DE102022211474A1

DE102022211474A1 - Leistungselektronische Schaltungsanordnung sowie Verfahren zum Anordnen eines Strommesswiderstands in einer solchen Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102022211474A1
Application number: DE102022211474.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Krella; Matthias Duchrau; Markus Kolodziej; Andreas Greif
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2042-10-29
Also published as: WO2024089148A1; DE102022211474B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltungsanordnung (10), aufweisend einen plattenförmigen Schaltungsträger (12), der ein elektrisch isolierendes Substrat (14) und an einer Flachseite (15) des Substrats (14) eine Leiterbahnanordnung (16) und ein oder mehrere Bauelemente (18) aufweist; eine Stromschiene (20) zum Leiten eines elektrischen Stroms von oder zu einer Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16) des Schaltungsträgers (12); und einen Strommesswiderstand (22), über den die Stromschiene (20) und die betreffende Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Messung des Stroms durch Abgriff einer am Strommesswiderstand (22) abfallenden Messspannung zu ermöglichen. Zur Erzielung einer guten elektrischen und thermischen Anbindung des Strommesswiderstands (22) bei gleichzeitig kostengünstiger Aufbau- und Verbindungstechnik ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromschiene (20) einen in einem vertikalen Abstand (d) zu einer Flachseite (24) der Leiterbahnanordnung (16) befindlichen und im Wesentlichen parallel zu dieser Flachseite (24) orientierten Oberflächenabschnitt (26) aufweist, und dass der Strommesswiderstand (22) zwischen dem genannten Oberflächenabschnitt (26) der Stromschiene (20) und einem Oberflächenabschnitt (28) einer betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16) zwischengefügt und mit diesen Oberflächenabschnitten (26, 28) verbunden ist. Ferner schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Anordnen eines Strommesswiderstands (22) in einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung (10) vor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Anordnen eines Strommesswiderstands in einer solchen Schaltungsanordnung.
Eine derartige Schaltungsanordnung weist auf:

- einen plattenförmigen Schaltungsträger, der ein elektrisch isolierendes Substrat und an einer Flachseite des Substrats eine Leiterbahnanordnung und ein oder mehrere mittels der Leiterbahnanordnung elektrisch kontaktierte leistungselektronische Bauelemente aufweist,
- eine Stromschiene zum Leiten eines elektrischen Stroms von oder zu einer Leiterbahn der Leiterbahnanordnung des Schaltungsträgers, und
- einen Strommesswiderstand („Shunt“), über den die Stromschiene und die betreffende Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Messung des Stroms durch Abgriff einer am Strommesswiderstand abfallenden Messspannung zu ermöglichen.

Derartige Schaltungsanordnungen sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Lediglich beispielhaft sei hierzu ein Inverter zur getakteten Bestromung einer elektrischen Maschine genannt, z.B. eines Elektromotors in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
In der Praxis werden werden an eine solche Schaltungsanordnung oftmals folgende Anforderungen gestellt: Niederinduktive und niederohmige elektrische Anbindung des Strommesswiderstands, geringer thermischer Widerstand zwischen Strommesswiderstand und Umgebung bzw. Strommesswiderstand und einem Kühlkörper, kleiner Bauraum, kostengünstige Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT).
Insbesondere im Hinblick auf die Erfüllung der vorgenannten Anforderungen besteht im Stand der Technik noch Verbesserungsbedarf. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten zum Aufbau bzw. der Herstellung einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung liegen in der Regel schwer auflösbare Zielkonflikte vor.
Gemäß eines bekannten Konzepts ist beispielsweise eine Stromschiene (oftmals auch als „Busbar“ bezeichnet) mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt vorgesehen, wobei der erste Abschnitt in einem vertikalen Abstand zur Leiterbahnanordnung geradlinig parallel zum Schaltungsträger verläuft und der zweite Abschnitt mit Krümmungen weiter bis auf das vertikale Niveau der Leiterbahnanordnung verläuft, wobei zwischen beiden Abschnitten jedoch eine Lücke vorgesehen ist, in welcher der Strommesswiderstand angeordnet und beiderseitig mit den genannten Abschnitten der Stromschiene verschweißt ist. Nachteilig ist hierbei z.B. eine oftmals nicht ausreichende Wärmeabfuhr vom Strommesswiderstand in die Umgebung bzw. eine Wärmesenke.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die oben genannten Probleme zu beseitigen oder zumindest abzumildern, und somit insbesondere eine Schaltungsanordnung bereitszustellen, welche eine gute elektrische und thermische Anbindung des Strommesswiderstands bei gleichzeitig kostengünstiger Aufbau- und Verbindungstechnik ermöglicht.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet,

- dass die Stromschiene einen in einem vertikalen Abstand zu einer Flachseite der Leiterbahnanordnung befindlichen und im Wesentlichen parallel zu dieser Flachseite orientierten Oberflächenabschnitt aufweist, und
- dass der Strommesswiderstand zwischen dem genannten Oberflächenabschnitt der Stromschiene und einem Oberflächenabschnitt der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung zwischengefügt und mit diesen Oberflächenabschnitten körperlich und elektrisch verbunden bzw. kontaktiert ist.

Damit kann vorteilhaft eine gute elektrische und thermische Anbindung des Strommesswiderstands bei gleichzeitig kleinem Bauraum und kostengünstiger Aufbau- und Verbindungstechnik erzielt werden.
Der Begriff „leistungselektronisch“ ist breit auszulegen und soll im Kontext der Erfindung bedeuten, dass eine für elektronische Einrichtungen vergleichsweise hohe elektrische Leistung involviert ist, die im Betrieb der Schaltungsanordnung von dieser z.B. erzeugt oder gesteuert wird. Dies ist in der Regel z.B. dann der Fall, wenn die Schaltungsanordnung zur nicht einer reinen Datenverarbeitung dienenden Erzeugung und/oder Steuerung von elektrischer Energie vorgesehen ist, sondern diese Energie zur Versorgung von „elektrischen Verbrauchern“ dient. Vor allem ist hierbei an Verbraucher gedacht, deren Leistungsbedarf Werte von mehr als 100 W, insbesondere mehr als 1 kW, annehmen kann.
In diesem Zusammenhang ist auch der Begriff „Stromschiene“ (auf Englisch „Busbar“) im Kontext der Erfindung so zu verstehen, dass ein im Betrieb über die Stromschiene fließender Strom zum Zwecke einer nicht einer reinen Datenübertragung dienenden Übertragung von elektrischer Energie vorgesehen ist, wobei hierunter z.B. insbesondere wieder diejenigen Anwendungsfälle fallen, in denen im Betrieb der Schaltungsanordnung Werte von mehr als 100 W, insbesondere mehr als 1 kW, an elektrischer Leistung erreicht werden, die über die Stromschiene übertragen wird.
Der Begriff „vertikal“ soll im Kontext der Erfindung in üblicher Weise die Richtung „orthogonal zur Plattenebene“ des plattenförmigen Schaltungsträgers bedeuten.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Stromschiene der Schaltungsanordnung dazu vorgesehen, im Betrieb der Schaltungsanordnung einen Strom von oder zu der Leiterbahn zu führen (sei es Gleichstrom oder Wechselstrom), dessen Stromstärke Werte von mehr als 100 A, insbesondere mehr als 250 A, annehmen kann.
In einer im Rahmen der Erfindung besonders interessanten Verwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beträgt diese Stromstärke mindestens 500 A. Ein konkretes Beispiel hierfür ist die Verwendung bzw. Ausgestaltung der Schaltungsanordnung als ein Inverter (oder als ein Teil eines Inverters) zur getakteten Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere z.B. eines Elektromotors in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
In dieser Anwendung kann die Stromschiene eine elektrische Leitungsverbindung oder zumindest einen Abschnitt einer solchen Leitungsverbindung darstellen, über welche ein Phasenstrom einer mehrphasig bestromten elektrischen Maschine geführt wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromschiene als ein Profilteil aus metallischem Material, insbesondere z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung (z.B. sog. technisches Kupfer) ausgebildet ist. Dies trägt vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass im Rahmen der Erfindung bevorzugte Verwendungen der Schaltungsanordnung eine vergleichsweise hohe Stromstärke eines durch die Stromschiene fließenden Stroms erfordern.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Querschnitt der Stromschiene (z.B. Profilteil) eine Fläche von mindestens 20 mm², insbesondere mindestens 50 mm², besitzt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Querschnitt der Stromschiene eine wenigstens annähernd rechteckige oder quadratische Form besitzt. Alternativ kann dieser Querschnitt z.B. insbesondere U-förmig oder L-förmig sein.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der vertikale Abstand des Oberflächenabschnitts der Stromschiene von der Flachseite der Leiterbahnanordnung mindestens 0,5 mm, insbesondere 1 mm, beträgt und/oder maximal 10 mm, insbesondere maximal 5 mm, beträgt. Eine derartige Auslegung trägt vorteilhaft zur Erzielung einer kompakten Anordnung mit kleiner Bauraumanforderung bei.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Strommesswiderstand, der im Hinblick auf dessen Funktion fachüblich auch als „Shunt“ bezeichnet werden kann, plättchenförmig ausgebildet ist, insbesondere mit in vertikaler Richtung betrachtet einheitlichem Querschnitt.
Der Begriff „plättchenförmig“ soll hier zum Ausdruck bringen, dass der Strommesswiderstand eine Querausdehnung, d.h. Ausdehnung parallel zur Ebene des Schaltungsträgers (und orthogonal zur Stromflussrichtung im Strommesswiderstand) besitzt, die größer ist als dessen Vertikalausdehnung („Plättchenhöhe“), d.h. Ausdehnung orthogonal zur Ebene des Schaltungsträgers (und parallel zur Stromflussrichtung im Strommesswiderstand).
Die Querabmessung (oder z.B. eine minimale Querabmessung) der Plättchenform kann hierbei um einen Faktor von z.B. mindestens 1,5, insbesondere mindestens 2, größer sein als deren Vertikalausdehnung (Höhe). Derartige Dimensionierungen können vorteilhaft zu einer niedrigen Bauhöhe und einer guten elektrischen wie auch thermischen Anbindung des Strommesswiderstands beitragen.
Der Querschnitt des Strommesswiderstands, z.B. plättchenförmigen Strommesswiderstands, kann z.B. eine polygonale wie insbesondere z.B. rechteckige oder quadratische Form besitzen. Alternativ kann die Form des Querschnitts auch z.B. rund, insbesondere kreisrund, vorgesehen sein. Mit in vertikaler Richtung betrachtet einheitlichem Querschnitt ist der Strommesswiderstand dann z.B. quaderförmig oder z.B. zylindrisch.
Was das Material des Strommesswiderstands anbelangt, so kann hierbei z.B. vorteilhaft auf an sich zu diesem Zweck aus dem Stand der Technik bekannte Materialien zurückgegriffen werden. Beispielhaft seien hierzu die kommerziell unter den Handelsbezeichnungen „Manganin“, „Konstantan“ und „Zeranin“ angebotenen Materialien oder von den Eigenschaften her ähnliche Materialien genannt.
Es handelt es sich hierbei um spezielle „Widerstandsmaterialien“ (z.B. Metalllegierungen), die einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand besitzen, der nur wenig temperaturabhängig ist. Vorteilhaft wird damit erreicht, dass der zwecks Strommessung am Strommesswiderstand gemessene Spannungsabfall, d.h. die Messspannung, durch etwaige Temperaturschwankungen des Strommesswiderstands allenfalls wenig beeinflusst wird.
Derartige Temperaturschwankungen des Strommesswiderstands können insbesondere in mobilen Anwendungen (z.B. Leistungselektronik in einem Fahrzeug, z.B. Inverter) z.B. durch Schwankungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Darüber hinaus erzeugt der durch den Strommesswiderstand fließende Strom eine Verlustwärme, die bei zeitlich nicht konstantem Strom zu entsprechenden Temperaturschwankungen im Strommesswiderstand führt. Letzterer Effekt wird im Rahmen der Erfindung durch einen geringen thermischen Widerstand zwischen Strommesswiderstand und dessen Umgebung vorteilhaft reduziert.
Der Abgriff der am Strommesswiderstand abfallenden Messspannung bzw. ein hierfür erforderlicher Abgriff von Messpotentialen kann vorteilhaft z.B. mittels Bonddrähten bewerkstelligt sein, die jeweils mit einem Ende an der Stromschiene bzw. der Leiterbahn, jeweils in der Nähe des Strommesswiderstands, angebondet sind, wobei die jeweiligen anderen Enden der Bonddrähte insbesondere an einer Leiterbahn eines weiteren Schaltungsträgers (d.h. separat von dem die Leistungselektronik tragenden Schaltungsträger) angebondet sein kann, welcher eine entsprechende Auswerteelektronik trägt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein seitens der Stromschiene und/oder ein seitens der Leiterbahn befindliches vertikales Ende des Strommesswiderstands mit einer ein- oder mehrlagigen Anschlussschicht versehen ist.
Der Vorteil einer solchen Anschlussschicht aus einem Material, das sich vom „Kernmaterial“ (Widerstandsmaterial) des Strommesswiderstands unterscheidet, besteht darin, dass damit die mechanische und somit auch elektrische und thermische Anbindung des betreffenden vertikalen Endes des Strommesswiderstands an dem betreffenden Oberflächenabschnitt (der Stromschiene bzw. der betreffenden Leiterbahn) verbessert werden kann. Das Material jeder Anschlussschicht bzw. im Falle einer mehrlagigen Anschlussschicht die Materialien der einzelnen Lagen können dem konkreten Anwendungsfall angepasst bzw. optimiert gewählt werden, und zwar abhängig davon,

- welche Materialien über die Anschlussschicht miteinander zu verbinden sind (z.B. Kupferlegierung der Stromschiene mit Widerstandsmaterial des Strommesswiderstands, und Kupferlegierung der betreffenden Leiterbahn mit Widerstandsmaterial des Strommesswiderstands), und
- in welcher Weise (Verbindungstechnik) diese Materialien verbunden werden sollen.

In einer diesbezüglichen Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass die Verbindung des Strommesswiderstands seitens der Stromschiene und/oder seitens der betreffenden Leiterbahn mittels einer Verlötung eines betreffenden vertikalen Endes des Strommesswiderstands an dem betreffenden Oberflächenabschnitt realisiert ist. Gegebenenfalls kann in diesem Fall die Verlötbarkeit bzw. Qualität der Verlötung durch eine entsprechend gewählte Anschlussschicht verbessert werden. Auch kann die Verbindung des Strommesswiderstands seitens der Stromschiene und/oder seitens der Leiterbahn z.B. mittels einer Verschweißung realisiert sein. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Verbindung ist der Einsatz einer Verklebung (mit elektrisch leitfähigem Klebstoff). Auch in letzteren Fällen kann die Verschweißbarkeit bzw. Verklebbarkeit gegebenenfalls durch Vorsehen eine entsprechend gewählten jeweiligen Anschlussschicht verbessert werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verbindung des Strommesswiderstands seitens der Stromschiene und/oder seitens der Leiterbahn unter Verwendung einer Sinterschicht zwischen einem betreffenden vertikalen Ende des Strommesswiderstands und dem betreffenden Oberflächenabschnitt realisiert ist.
In einer speziellen, in vielen Anwendungsfällen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,

- dass die Verbindung des Strommesswiderstands seitens der Stromschiene mittels einer Verschweißung, insbesondere z.B. Ultraschallverschweißung, des betreffenden vertikalen Endes des Strommesswiderstands an dem Oberflächenabschnitt der Stromschiene realisiert ist, wobei zur Verbesserung der Verschweißbarkeit gegebenenfalls eine entsprechend gewählte Anschlussschicht an diesem Ende vorgesehen sein kann, und
- dass die elektrische Verbindung des Strommesswiderstands seitens der Leiterbahn mittels einer Sinterschicht zwischen dem betreffenden vertikalen Ende des Strommesswiderstands und dem Oberflächenabschnitt der Leiterbahn realisiert ist.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Dieses Verfahren zum Anordnen eines Strommesswiderstands in einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung umfasst folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines plattenförmigen Schaltungsträgers, der ein elektrisch isolierendes Substrat und an einer Flachseite des Substrats eine Leiterbahnanordnung aufweist,
b) Bereitstellen eines oder mehrerer leistungselektronischer Bauelemente und elektrisches Kontaktieren derselben mittels der Leiterbahnanordnung,
c) Bereitstellen und Anordnen einer zum Leiten eines elektrischen Stroms von oder zu einer Leiterbahn der Leiterbahnanordnung vorgesehenen Stromschiene derart, dass diese einen in einem vertikalen Abstand zu einer Flachseite der Leiterbahnanordnung befindlichen und im Wesentlichen parallel zu dieser Flachseite orientierten Oberflächenabschnitt aufweist,
d) Bereitstellen eines Strommesswiderstands und elektrisch miteinander Verbinden der Stromschiene und der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung über den Strommesswiderstand, umfassend ein Verbinden des Oberflächenabschnitts der Stromschiene mit einem ersten vertikalen Ende des Strommesswiderstands und ein Verbinden eines dem ersten vertikalen Ende des Strommesswiderstands entgegengesetzten zweiten vertikalen Endes des Strommesswiderstands mit einem Oberflächenabschnitt der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung.

Hinsichtlich der Durchführung des Schritts d) ist anzumerken, dass hierfür verschiedene Varianten möglich sind.
Beispielsweise kann gemäß einer ersten Variante vorgesehen sein, dass das Verbinden der Stromschiene mit dem betreffenden, d.h. ersten vertikalen Ende des Strommesswiderstands bereits durchgeführt wird, noch bevor die Stromschiene bezüglich des Schaltungsträgers angeordnet wird (d.h. in einem vertikalen Abstand zu einer Flachseite der Leiterbahnanordnung).
Gemäß einer zweiten Variante kann vorgesehen sein, dass das Verbinden des zweiten vertikalen Endes des Strommesswiderstands mit der Leiterbahn der Leiterbahnanordnung bereits durchgeführt wird, noch bevor die Stromschiene bezüglich des Schaltungsträgers angeordnet wird. Beispielsweise kann diese Anbindung des Strommesswiderstands an der Leiterbahnanordnung zusammen mit dem Schritt des elektrischen Kontaktierens des oder der leistungselektronischen Bauelemente mittels der Leiterbahnanordnung erfolgen, d.h. im Rahmen der Bestückung des Schaltungsträgers mit Bauelementen.
Gemäß einer dritten Variante kann vorgesehen sein, dass sowohl das Verbinden der Stromschiene mit dem Strommesswiderstand als auch das Verbinden des Strommesswiderstands mit der Leiterbahn erst durchgeführt werden, nachdem die Stromschiene bezüglich des Schaltungsträgers bereits angeordnet und befestigt wurde. In diesem Fall kann der Strommesswiderstand in den zwischen Stromschiene und Leiterbahn vorgesehenen Einbauort eingeschoben und angebunden werden (z.B. mittels Verlötung, Verschweißung, etc.).
Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hier beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, und umgekehrt.
Bei der Gestaltung des plattenförmigen Schaltungsträgers kann vorteilhaft aus an sich aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungen zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann der Schaltungsträger bzw. dessen elektrisch isolierendes Substrat ein rechteckiges Format besitzen, wobei im Hinblick auf die thermischen Anforderungen bei leistungselektronischen Schaltungsanordnungen in der Regel z.B. ein Substrat aus einem Keramikmaterial wie z.B. auf Basis von Aluminiumnitrid (AIN) oder z.B. auf Basis von Aluminiumoxid (Al₂O₃) vorteilhaft ist.
Falls eine Leiterbahnanordnung nur an einer der beiden Flachseiten des Substrats vorgesehen ist, so kann die andere Flachseite (Rückseite) des Substrats zwecks Wärmeabfuhr z.B. an einem Kühlkörper angebunden sein, z.B. mit dem Kühlkörper verklebt oder über eine an der Rückseite vorgesehene, z.B. metallische Schicht mit dem Kühlkörper verlötet. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein solcher Kühlkörper einen Kühlkanal aufweist, durch welches im Betrieb der Schaltungsanordnung ein Kühlmedium wie z.B. Kühlwasser fließen gelassen werden kann.
Bei dem oder den leistungselektronischen Bauelementen kann es sich insbesondere um Leistungshalbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren (z.B. MOS-FETs), Thyristoren etc. handeln. Insbesondere können an dieser Stelle z.B. in SiC (Siliziumkarbid)-Technologie gefertigte Halbleiterbauelemente vorgesehen sein. Darüber hinaus können je nach Anwendung andere Bauelemente und insbesondere auch passive Bauelemente wie Spulen, Kondensatoren etc. an der Flachseite des Substrats mittels der Leiterbahnanordnung elektrisch kontaktiert sein.
Die Stromschiene zum Leiten des elektrischen Stroms von oder zu der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung kann zumindest abschnittweise von Kunststoffmaterial, z.B. dem Material eines Gehäuses bzw. eines Gehäuseteils der Schaltungsanordnung umgeben bzw. ummantelt (z.B. umspritzt) sein.
An einem Gehäuse der Schaltungsanordnung können ein oder mehrere elektrische Anschlusseinrichtungen wie Steckverbinder(buchsen) etc. vorgesehen sein, über welche die Schaltungsanordnung in eine betreffende elektrische Umgebung integriert wird. Die Anschlusseinrichtung kann hierbei einen elektrischen Kontakt aufweisen, der elektrisch mit der Stromschiene verbunden ist, um den Strom durch das Gehäuse hindurch zur Stromschiene bzw. von der Stromschiene aus dem Gehäuse heraus zu leiten. Je nach Ausführung der Schaltungsanordnung können weitere solche Kontakte vorgesehen sein, etwa um darüber Versorgungspotentiale (Versorgungsspannung) oder elektrische Datensignale zu übertragen.
Eine bevorzugte Verwendung der Erfindung ist die Bereitstellung eines mehrphasigen, insbesondere z.B. dreiphasigen Inverters, in welchem dementsprechend mehrere (z.B. drei) Stromschienen vorhanden sind, über welche entsprechende Phasenströme vom Inverter an die betreffende elektrische Einrichtung (z.B. dreiphasige elektrische Antriebsmaschine) ausgegeben werden.
In diesem Fall kann z.B. vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung einen plattenförmigen Schaltungsträger aufweist, an welchem eine Leiterbahnanordnung und sämtliche Bauelemente zur Bildung des Inverters vorgesehen sind, wobei ferner eine entsprechende Mehrzahl (z.B. drei) von Stromschienen zum Leiten der einzelnen Phasenströme von oder zu jeweiligen (verschiedenen) Leiterbahnen der Leiterbahnanordnung vorgesehen sind. Je nach Bedarf können ein oder mehrere Strommesswiderstände in bereits beschriebener Weise eingebunden sein, um mit jedem solchen Strommesswiderstand einen jeweiligen Phasenstrom zu messen. Die Leistungselektronik des Inverters kann hierbei vorteilhaft z.B. in SiC-Technologie gefertigt sein.
Alternativ kann z. B. vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung mehrere (z.B. drei) plattenförmige Schaltungsträger aufweist, an welchen jeweils eine Leiterbahnanordnung und die Bauelemente zur Bildung nur eines jeweiligen Inverterteils (z.B. Halbbrücke zur Ausgabe eines Phasenstroms) vorgesehen sind, wobei ferner jeweils eine Stromschiene zum Leiten des betreffenden Phasenstroms von oder zu einer betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung vorgesehen ist. Je nach Bedarf können ein oder mehrere Strommesswiderstände in bereits beschriebener Weise eingebunden sein, um mit jedem solchen Strommesswiderstand einen jeweiligen Phasenstrom zu messen. Die mehreren Schaltungsträger und Stromschienen können hierbei in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
Ferner kann z. B. vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung eine Mehrzahl von Strommesswiderständen aufweist. In diesem Fall kann die Stromschiene die gleiche Mehrzahl von Stromschienenästen - also astförmig, zungenförmig oder armförmig von dem Hauptabschnitt der Stromschiene abstehend mit dem Hauptabschnitt einstückig gebildeten (End-)Abschnitte der Stromschiene - mit jeweils einem Oberflächenabschnitt aufweisen. Analog kann die betreffende Leiterbahn der Leiterbahnanordnung die gleiche Mehrzahl von Oberflächenabschnitten aufweisen. Dabei kann jeder der Strommesswiderstände jeweils zwischen dem jeweiligen Oberflächenabschnitt der jeweiligen Stromschienenäste der Stromschiene und einem jeweiligen Oberflächenabschnitt der betreffenden Leiterbahn zwischengefügt sein und mit dem jeweiligen Oberflächenabschnitt der jeweiligen Stromschienenäste der Stromschiene und dem jeweiligen Oberflächenabschnitt der betreffenden Leiterbahn körperlich und elektrisch verbunden bzw. kontaktiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:

1 eine Seitenansicht einer Schaltungsanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 eine Draufsicht der Schaltungsanordnung von 1,
3 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung von 1,
4 eine Draufsicht einer Schaltungsanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels, und
5 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung von 4.

Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung 10, aufweisend

- einen plattenförmigen Schaltungsträger 12, der ein elektrisch isolierendes Substrat 14 und an einer Flachseite 15 des Substrats 14 eine Leiterbahnanordnung 16 und ein oder mehrere mittels der Leiterbahnanordnung 16 elektrisch kontaktierte leistungselektronische Bauelemente 18 aufweist,
- eine Stromschiene 20 zum Leiten eines elektrischen Stroms von oder zu einer Leiterbahn der Leiterbahnanordnung 16 des Schaltungsträgers 12, und
- einen Strommesswiderstand („Shunt“) 22, über den die Stromschiene 20 und die betreffende Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Messung des Stroms durch Abgriff einer am Strommesswiderstand 22 abfallenden Messspannung zu ermöglichen.

Im dargestellten Beispiel sei angenommen, dass die Schaltungsanordnung 10 als ein Teil eines Inverters zur getakteten Bestromung eines dreiphasig bestromten Elektromotors in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist, wobei die Stromschiene 20 der Schaltungsanordnung 10 dazu vorgesehen ist, im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 einen gepulsten Strom (z.B. PWM-Phasenstrom) zu führen, dessen Stromstärke Werte von mehr als 250 A annehmen kann. Die Stromschiene 20 stellt hierbei einen Abschnitt einer elektrischen Leitungsverbindung dar, über welche einer der drei Phasenströme des Elektromotors geführt wird.
Das elektrisch isolierende Substrat 14 ist im Beispiel aus einem Keramikmaterial auf Basis von Aluminiumnitrid (AlN) gebildet, wobei die den Bauelementen 18 abgewandte andere Flachseite (Rückseite) des Substrats 14 zwecks Wärmeabfuhr flächig an einem (nicht dargestellten) Kühlkörper (z.B. aus Aluminium- oder Kupfermaterial) angebunden ist, z.B. verklebt oder über eine an der Rückseite vorgesehene, z.B. metallische Schicht mit dem Kühlkörper verlötet.
Eine vorteilhafte Besonderheit der Schaltungsanordnung 10 besteht darin, dass die Stromschiene 20 einen in einem vertikalen Abstand „d“ zu einer Flachseite 24 der Leiterbahnanordnung 16 befindlichen und parallel zu dieser Flachseite 24 orientierten Oberflächenabschnitt 26 aufweist, und dass der Strommesswiderstand 22 zwischen diesem Oberflächenabschnitt 26 der Stromschiene 20 und einem Oberflächenabschnitt 28 einer betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung 16 zwischengefügt und mit diesen Oberflächenabschnitten 26, 28 verbunden ist.
Dies ermöglicht eine gute elektrische und thermische Anbindung des Strommesswiderstands 22 bei gleichzeitig kostengünstiger Aufbau- und Verbindungstechnik. Der Strommesswiderstand 22 wird hierbei in Vertikalrichtung (orthogonal zur Ebene des Schaltungsträgers 12, als „vertikaler Shunt“) vom Strom durchflossen, wobei der Strommesswiderstand 22 in thermischem Kontakt nicht nur zu einem angrenzenden Abschnitt der Stromschiene 20 steht, sondern darüber hinaus auch zur Leiterbahnanordnung und somit dem in der Regel z.B. gut kühlbaren Substrat 14 des Schaltungsträgers 12.
Die Stromschiene 20 ist zur Gewährleistung einer ausreichend hohen Strombelastbarkeit im dargestellten Beispiel ist als ein Profilteil aus einer Kupferlegierung mit einer Querschnittsfläche von ca. 40 mm² ausgebildet.
Der Querschnitt ist im Beispiel rechteckig (z.B. ca. 2 mm x 20 mm), wobei der besagte, zur Anbindung des Strommesswiderstands 22 vorgesehene, parallel zur Flachseite 24 der Leiterbahnanordnung 16 orientierte Oberflächenabschnitt 26 der Stromschiene 20 an einer langen Seite des rechteckigen Querschnitts vorgesehen ist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine eine relativ großflächige Anbindung des Strommesswiderstands 22 und begünstigt außerdem eine kompakte Bauform der Schaltungsanordnung 10 mit relativ geringem vertikalen Bauraumerfordernis.
Der vertikale Abstand „d“ zwischen dem Oberflächenabschnitt 26 der Stromschiene 20 und der Flachseite 24 der Leiterbahnanordnung 16 beträgt im Beispiel ca. 2 mm und trägt ebenfalls vorteilhaft zur Erzielung einer kompakten Bauform bei.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass über den Verlauf der Stromschiene betrachtet der vertikale Abstand zur Flachseite der Leiterbahnanordnung hin variiert, insbesondere sich zu einem Ende der Stromschiene hin, an welchem der besagte Oberflächenabschnitt vorgesehen ist, verringert. Dies kann z.B. im Hinblick auf einen bestimmten konstruktionsbedingt gewünschten weiteren Verlauf der Stromschiene vorteilhaft sein.
Der Strommesswiderstand 22 ist im Beispiel plättchenförmig ausgebildet, d.h. mit einer Querabmessung, die mehr oder weniger deutlich größer ist, als die im Beispiel ca. 2 mm betragende Vertikalausdehnung (Höhe). Mit in vertikaler Richtung betrachtet einheitlichem rechteckigem Querschnitt des Strommesswiderstands 22 (siehe 2) ist der Strommesswiderstand 22 in diesem Fall quaderförmig.
Der Strommesswiderstand 22 besteht im Beispiel größtenteils (z.B. zu mehr als 95%, insbesondere mehr als 98% des Volumens) aus einer Metalllegierung, die einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand besitzt (z.B. in der Größenordnung von etwa 10⁰ bis 10^-1 Ω mm²/m), der nur wenig temperaturabhängig ist, wie z.B. ein unter der Handelsbezeichnung „Manganin“, „Konstantan“ oder „Zeranin“ angebotenes oder ein von den Eigenschaften her ähnliches Material.
Dieses Material bildet gewissermaßen den funktionalen Kern des Strommesswiderstands 22, wobei im Beispiel sowohl ein seitens der Stromschiene 20 befindliches vertikales Ende (in 1 oben) und ein seitens der betreffenden Leiterbahn befindliches vertikales Ende (in 1 unten) des Strommesswiderstands 22 mit einer jeweiligen Anschlussschicht 30, 32 versehen ist.
Jede der beiden z. B. jeweils ein- oder mehrlagig ausgebildeten und jeweils aus einem sich vom „Kernmaterial“ (Widerstandsmaterial) unterscheidenden Material ausgebildeten Anschlussschichten 30, 32 gewährleistet im Beispiel eine jeweils gute mechanische, elektrische und thermische Anbindung des betreffenden vertikalen Endes des Strommesswiderstands 22 an dem betreffenden Oberflächenabschnitt 30 (der Stromschiene) bzw. 32 (der Leiterbahn).
Das Material jeder Anschlussschicht 30, 32 bzw. im Falle einer mehrlagigen Anschlussschicht die Materialien der einzelnen Lagen können dem konkreten Anwendungsfall optimiert gewählt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sei z.B. angenommen, und bei einer Auswahl der Anschlussschichten 30, 32 zu berücksichtigen, dass eine Kupferlegierung der Stromschiene 22 über die Anschlussschicht 30 mit dem Widerstandsmaterial (Metallegierung) des Strommesswiderstands 22 und eine weitere Kupferlegierung (der betreffenden Leiterbahn) über die Anschlussschicht 32 mit diesem Widerstandsmaterial des Strommesswiderstands 22 zu verbinden ist.
Im Beispiel ist vorgesehen, dass die Verbindung seitens der Stromschiene 20 mittels einer Ultraschallverschweißung realisiert ist, wobei die Anschlussschicht 30 zur Verbesserung der resultierenden Verschweißungsqualität entsprechend gewählt ist, wohingegen die Anschlussschicht 32 eine Sinterschicht darstellt, die in einem Sinterprozess zur Anbindung des Strommesswiderstands 22 seitens der Leiterbahn gebildet wird.
Ein Verfahren zum Anordnen des Strommesswiderstands 22 in der Schaltungsanordnung 10 kann z.B. folgende Schritte umfassen:

a) Bereitstellen des plattenförmigen Schaltungsträgers 12, der das elektrisch isolierende Substrat 14 und an (wenigstens) einer Flachseite 15 des Substrats 14 eine Leiterbahnanordnung 16 aufweist, die in herkömmlicher Weise z.B. Leiterbahnen aus metallischem Material (hier z.B. Kupfermaterial) umfassen kann.
b) Bereitstellen eines oder mehrerer leistungselektronischer Bauelemente 18, wie z.B. Dioden, Transistoren (z.B. Bipolar oder FET), Thyristoren, Spulen, Kondensatoren etc., und elektrisches Kontaktieren dieser Bauelemente mittels der Leiterbahnanordnung 16, z.B. in herkömmlicher Weise durch Verlöten von Bauteilanschlüssen an der Leiterbahnanordnung 16.
c) Bereitstellen und Anordnen der Stromschiene 20 derart, dass diese den im vertikalen Abstand d zur Flachseite 24 der Leiterbahnanordnung 16 befindlichen und zumindest wenigstens annähernd parallel zu dieser Flachseite 24 orientierten Oberflächenabschnitt 26 aufweist.
d) Bereitstellen des Strommesswiderstands 22 und elektrisch miteinander Verbinden der Stromschiene 20 und der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung 16 über den Strommesswiderstand 22 mittels
d1) Verbinden des Oberflächenabschnitts 26 der Stromschiene 20 mit einem ersten (in 1 oberen) vertikalen Ende des Strommesswiderstands 22, im Beispiel mittels der Verschweißung an der Anschlussschicht 30, und
d2) Verbinden des entgegengesetzten zweiten (in 1 unteren) vertikalen Endes des Strommesswiderstands 22 mit dem Oberflächenabschnitt 28 der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung 16, im Beispiel mittels Sintern einer dazwischen angeordneten Anschlussschicht 32.

Die vorstehend angegebenen Schritte und deren einzelne Teilschritte müssen hierbei nicht unbedingt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Vielmehr ergeben sich für die konkrete Reihenfolge zahlreiche Varianten.
Im dargestellten Beispiel ist beispielsweise eine Variante vorgesehen, bei der das zweite (in 1 untere) vertikale Ende des Strommesswiderstands 22 über die Sinterschicht 32 mit der Leiterbahn der Leiterbahnanordnung 16 verbunden wird, noch bevor die leistungselektronischen Bauelemente 18 an der Leiterbahnanordnung 16 aufgelötet werden und noch bevor die Stromschiene 20 bezüglich des Schaltungsträgers 12 angeordnet und befestigt wird. Zwecks Befestigung der Stromschiene 20 in der in 1 dargestellten Anordnung kann diese z.B. abschnittweise von Kunststoffmaterial eines (nicht dargestellten) Gehäuses bzw. eines Gehäuseteils der Schaltungsanordnung 10 umgeben bzw. ummantelt werden.
Zum Verbinden des zweiten (in 1 unteren) vertikalen Endes des Strommesswiderstands 22 kann die in 1 dargestellte Anschlussschicht 32 zunächst als Sinterrohling angeordnet und sodann durch geeignete Temperierung gesintert und hierbei fest mit den angrenzenden Materialien, d.h. einerseits mit dem Material der Leiterbahn und andererseits mit dem Widerstandsmaterial verbunden werden. Alternativ zu einem festen (gepressten) Sinterrohling kommt an dieser Stelle auch der Einsatz eines pastösen, die entsprechenden Sinterpartikel enthaltenden Mittels in Betracht (z.B. „Sinterpaste“), welches vor dem Anordnen des Strommesswiderstands 22 an dessen zweiten vertikalen Ende und/oder dem Oberflächenabschnitt 28 der Leiterbahnanordnung 16 aufgetragen wird.
Zum Ultraschallverschweißen des ersten (in 1 oberen) vertikalen Endes des Strommesswiderstands 22 (Anschlussschicht 30) kann wie in 1 dargestellt eine auf die Stromschiene 20, an deren der Anschlussschicht 30 abgewandten Seite, eine Sonotrode 36 aufgesetzt werden.
Ganz allgemein kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Anordnen eines Strommesswiderstands dieser im Rahmen seiner Herstellung an einem oder beiden seiner Enden bereits mit einer jeweiligen Anschlussschicht wie im Beispiel den Anschlussschichten 30, 32 versehen sein (z.B. Metallisierungsschicht), bevor dieser im Verfahren eingesetzt wird. Alternativ kann auch wenigstens eine solche Anschlussschicht im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet werden.
3 zeigt ein Schaltbild einiger wesentlicher Komponenten der in den 1 und 2 gezeigten Schaltungsanordnung 10, welche im Beispiel wie bereits erwähnt einen Teil eines Inverters für einen dreiphasig bestromten Elektromotor ausbildet. Im dargestellten Beispiel ist dies eine aus zwei MOS-FETs (Bauelemente 18) gebildete Halbbrücke zur Erzeugung eines Phasenstroms, der über den Strommesswiderstand 22 und die daran angeschlossene Stromschiene 20 ausgegeben wird. Über eine (nicht dargestellte) an der Schaltungsanordnung 10 sich anschließende elektrische Weiterverbindung (z.B. elektrische Steckverbindung(en), Kabelbaum, etc.) fließt im Betrieb des Inverters der betreffende von drei Phasenströmen zu einem zugeordneten Phasenanschluss des Elektromotors. Die Stromschiene 20 stellt demnach einen Abschnitt einer elektrischen Leitungsverbindung dar, über welche der betreffende Phasenstrom des Elektromotors geführt wird.
Da dieser Strom auch durch den Strommesswiderstand 22 fließt, lässt sich die Stromstärke durch Abgriff und Auswertung einer am Strommesswiderstand 22 abfallenden Messspannung ermitteln. Für diese Strommessung werden wie aus den 1 bis 3 ersichtlich zwei Potentiale U1 und U2 abgegriffen und einer (nicht dargestellten) Auswerteschaltung der Schaltungsanordnung 10 zur Bestimmung der Potentialdifferenz (=abgegriffene Messspannung) „U2 - U1“ und somit Bestimmung der (dazu proportionalen) Stromstärke zugeführt.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Auswerteschaltung bei der Ermittlung der Stromstärke gegebenenfalls eine oder mehrerer weitere Messgrößen wie z.B. eine für die Temperatur des Strommesswiderstands 22 repräsentative Messgröße berücksichtigen kann. Die Auswerteschaltung wie auch z.B. eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der in 3 gezeigten Halbbrücke (leistungselektronische Komponenten) können auf einem separaten Schaltungsträger ausgebildet sein.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist der Abgriff der Messspannung U2 - U1 bzw. der Abgriff der einzelnen Messpotentiale U1, U2 mittels Bonddrähten 38 (für U1) und 40 (für U2) bewerkstelligt, über welche die Messpotentiale U1, U2 zu der Auswerteschaltung übertragen werden. Die Bonddrähte 38, 40 können in an sich bekannter Weise z.B. aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium bzw. einer entsprechenden Metalllegierung bestehen.
Für eine möglichst exakte und möglichst reproduzierbare (d.h. weniger von Herstellungstoleranzen abhängige) Strommessung ist es von Vorteil, wenn die Bonddrähte 38, 40 jeweils nicht unmittelbar an dem Material der vertikalen Enden des Strommesswiderstands 22 angebondet sind (Bondstellen), sondern diese Bondstellen wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ersichtlich jeweils am Material der angrenzenden Komponenten, d.h. Leiterbahn (für U1) bzw. Stromschiene (für U2) vorgesehen sind.
Für die konkrete Anordnung der Bondstelle an der Leiterbahn ist es zumeist ferner von Vorteil, wenn diese Bondstelle entlang der Leiterbahn betrachtet an einem Abschnitt der Leiterbahn vorgesehen ist, welcher nicht von dem Strom durchflossen wird bzw. diese Bondstelle sich bezüglich des Strommesswiderstands 22 somit auf einer dem stromdurchflossenen Abschnitt der Leiterbahn abgewandten Seite des Strommesswiderstands 22 befindet.
Analoges gilt für die konkrete Anordnung der Bondstelle an der Stromschiene 20. D.h. hier ist es zumeist von Vorteil, wenn die Bondstelle entlang der Stromschiene 20 betrachtet an einem Abschnitt der Stromschiene 20 vorgesehen ist, welcher nicht von dem Strom durchflossen wird bzw. diese Bondstelle sich bezüglich des Strommesswiderstands 22 somit auf einer dem stromdurchflossenen Abschnitt der Stromschiene 20 abgewandten Seite des Strommesswiderstands 22 befindet. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, ist die Stromschiene 20 in diesem Beispiel gewissermaßen über den Bereich des Strommesswiderstands 22 hinaus etwas verlängert ausgeführt, so dass an diesem „überstehenden“ (nicht stzromdurchflossenen) Abschnitt der Stromschiene 20 der Bonddraht 40 angeschlossen werden kann.
Für die Schaffung des dreiphasigen Inverters werden drei Schaltungsanordnungen 10 der in den 1 bis 3 dargestellten Art zusammen mit einer gemeinsam genutzen Steuerelektronik (zur Ansteuerung der MOS-FETs, z.B. gemäß eines PWM-Ansteuerschemas) sowie ggf. der erwähnten Auswerteschaltung kombiniert. In diesem Fall umfasst der Inverter drei plattenförmige Schaltungsträger 10, an welchen jeweils eine Leiterbahnanordnung 16 und die Bauelemente 18 zur Bildung nur eines jeweiligen Inverterteils (Halbbrücke zur Ausgabe eines Phasenstroms) und ferner jeweils nur eine Stromschiene 20 zum Leiten des betreffenden Phasenstroms vorgesehen sind.
Je nach Bedarf können in einem solchen Inverter ein oder mehrere Strommesswiderstände 22 in bereits beschriebener Weise eingebunden sein, um mit jedem solchen Strommesswiderstand 22 den jeweiligen Phasenstrom zu messen. Die mehreren Schaltungsträger 12 und Stromschienen 22 können hierbei in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die obige Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.
Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer leistungselektronischen Schaltunganordnung 10a, in Darstellungen entsprechend den 2 und 3.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 besitzt eine Stromschiene 20a der Schaltunganordnung 10a gemäß dieses weiteren Beispiels eine Verzweigung in mehrere, im dargestellten Beispiel zwei, Stromschienenäste derart, dass die Stromschiene 20a an den Enden dieser Stromschienenäste jeweilige Oberflächenabschnitte 26a-1, 26a-2 aufweist, die sich jeweils in einem vertikalen Abstand zu einer Flachseite 24a einer Leiterbahnanordnung 16a befinden und parallel zu dieser Flachseite 24a orientiert sind.
Außerdem weist die Schaltunganordnung 10a entsprechend der Anzahl an Stromschienenästen zwei Strommesswiderstände 22a-1, 22a-2 auf, über die die jeweiligen Stromschienenäste der Stromschiene 20a mit jeweiligen Leiterbahnen der Leiterbahnanordnung 16a elektrisch verbunden sind, um Messungen der über die Stromschienenäste fließenden Ströme durch Abgriff der an den Strommesswiderständen 22a-1, 22a-2 abfallenden (im Beispiel zwei) Messspannungen U21 - U11 und U22 - U12 zu ermöglichen.
Analog zum oben bereits beschrieben Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist auch bei der Schaltunganordnung 10a gemäß dieses weiteren Beispiels vorgesehen, dass der jeder der Strommesswiderstände 22a-1, 22a-2 zwischen dem jeweiligen Oberflächenabschnitt 26a-1, 26a-2 des betreffenden Stromschienenasts der Stromschiene 20a und einem jeweiligen Oberflächenabschnitt 28a-1, 28a-2 einer betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung 16a zwischengefügt und mit diesen Oberflächenabschnitten 26a-1 bzw. 26a-2, 28a-1 bzw. 28a-2 verbunden ist. Diese Anbindungen der Strommesswiderstände 22a-1, 22a-2 können jeweils so vorgesehen sein bzw. im Rahmen eines Verfahrens zum Anordnen mehrerer (z.B. zwei) Strommesswiderstände in einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung bewerkstelligt werden, wie dies bereits mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 beschrieben wurde.
Bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel können die zwei Potentialdifferenzen U21 - U11 und U22 - U12 bzw. die zwei entsprechenden Messpotentialpaare U11, U21 und U12, U22 wieder mittels Bonddrähten 38a-1, 40a-1, 38a-2, 40a-2 zu einer Auswerteschaltung der Schaltunganordnung 10a übertragen werden, welche somit die Stromstärke des durch die Stromschiene 20a fließenden elektrischen Stroms bestimmen kann (als Summe der beiden durch die einzelnen Stromschienenäste fließenden Teilströme). Die (nicht dargestellte) Auswerteschaltung ist in diesem Beispiel vorteilhaft auf einem separaten Schaltungsträger (kostengünstiger als der Schaltungsträger 12a mit keramischem Substrat 14a) angeordnet.
Ein Vorteil der Ausführung mit einer verzweigten Stromschiene wie in den 4 und 5 gezeigt besteht z.B. darin, dass jeder der Strommesswiderstände 22a-1, 22a-2 geringer belastet wird und somit z.B. kleiner dimensioniert werden kann, als dies der Fall wäre bei Verwendung nur eines einzigen Strommesswiderstands wie im ersten Beispiel (1 bis 3). Außerdem kann eine durch die Strommessung erzeugte Verlustwärme aufgrund der räumlichen Verteilung der mehreren Strommesswiderstände 22a-1, 22a-2 in der Regel noch besser abgeführt werden.
Ein weiterer Unterschied der Schaltungsanordnung 10a zu dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 besteht darin, dass über den Verlauf der Stromschiene 20a betrachtet ein vertikaler Abstand zwischen Stromschiene 20a und Flachseite 24a der Leiterbahnanordnung 16a sich zu den Enden der Stromschienenäste hin verringert. Im Beispiel weist die Stromschiene 20a, im Beispiel im Bereich der beiden Stromschienenäste, hierzu entsprechend abgewinkelte Verlaufsabschnitte auf.
Ein noch weiterer Unterschied der Schaltungsanordnung 10a zum bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass ein Querschnitt jedes der Strommesswiderstände 22a-1, 22a-2 kreisrund ist. Mit diesem, im Beispiel in vertikaler Richtung betrachtet einheitlichen, Querschnitt ergibt sich für jeden Strommesswiderstand 22a-1, 22a-2 dann eine zylindrische Form.
Bezugszeichenliste

10: Schaltungsanordnung
12: Schaltungsträger
14: Substrat
15: Flachseite des Substrats
16: Leiterbahnanordnung
18: Bauelement(e)
20: Stromschiene
d: vertikaler Abstand
22: Strommesswiderstand (Shunt)
U1: Messpotential
U2: Messpotential
24: Flachseite der Leiterbahnanordnung
26: Oberflächenabschnitt der Stromschiene
28: Oberflächenabschnitt der Leiterbahn
30: Anschlussschicht
32: Anschlussschicht
36: Sonotrode
38: Bonddraht
40: Bonddraht

Claims

Leistungselektronische Schaltungsanordnung (10), aufweisend - einen plattenförmigen Schaltungsträger (12), der ein elektrisch isolierendes Substrat (14) und an einer Flachseite (15) des Substrats (14) eine Leiterbahnanordnung (16) und ein oder mehrere mittels der Leiterbahnanordnung (16) elektrisch kontaktierte leistungselektronische Bauelemente (18) aufweist, - eine Stromschiene (20) zum Leiten eines elektrischen Stroms von oder zu einer Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16) des Schaltungsträgers (12), und - einen Strommesswiderstand (22), über den die Stromschiene (20) und die betreffende Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Messung des Stroms durch Abgriff einer am Strommesswiderstand (22) abfallenden Messspannung zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, - dass die Stromschiene (20) einen in einem vertikalen Abstand (d) zu einer Flachseite (24) der Leiterbahnanordnung (16) befindlichen und im Wesentlichen parallel zu dieser Flachseite (24) orientierten Oberflächenabschnitt (26) aufweist, und - dass der Strommesswiderstand (22) zwischen dem genannten Oberflächenabschnitt (26) der Stromschiene (20) und einem Oberflächenabschnitt (28) der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16) zwischengefügt und mit diesen Oberflächenabschnitten (26, 28) körperlich und elektrisch verbunden ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Stromschiene (20) als ein Profilteil aus metallischem Material ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Querschnitt der Stromschiene (20) eine Fläche von mindestens 20 mm² oder mindestens 50 mm² besitzt.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der vertikale Abstand (d) des Oberflächenabschnitts (26) der Stromschiene (20) von der Flachseite (24) der Leiterbahnanordnung (16) mindestens 0,5 mm oder 1 mm beträgt, und maximal 10 mm oder maximal 5 mm beträgt.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Strommesswiderstand (22) plättchenförmig mit in vertikaler Richtung betrachtet einheitlichem Querschnitt ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein seitens der Stromschiene (20) befindliches vertikales Ende und/oder ein seitens der betreffenden Leiterbahn befindliches vertikales Ende des Strommesswiderstands (22) mit einer einlagigen oder mehrlagigen Anschlussschicht (30, 32) versehen ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die körperliche und elektrische Verbindung des Strommesswiderstands (22) seitens der Stromschiene (20) und/oder seitens der betreffenden Leiterbahn mittels Verlöten, Versintern, Verschweißen, Vernieten, Verschrauben oder Verkleben eines betreffenden vertikalen Endes des Strommesswiderstands (22) an dem betreffenden Oberflächenabschnitt (26, 28) realisiert ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die körperliche und elektrische Verbindung des Strommesswiderstands (22) seitens der Stromschiene (20) und/oder seitens der betreffenden Leiterbahn unter Verwendung einer Sinterschicht (32) zwischen einem betreffenden vertikalen Ende des Strommesswiderstands (22) und dem betreffenden Oberflächenabschnitt (26, 28) realisiert ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - die Schaltungsanordnung (10) eine Mehrzahl von Strommesswiderständen (22a-1, 22a-2) aufweist; - wobei die Stromschiene (20) die gleiche Mehrzahl von Stromschienenästen mit jeweils einem Oberflächenabschnitt (26a-1, 26a-2) aufweist; - die betreffende Leiterbahn die gleiche Mehrzahl von Oberflächenabschnitten (28a-1, 28a-2) aufweist; - wobei jeder der Strommesswiderstände (22a-1, 22a-2) jeweils zwischen dem jeweiligen Oberflächenabschnitt (26a-1, 26a-2) der jeweiligen Stromschienenäste der Stromschiene (20a) und einem jeweiligen Oberflächenabschnitt (28a-1, 28a-2) der betreffenden Leiterbahn zwischengefügt und mit dem jeweiligen Oberflächenabschnitt (26a-1, 26a-2) der jeweiligen Stromschienenäste der Stromschiene (20a) und dem jeweiligen Oberflächenabschnitt (28a-1, 28a-2) der betreffenden Leiterbahn körperlich und elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Anordnen eines Strommesswiderstands (22) in einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung (10), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines plattenförmigen Schaltungsträgers (12), der ein elektrisch isolierendes Substrat (14) und an einer Flachseite (15) des Substrats (14) eine Leiterbahnanordnung (16) aufweist, b) Bereitstellen eines oder mehrerer leistungselektronischer Bauelemente (18) und elektrisches Kontaktieren derselben mittels der Leiterbahnanordnung (16), c) Bereitstellen und Anordnen einer zum Leiten eines elektrischen Stroms von oder zu einer Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16) vorgesehenen Stromschiene (20) derart, dass diese einen in einem vertikalen Abstand (d) zu einer Flachseite (24) der Leiterbahnanordnung (16) befindlichen und im Wesentlichen parallel zu dieser Flachseite (24) orientierten Oberflächenabschnitt (26) aufweist, d) Bereitstellen eines Strommesswiderstands (22) und elektrisches miteinander Verbinden der Stromschiene (20) und der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16) über den Strommesswiderstand (22), umfassend ein körperliches und elektrisches Verbinden des Oberflächenabschnitts (26) der Stromschiene (20) mit einem ersten vertikalen Ende des Strommesswiderstands (22) und ein körperliches und elektrisches Verbinden eines dem ersten vertikalen Ende des Strommesswiderstands (22) entgegengesetzten zweiten vertikalen Endes des Strommesswiderstands (22) mit einem Oberflächenabschnitt (28) der betreffenden Leiterbahn der Leiterbahnanordnung (16).