der erste Leiter (101) mit einem ersten Schaltelement (311) verbunden ist, wobei der zweite Leiter (102) mit einem zweiten Schaltelement (312) verbunden ist, und wobei der dritte Leiter (103) mit einer Spannungsversorgung (320) verbunden ist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß Anspruch 5, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, einen aktiven ON-Betriebszustand des Elektromotors (310) zu detektieren, indem der Magnetfeldsensor(110) am Knotenpunkt (120) einen ersten Stromfluss (S1) zwischen dem ersten Leiter (101) und dem dritten Leiter (103) ermittelt, oder indem der Magnetfeldsensor (110) am Knotenpunkt (120) einen zweiten Stromfluss (S2) zwischen dem zweiten Leiter (102) und dem dritten Leiter (103) ermittelt.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, einen Motorbrems-Betriebszustand oder einen Rekuperations-Betriebszustand des Elektromotors (310) zu detektieren, indem der Magnetfeldsensor (110) am Knotenpunkt (120) einen dritten Stromfluss (S3) zwischen dem ersten Leiter (101) und dem dritten Leiter (103) ermittelt, der entgegengesetzt zum ersten Stromfluss (S1) im ON-Betriebszustand gerichtet ist, oder indem der Magnetfeldsensor (110) am Knotenpunkt (120) einen vierten Stromfluss (S4) zwischen dem zweiten Leiter (102) und dem dritten Leiter (103) ermittelt, der entgegengesetzt zum zweiten Stromfluss (S2) im ON-Betriebszustand gerichtet ist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Magnetfeldsensor (110) ausgestaltet ist, einen Freilauf-Betriebszustand des Elektromotors (310) zu detektieren, indem der Magnetfeldsensor (110) am Knotenpunkt (120) einen Stromfluss zwischen dem ersten Leiter (101) und dem zweiten Leiter (102) ermittelt.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen vierten elektrischen Leiter (104), der aus einer unterschiedlichen vierten Richtung kommend mit dem gemeinsamen Knotenpunkt (120) gekoppelt ist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, wobei der erste, zweite, dritte und vierte elektrische Leiter (101, 102, 103, 104) derart am Knotenpunkt (120) zusammengeführt sind, dass zwischen zwei benachbarten elektrischen Leitern jeweils ein Versatz von 90° besteht.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (110) als ein Hallsensor ausgestaltet ist, der zwei, im 90°-Winkel zueinander versetzt angeordnete, vertikale Hallelemente (211, 212) aufweist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß Anspruch 11, wobei der Hallsensor (110) vier, jeweils im 90°-Winkel zueinander versetzt angeordnete, vertikale Hallelemente (211, 212, 213, 214) aufweist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Magnetfeldsensor (110) als ein magnetoresistiver Sensor ausgestaltet ist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (110) als ein dreidimensional messender Magnetfeldsensor ausgestaltet ist.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (110) in einem Chip (520) integriert ist, der auf einem Keramiksubstrat (500) angeordnet ist, wobei die elektrischen Leiter (101, 102, 103) in Form einer stromführenden Leiterstruktur (551) auf dem Keramiksubstrat (500) ausgestaltet sind, und wobei der Chip (520) auf der Leiterstruktur (551) montiert ist, sodass der für die Magnetfeldlinien empfindliche Sensorbereich (530) des Magnetfeldsensors (110) den elektrischen Leitern (101, 102, 103) gegenüberliegt.
Magnetfeld-basierte Strommessvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Magnetfeldsensor (110) in einem Package (420) integriert ist, das in einer Aussparung (410) eines Multilayer-PCBs (400) angeordnet ist, wobei das Multilayer-PCB (400) mehrere Schichten (401, 402, 403, 404) eines dielektrischen Materials aufweist, wobei zwischen diesen Schichten (401, 402, 403, 404) jeweils eine signalführende Leiterstruktur (405, 406, 407) angeordnet ist, und wobei auf den sich gegenüberliegenden äußeren Oberflächen (440, 450) des Multilayer-PCBs (400) jeweils ein oder mehrere stromführende Leiterstrukturen (441, 451) angeordnet sind, die den ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter (101, 102, 103) beinhalten, wobei das Package (420) innerhalb der Aussparung (410) in Flip-Chip Montagetechnik montiert ist, sodass der für die Magnetfeldlinien empfindliche Sensorbereich (430) des Magnetfeldsensors (110) dem ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter (101, 102, 103) zugewandt ist.
Verfahren (600) zum Magnetfeld-basierten Messen elektrischer Ströme (I₁, I₂, I₃), wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen (601) eines mindestens zweidimensional messenden Magnetfeldsensors (110), der an einem Knotenpunkt (120) montiert ist, an dem ein erster, zweiter und dritter elektrischer Leiter (101, 102, 103), jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend, zusammengeführt sind, Ermitteln (602), mittels des Magnetfeldsensors (110), eines jeweiligen Betrags und/oder einer jeweiligen Richtung der im ersten, zweiten und dritten elektrischen Leiter (101, 102, 103) jeweils erzeugten, und am Knotenpunkt (120) zusammentreffenden, Magnetfelder (111, 112, 113), und Ableiten einer Information über einen Betrag und/oder eine Richtung der einzelnen, am Knotenpunkt (120) fließenden elektrischen Ströme (I₁, I₂, I₃), basierend auf den ermittelten Beträgen und/oder Richtungen der jeweiligen Magnetfelder (111, 112, 113).
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.