TW201131176A - Circuit device and power circuit having the circuit device - Google Patents

Description

201131176 、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種電‘路裝置， 容納該積體電路的1C殼體，線路， 具有：一積體電路、一個

這些線路延伸通過該1C 殼體或在該1C殼體上延伸，此 換回路，特別是半橋式電路， 裝置。 外本發明還關於一種功率切 它具有至少一個上述的電路 【先前技術】 橋式電路用在許多用途’例如驅動器中及作電流轉 換，在驅動器中的應用特別是在控制無電刷式的電馬達， 例如在油電混合式（Hybrid)汽車或電動車，以及用在電飼服 轉向或在家務及工業用途。在電流轉換的領域的應用特別 用在控制直流·直流（DC_DC)㈣器或直流_交流轉換器。 在這類用途，一般希望製造成本低，且功率損失少。 橋式電路-般有-上橋式路線及一下橋式路線，它們 利用切換裝置輪流地被一上參考電壓及一下參考電壓通 過。在此，須確實防止上、下路線之間短路，這種短路至 ;會導致錯誤功能或使切換回物損壞。為此，一般調整一 段無效時間（T〇tzeit)，特別是—固^的無效時間，: 時間内…下橋路線都不活動’由於有此無效時間:’、電 路的調整範圍一般要設計成比原來的電橋功能所 大0 用 美專利US 2004/0037097 A1提到—種系統及方法， 201131176 :將電！的扭曲(Verzerrung)作補償，.並將 的限制減到最小（此限制係由於功率轉換裝置中的電路元: =電^無料^丨起者）。這些電路元件特料為刷心它 提議一種考慮脈波寬度調變（PWM))循環的四分法（象限） (Quadrant)的方法，以將無效時間作補償。在此使用一裝置 以檢出輸出的功率電流的極性㈣，俾依此檢出結 功率半導體元件. 在功率路線中測定極性變化或所造成的電流已可使無 效時間減少。此外，系統的正確功能藉著測量半橋式電路 的電μ而監視，俾作對安全很重要的應用，例如電伺服轉 向（駕駛）（Serv〇lenkung’ 英：serv〇-steering)。 要測量功率路線中的實際電流，1習知技術特別使用旁 路（Shunt)電阻’其中在此很小歐姆值的電阻測電壓降並 由此得到電流強度。此旁路電阻可做在外面，或為此整合 之開關回路的一部分。在此二情形+，特別是在具有高電 位差的系統中，例如油電混合車（Hybrid_Fahrzeug)或電動 車’就有一種需求，將此電位差與該下降的電壓的測量作 業解輕（entkoppeln，英：decouple)(脫釣），這種電壓的解 輕作用一般只能利用附加的傳輸器（tTbertrager)〔例如光輕 合器（Optokoppler)〕達成，因此硬體成本可觀。這種電流測 量的構造的另一缺點在於在旁路電阻上由於電壓降造成功 率損失’這些損失的功率又轉換成熱，必須作因應導離， 且會電路效率變差。此外，對於此電阻的準確性及低的溫 度相依性有很高的要求。 4 201131176 基本上習知技術有測量電流而不接合在所要測量的電 流回路的方式。在此，可利用磁性感測器技術，例如霍爾 感測器、AMR或GMR感測器測量由電流產生磁場。這其中 方法的一缺點為結構離散（diskret)，它需要附加的元件或構 件設在電路載體上，因此製造功夫較繁複，且製造成本較 高，且電路板較大，這點特別對於尺寸很計較的用途特別 不利。 【發明内容】 依本發明，係在一0體電路中將一作無接觸方式測量 電流的感測器裝置形成或整合，它可使通過該IC殼體的功 率導線中的電流強度能測量。 因此依本發明，可避免所要測量的功率路線與用於測 量電流的感測器裝置接觸或作電耦合。此感測器裝置可別 作磁性檢出，例如呈霍爾感測器或AMR或gmr感測器的 方式。由於整合到積體電路（1C)中，故不需附加之離散的構 件。所要測的「功率電流」流經一導線（它延伸通過ic殼 體），此導線可特別有利地為所模製進去（einm〇lden，英： moulded-in)或鑄入（eingiej5en，英：cast_in)的導線架 (Leadframe)的一導線路（Lead)，因此它不會和ic的其他導 線路接觸，而係、用於形成所要測量的功率電流的導線路 線因此依本發明，該功率路線呈與ic電絕緣或電解耦的 方式延伸通過該IC封裝或Ic殼體。 «玄外界的功率半導體開關元件也可由該ic控制，因此 201131176 依本發明做一功率切換 ^ 、路在s亥回路中，1C擔任該功率 干等體切換元株沾祕立, 二制以及測量由它所切換的功率電流。 依本發明可達成—此 „ ,01 φ _ 二優點，匕不會像在使用旁路電阻 及測電壓降時發生，l u , ·· 的功率的損失。依此不必使用附 加的外界元件，田^ 測㈣關之硬體花f及成本可省卻。感 、…全整合在封裝的積體切換回路中。在此，舉 例而言，霍爾感測器可利用適當的半導體區域形成。 —由於感測态裝置整合到控制晶片中，故信號路徑很 多旦，此外，如丨卜少欠 ， 名Ρ附加的構件。對於電磁波耦入的敏 感性可保持很小，#中’舉例而言，也可將二個霍爾感測 :设在功率電流路線兩側，且可測量其差i，藉此可將可 此重疊之均勻磁場計算出或不齊作測量。 由於依本發明’該積體電路做成與功率開關分離，故 P使不使用叩貴的光耦合器也可作完全的電解耦。在此， 舉例而β，整個功率切換回路可利用.二個積體電路做成， 換。之將具有感測器裝置與控制回路的本發明積體電路 裝置做成一晶片（Baustein)，而另一積體電路具有該功率半 導體切換元件或橋式電路，此外，對於電路載體（例如電路 板）的面積需或由於高度整合而可減到最少。 式 方 施 實 1〜圖3顯示依本發明的電路裝置的不同實施例上視 圖或透視圖’亦即顯示所有上下重疊的水平面，其中圖5 〜圖6顯示對應的垂直.剖面圖。 201131176 依圖1的電路裝置（i)有一積體電路（2)〔以下稱Ic (2)〕，它因而具有整合在一共同基材（特別是一矽基材）中的 元件。依圖5, IC⑺實利用一枯著層削到—金屬製的晶 片容納板（3)〔它稱為「蹼」（paddle)〕上。由ic(2)及晶7 谷納板（3)構成的設置係;_容納在一導線架（6)〔它具有單獨的 導線路（導線）（7a)(7b)〕上並隨該導線架—起•或模製到 - 1C殼體⑺（IC封裝導線路係為接觸導㈣（接觸導 線）（7a)與功率導線路（功率導線）（7b^接觸導線路（74〔在 圖2中以顯示四條作代表為例〕與IC(2)接觸，且以習知方 式延伸㈣K：殼體⑺，其中它們向夕形^子㈣ (AnSchlusspin)〔接腳（Beinchen)〕〇la)以與 ic(2)接觸之 點-般利用結合連接部(金屬絲結合部）（8)達成。舉例而 言，這種結合連接部示於圖丨和圖5巾。功轉線路⑽ 延伸過1C殼體（5)而使和IC (2)接觸〔換言之，與π⑺呈 電絕緣〕’且對應地在/卜面形成端子接腳（11b)，以利用結 合連接部接觸。 '° 因此該結合連接部⑻和一部分的接觸導線路⑽及功 率導線路（7b)模製到該㈣膠模材料構成的ic殼體⑺中。 架（6)的一中央區域⑽上利用—絕緣層⑼容納晶片 谷讀（3)及1C(2)〔特别見圖1〕。在此，圖5並非以實際 比例大小顯示區域或層(2)〜(9)，俾能較詳細地顯示立構造。 絕緣層（9则藉著將—料膜貼料線架，、 的背側上而造成。 ， 在晶片容納板（3)中宜形成至少—凹隙（1〇)，這點在不同 7 1 201131176 實施例中可用不同方式達成；由於在圖1〜圖3的上視圖 中，晶片容納板（3)被IC (2)蓋住，故這些圖中凹隙只用虛 線表示，因此該1C (2)在此凹隙（1〇)$區域中下方不被晶片 容納板（3)的金屬遮住。 在1C (2)中將感測器裝置（12a)〇2b)整合進去，感測器 裝置（12a)(12b)可特別為霍爾感測器（12a)(12b)，且用習知方 式由1C (2)的上側形成。舉例而言，可各將一適合之半導體 層作構造化當作霍爾感測器（12a)(l2b)，該層在施加一磁場 時，由於其電荷載體的影響，形成一霍_電壓，此霍爾電 壓被一分析切換裝置（14)〔它在圖丨中只示意圖示且係整合 在1C (2)中〕接收及分析。因此，依圖丨，感測器裝置（123)(12匕) 將「測量jg號」（S1)(S2)送到分析切換裝置（14)。 霍爾感測器裝置（12a)( 12b)可特別呈平面狀做在矽晶圓 的表面中。在圖中所示之感測器裝置(12a)(12b)(設計成霍 爾感測器的形式）它們除了沿Z方向垂直地錯開外，還沿側 向（亦即在XY平面中）對功率導線（7b)錯開。當設計成例 AMR或GMR感測器形式時，可作另類設置，例如直接垂直 沿Z方向在功率導線（7b)上方，俾各測量一最大的場並發出 一最大的測量信號（S1)(S2)。 因此’感測器裝置（123)(121))在圖6中係沿垂直方向（2 方向）設在功率導線（7b)上方。此外，當感測器裝置（丨2a)(丨2b) 5又4成霍爾感測器時，它們更沿側向（亦即在圖1所示的χγ 平面中）對所要測的功率導線（7b)錯開。有一功率電流IL (負 載電流）流經功率導線（7b)。它繞功率導線（7b)產生一圖6中 201131176 所示的磁場⑽，其走勢以習知方式利用所謂的右手定律說 明。在磁場（16)也依圖6沿垂直的2方向朝上延伸通過IC(2) 的矽材料-直到感測器裝置(12a)〇2b)。因此，根據圖”斤 示一感測器裝置（12a)( 12b)設在功率導線（7b)兩側。因此 它們（12a)(12b)係和磁場（16)反向，因此產生測量信號 (S1)(S2)，它們代表沿不同方向的磁場，在此依圖卜舉例 而言，下方的感測器裝置(12b)的信號較大，因為此處功率 導線（7b)設計& U形或半開放的料，因&功率導線（71?)的 區域沿X方向及沿γ方向相鄰，但其中沿χ方向相鄰的區 域〔它們構成功率導線（7b)的U形的腿部〕的值在對稱的設 置的情形中基本上也可求出。 基本上，一個單一的感測器裝置（12a)(它設計成霍爾感 測器的形式）已沿側向設在一功率導線（7b)旁。在圖丨〜圖3 中所不之感測器裝置（12a)(i2b)或（I2c)(12d)的例子係設在 功率導線（7b)或（7c)或（7d)兩側，因此它們可感測磁場（16) 的相反朝向，這種方式很有利，因為隨後可產生信號（S1) 及（S2)或其值的差，換言之，產生一差動測量信號，因此可 將附加之大面積均勻磁場的可能的影響減掉，在此得知， 在此差刀h號中，干擾的影響（例如垂疊的均勻磁場或非準 確對的暫時性干擾）不會發生或小得多。因此對抗外界均勻 的干擾場有較佳的強固性（R0bustheit)。 如不採用上示的實施例，該金屬晶片容納板（3)也可設 et成無凹隙（1 〇) ’因此如果它由非鐵磁性金屬形成，因此不 會影響磁場（1 6)或不會有關地影響磁場，則該容納板也可延 201131176 伸到功率導線（7bm IC(2)之間的區域，如此，在 板中由於漏電流形成而造成磁 曰曰^ 使信號變弱。 的暫時改變作用可部分地 圖2顯示另—實施例’其中在導線架⑹中，除了功率 導線（7b)外形成另一功率導 ’、率 手導線（7c)，:在其中有一功率電流 (IL2)流動，其中設有對應的感測器枣置n2c⑷, 率路線（7e)中的功率電流（IL2)，特別是如圖2所示呈 ^器裝置⑽)⑽)相關或對稱的設置，以測量功率導線⑺ 中的第-功率電術因此，如果該晶片容納板(3)非如上 由非磁性材料製成，則對應地在晶片容納板（3)中設另一凹 隙（10)。 圖3.顯示另-實施例’其中功率導線⑽並非如圖工及 圖2由具U形設計的1(:⑺的一側供、，而係在導_: 中在1C (2)下方貫行通過，因此晶片容納板⑺舉例而言在 -中央區域有一凹隙(10)，或有一貫行的凹隙。在這種設 計’該設計成霍爾感測器的感測器裝置(12a)(12b)對應地沿 側向（換s之，此處係沿X方向）和功率路線（7句間隔一距離 形成’且沿Z方.向在該路線上方形成。 圖4顯示一本發明的半橋式電路（2〇)，它有一圖3的電 路裝置（1)’其中該功率導線（7d)為广功率路線（22)的一部 分’換言之’與功率路線（22)之相關導線接觸，且該ic (2) 的適合的接觸導線（7a)與控制導線（24a)(24b)接觸，利用該 控制導線控制功率開關（26)(27) ’功率開關的功率端子與功 率路線（22)接觸。對應地，也可在圖4中使用和圖1或圖2 201131176 不同的實施例或構造。因此依圖示的設計，功率開關（26)(27) 舉例而言可為MOSFET，其閉極（26_0)和（27_〇)與控制導線 (24a)(24b)接觸，且各將-功率端子〔例如源極端子（心） 及（27-1)施「供應電壓」v +和v_，並將其他功率端子〔換 言之，此處為排極端子（26_2)及（27_2)〕接 對應地也可用其他設計，例如只具有-功率„(=(或)更 複雜的-又计有關的一點為，在功率開關裝置（26)(27)的場 合，係利用接觸導線（7a)或資料導線作控制〔它們與”（2) 接觸〕，且流過功率路線（22)的功率電流（IL)通過導線架（幻 的一功率導線（7d)〔或巧或乃〕，且因此與⑴（2)呈電解 耦。 ； 依圖4所示實施例，一負載（30)接到功率路線（22)，且 其另-端子舉例而言係接地(31)。〔接地端(31)〕目此該K (2)的感測器裝置〔圖顯示（12a)(12b)〕測量流過功率導 4· ( d)的電抓il，且對應地將上述測量信號(s i )(s2)輸出到 刀析裝置(14) ’舉例而言，分析裝置依圖丄〜圖3將信號μ @ &#關的驅動||電路（34) ’它將相關的控制信號 (S4)(S5)輸出到控制^r線（24a)(24b)以控制功率開關 (26)(27)。 力率開關（26)(27)(例如設計成M〇SFET或Ι〇ΒΤ)可整 口在另1C (36)中’它在圖4中呈功能方式用虛線表示。 C (2)和（36)可一齊裝在一電路載體上並用於控制 (30)。 私 圖示的半導體可·姑_ 守·J特別用在一電壓轉換裝置中，例如一 201131176 DC-DC轉換器（直接電壓轉換器）或—用於將交流電或三相 電流轉換成直流電的整流電橋（AC_DC轉換器）。在此，一 1C (2)可利用適當數目的感測器裝置（12a)(12b)(12c)(12d) 測量數個功率路線中的功率電流，因此，例如在具有三個 交流電壓相位的三相電流作整流時，可測量三個功率電流 以及控制相關數目（例如六個）的電路裝置，以將該數個相位 或數個功率路線切換。 6 因此’圖4的半電橋（2〇)可用於控制轉向可反轉的馬 達，因此舉例而言，負載（3〇)為一電馬達。因此流經負载（30) 的電流IL利用其造成之磁場（16)由感測器裝置（12a)(l2b)測 畺且可由分析裝置（14)得出，俾對應ΐ也控制驅動器裝置（34) 或一控制電路。 因此1C (2)或該1C (2)的分析電路裝置（14)可準確測 量所造成之電流（IL)及在開關的控制反轉前的無效時間，因 此依本發明，無效時間可很短。 因此該1C (2)可共同地當作組合的測量裝置及電路裝 置，或當作調節回路以將適當的功率電流作測量，切換一^ 調整’例如用在一半電橋電路（20)或其他功率電路中。、 【圖式簡單說明】 具有一個功率路 圖1係依第一實施例的一電路裝置， 線的測量手段； 圖2係依第二實施例的一電路裝置， 線的測量手段； 具有二個 功率路 12 201131176 線的 手段 圖3係依另一實施例的一電路裝置，具有一個功率路 測量手段； 圖4係一半橋式電路，具有整合之電解耦的電流測量 ，它係本發明功率切換回路的一實施例； 圖5係沿圖3的線V-V的一垂直剖面圖或截面圖； 圖6係沿圖3的線VI-VI的一剖面圖。 【主要元件(1)(2) (3) (4) (5)(6) (6 a) (7a) (7b) (7c) (7d)(8) (9)(10) (11a) (lib) 號說明】 電路裝置 積體電路（IC) 晶片容納板 粘著層 1C殼體 導線架 中央區域 導線（導線路） 導線（導線路） 導線（導線路） 導線（導線路） 結合連接部 絕緣層 凹隙 端子接腳 端子接腳 (接觸導線路） (功率導線路） (功率導線路） (功率導線路）

S 13 201131176 (12a) 感測器裝置（霍爾感測器） (12b) 感測器裝置（霍爾感測器） (12c) 感測器裝置（霍爾感測器） (12d) 感測器裝置（霍爾感測器） (14) 分析切換裝置 (16) 磁場 (20) 半橋式電路（半電橋） (22) 功率路線 (24a) 控制導線 (24b) 控制導線 (26) 功率開關 (26-1) 源極端子 (26-2) 排極端子 (27-1) 源極端子 (27-2) 排極端子 (27) 功率開關 (30) 負載 (31) 接地端 (34) 驅動 (36) 1C (SI) 測量信號 (S2) 測量信號 (S3) 信號 (S4) 控制信號 14 201131176 (S5) 控制信號 (IL) 功率電流（負載電流） (IL1) 功率;電流（負載電流） (IL2) 功率電流（負載電流）

S 15

Claims (1)

1. 201131176 七、申請專利範圍： 1·一種電路裝置，具有： 一積體電路（2)， ’ 一個容納此積體電路（2)的ic殼體（5)， 線路（7a)(7b)(7c)(7d)，這些線路延伸通過該1C殼體（5) 或在該1C殼體上延伸， 其特徵在： 這些線路中至少有一線路為一種不與該積體電路（3)接 觸的功率電路（7b)(7c)(7d)，且 該基體電路（2)有一感測器裝置（12a)(i2b)(12c)(12d)， 以將一股流過該功率導線（7b)(7c)(7d)的電流（IL)(IL1)(IL2) 以無接觸的方式測量。 2.如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中： 該延伸通過該〖C殼體（5)的導線（7a)(7b)(7c)(7d)包含接 觸導線路（7a)及至少一個形成該功率導線的功率導線路 (7b)(7c)(7d)，該導線路為一共同導線架（6)的部分，該導線 架部分地熔入或模製到該1C殼體（5)，並向外形成端子接腳 (Πa)(l lb)以和外面接觸，其中該積體電路與該接觸導線 路（7a)接觸且與功率導線路（7b)(7c)(7d)呈電解耦方式。 3·如申請專利範圍第2項之電路裝置，其中： 該功率導線路（7a)在積體電路（2)上方或下方延伸，且可 在該1C忒體（5)的二個對立側利用端子接腳（7d)接觸，或半 開放地在積體電路（2)上方或下方延伸且在可該IC殼體（5) 的一側利用端子接腳（7b)接觸。 201131176 4. 如申請專利範圍第1或第2項之電路裝置，其中： 至少一功率導線（7b)(7c)(7d)由外穿過該1C殼體（5)/ 直延伸到該積體電路（2)上方或下方為止且該積體電路（2)利 用至少一絕緣層（9)(例如一粘上的膜）作電絕緣。 5. 如申請專利範圍第1或第2項之電路裝置，其中： 該至少一感測器裝置（12a)(12b)(12c)(12d)設計成用於 測量磁場（16)，例如呈霍爾感測器裝置、AMR或GMR感測 器裝置的形式。 6. 如申請專利範圍第5項之電路裝置，其中： 該積體電路（2)至少有二個設計成霍爾感測器形式的感 測器裝置（12a)(12b)(12c)(12d)，它們各沿垂直方向（z)及一 個側方向(χ)(γ)設成與功率線路（7b)(7c)(7d)錯開，其中該 二感測器裴置（l2a)(l2b)(12c)(12d)設在功率線路 (7b)(7c)(7d)兩側，使該?感測器裝置可沿互相反向的朝向測 量該功率導線（7b)(7c)(7d)的磁場（16)。 7. 如申請專利範圍第1或第2項之電路裝置，其中： 該積體電路（2)有一分析電路裝置（14)以將由至少一感 測器裝置（12a)(12b)(12c)(12d)輸出的測量信號 (S 1)(S2)(S3)(S4)接收及分析。 丨 8. 如申請專利範圍第6項之電路裝置，其中： 該分析電路裝置（4)產生該二感測器裝置 (12a)(12b)(12c)(12d)的測量信號（si)(S2)的差。 、 9·如申請專利範圍第7項之電路裝置，其中： 該分析裝置（4)將無效時間測量出來，在 +、二無欢時間 S 17 201131176 中，設有相關的功率電流（IL)(IL1)(IL2)流過該至少一功率 導線（7b)(7e)(7d) ’且依該無效時間的測定而定輸出開關裝 置（26)(27)用的控制信號（S4)(35)以將功率電流 (IL)(IL1)(IL2)的極性反轉。 1〇.如申請專利範圍第1或第2項之電路裝置，其中： 該積體電路（2)有一控制電路，例如一驅動器電路（34), 以輸出控制彳§號（S4)(S5)以控制至少一開關裝置（26)(27)， 該開關裝置將流過該至少一功率導線（7b)(7c)(7d)的電流 (IL)(IL1)(IL2)切換。 11. 如申请專利範圍第10項之電路裝置，其中： 該控制電路（34)依該由感測器裝j(12a)(12b)(12c)(12d) 測量之流過功率導線（7b)(7c)(7d)的電流（IL)(IL1)(IL2)而定 輸出控制信號（S4)(S5)以控制該開關裝置（26)(27)。 12. 如申請專利範圍第1或第2項之電路裝置，其中： 該積體電路（2)粘合到一金屬晶片容納板（3)上，該容納 板在功率導線（7b)(7c)(7d)上方或下方在感測器裝置 (12a)(12b)(12c)(12d)的區域中有一凹隙（1〇)。 13. —種功率切換回路（2〇)，特別是半橋式電路，具有 至少： 一個依前述申請專利範圍任一項的電路裝置（丨）， 一個開關裝置（26)(27)，它具有至少一半導體開關構 件，其控制輸入端（26-0)(27-0)經由該電路裝置（！）的端子接 腳（7a)控制，且將通過一功率路線（22)的一功率電漭 (IL)(IL 1 )(IL2)切換，該功率路線（22)至少部分地延伸過功率 18 201131176 導線（7b)(7c)(7d)，其中該感測器裝置（12a)(12b)(12c)(I2d) 測量該功率電流（IL)且該積體電路（2)的一控·制電路（34)控 制此控制輸入端（26-0)(27-0)， 其中該至少一個半導體開關構件（26)(27)與該積體電路 (2)呈電解耦。 14如申請專利範圍第13之功率切換回路，其中： 構 電 該功率切換回路為-種具有二個串聯的半導體開斯 件（26)(27)的半橋式電路（2〇)， 4 / . /、係用於一電馬達或在- k/電壓轉換器中的控&電 A广& 将別用於DC-DC轉換3! AC-DC轉換器或三相電流整流器。 、°' 八、圖式： (如次頁） S 19