WO2011064024A1 - Schaltungseinrichtung und leistungsschaltkreis mit der schaltungseinrichtung - Google Patents

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Werner Schiemann
Franziska Kalb
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Definitions

  • Bridge circuits are used in a variety of applications, e.g. in drives and for power conversion.
  • Applications in the drive are particularly in the driving of brushless electric motors, e.g. in hybrid or electric vehicles, as well as in electric power steering or in household and industrial applications.
  • Applications in the field of power conversion are especially in the control of DCDC or DCAC converters.
  • the bridge circuits generally have upper and lower bridge paths that alternately switch through upper and lower reference voltages through switching devices.
  • a short circuit between the upper and lower path which can lead to at least a malfunction or even to the destruction of the circuit, safely prevent.
  • a dead time in particular a fixed dead time is set, in which neither the upper nor the lower bridge path are active. By this dead time, the control range of the circuit is generally designed to be larger than would be required for the actual bridge function.
  • US 2004/0037097 A1 discloses a system and method for compensating for the voltage distortion and for minimizing the limitation on the available voltage range caused by the circuit dead time of circuit components in power conversion devices.
  • the circuit components may in particular be IGBTs. There will be a Considering the quadrant of a PWM cycle proposed to compensate for the dead time. In this case, a device for detecting the polarity change of the output power current is used in order to perform the activation of the power semiconductor components as a function of this detection.
  • the correct operation of the system can be monitored by measuring the currents of the half-bridge circuits to provide safety-critical applications, such as, e.g. to operate an electric power steering.
  • shunt resistors For measuring the actual current in the power path, in particular the use of shunt resistors is known, wherein the voltage drop is measured at these very low-resistance resistors and from this the current intensity is deduced.
  • the shunt resistors can be realized externally or be part of the integrated circuit. In both cases, especially in systems with high potential differences, such as hybrid or electric vehicles, the requirement exists to decouple these potential differences from the measurement of the falling voltage. Such a voltage decoupling can generally only by additional transformers, eg optocouplers done, so that the hardware cost is considerable.
  • a further disadvantage of such a structure for measuring current is the power loss which occurs at the shunt resistor due to the voltage drop, whereby this power loss is in turn converted into heat, which is dissipated accordingly and would impair the efficiency of the circuit. Furthermore, there are high demands on the accuracy and low temperature dependence of this resistance.
  • Current measurements without electrical connection to the circuit to be measured are known in principle. Magnetic sensor technology, eg Hall, AMR or GMR sensors, can be used to measure the magnetic field caused by the current.
  • a disadvantage of this method is the discrete structure, which requires additional components or components on the circuit carrier, so that thereby a higher production cost and higher Here production costs and an increase in the circuit board are effected, which is disadvantageous in particular for size-critical applications.
  • a sensor device for contactless current measurement is formed or integrated in an integrated circuit, which enables the measurement of a current intensity in a power line running through the IC housing.
  • the sensor device can perform a magnetic detection, e.g. as a Hall sensor or possibly as an AMR or GMR sensor.
  • the power current to be measured flows through a line passing through the IC package;
  • This line can be particularly advantageously a lead of the molded or embedded leadframe, which is thus not used as other leads for contacting the IC, but to form the power path for the measured power current.
  • a power path that is galvanically isolated from the IC or decoupled runs through the IC packaging or the IC package.
  • the control of the external power semiconductor switching elements can be done by the IC, so that according to the invention a power circuit is realized in which the IC takes over both the control of the power semiconductor switching elements and the measurement of the switched through this power.
  • the invention provides some advantages. There is no additional power dissipation, as occurs when using shunt resistors and measuring a voltage drop. The use of additional external components with the associated hardware and cost is eliminated.
  • the sensor device can be fully integrated into the packaged integrated circuit. the. In this case, for example, Hall sensors can be formed by suitable semiconductor regions.
  • the integrated circuit is realized separately from the circuit breakers, a complete galvanic decoupling is made possible without the extensive use of opto-couplers.
  • the entire power circuit can be realized by two integrated circuits, i. the integrated circuit device according to the invention with the sensor devices and the drive circuit as a component and a further integrated circuit with the power semiconductor switching elements or the bridge circuit.
  • the area requirement on the circuit carrier, e.g. a PCB which minimizes high integration.
  • FIG. 1 shows a circuit device according to a first embodiment, with the measurement of a power path
  • Fig. 2 shows a circuit device according to another
  • FIG. 3 shows a circuit device according to another
  • Fig. 4 shows a half-bridge circuit with integrated galvanically decoupled current measurement, as an embodiment of a power circuit according to the invention
  • Fig. 5 shows the vertical section or section along the line VV in Fig. 3;
  • Fig. 6 shows the section Vl-Vl in Fig. 3rd
  • FIGS. 1 to 3 show plan views through the inventive circuit device according to different embodiments, i. showing all superimposed horizontal planes, wherein the figures 5 and 6 reproduce corresponding vertical sections.
  • the circuit device 1 according to FIG. 1 has an integrated circuit 2 (in the following IC 2), which thus has components integrated in a common substrate, in particular a silicon substrate. 5, the IC 2 is advantageously glued by means of an adhesive layer 4 on a generally designated as the paddle chip receiving plate 3 made of metal.
  • This arrangement of the IC 2 and the chip-receiving plate 3 is taken on a lead frame 6 with individual leads (lines) 7 a and 7 b and molded or molded with this in an IC package 5 (IC packaging).
  • the leads are contact leads 7a and power leads 7b.
  • the bond connections 8 and a part of the contacting leads 7a and power leads 7b are thus molded into the IC housing 5 formed of plastic molding material.
  • the chip receiving plate 3 together with IC 2 is received via an insulating layer 9, as can be seen in particular from FIG. 5.
  • the representation of FIG. Rich or layers 2 to 9 not to scale again to reproduce the structure in more detail.
  • the insulation layer 9 can be made in particular by gluing an insulating film on the lead frame 6 or the back of the IC 2.
  • the chip receiving plate 3 is advantageously formed at least one recess 10, which can be done differently in the various embodiments; Since the chip-receiving plate 3 is hidden in the plan views of Fig. 1 to 3 of the IC 2, the recesses are shown here only by dashed lines. The IC 2 is thus not shielded in the region of this recess 10 down from the metal of the chip-receiving plate 3.
  • Sensor devices 12a, 12b are integrated in the IC 2.
  • the sensor devices 12a, 12b may in particular be Hall sensors 12a, 12b and be formed in a manner known per se from the upper side of the IC 2.
  • Hall sensors 12a, b e.g. in each case be structured a suitable semiconductive layer which forms upon application of a magnetic field by influencing their charge carriers a Hall voltage, which is recorded and evaluated by an in Fig. 1 only schematically indicated, integrated in the IC 2 evaluation switching device 14. According to FIG. 1, the sensor devices 12a, 12b thus output measurement signals S1, S2 to the evaluation switching device 14.
  • the Hall sensor devices 12a, 12b can be realized in particular planar in the surfaces of the silicon wafer. In the illustrated embodiment of the sensor devices 12a, 12b as Hall sensors, they are laterally, i.e. laterally, i. within the XY plane to the power lead 7b, in addition to the vertical offset in the Z direction.
  • AMR or GMR sensor can be a different arrangement, e.g. directly vertically in the Z direction above the power lead 7b to measure a maximum field and to output a maximum measurement signal S1, S2, respectively.
  • the sensor devices 12a, 12b are thus arranged in FIG. 5, 6 in the vertical direction (Z direction) above the power leads 7b.
  • the sensor devices 12a, 12b are designed as Hall sensors, they are furthermore lateral, ie offset in the XY plane drawn in FIG. 1, offset from the power output to be measured.
  • lead 7b arranged.
  • a power current IL load current
  • It generates around the power lead 7b around a magnetic field 16 indicated in FIG. 6, the course of which is described in a manner known per se by the so-called right-hand rule.
  • the magnetic field 16 extends in the vertical Z-direction in FIG. 6 also upwards through the silicon material of the IC 2 to the sensor devices 12a, 12b.
  • the sensor devices 12a and 12b Due to the arrangement of the two sensor devices 12a and 12b shown in FIG. 1 on both sides of the power lead 7b, the sensor devices 12a and 12b thus see opposite directions of the magnetic field 16 and thus provide measurement signals S1, S2 which reproduce magnetic fields in different directions.
  • the lower sensor device 12b can see a somewhat larger signal in terms of magnitude, since the power lead 7b is here U-shaped or a half-open loop and thus regions of the power lead in both the X and Y directions 7b are adjacent, but in principle the contributions of the adjacent X-direction line portions, which thus represent parts of the legs of the U-shape of the power lead 7b, should be found out in a symmetrical arrangement.
  • the attachment of a single sensor device 12a designed as a Hall sensor already extends laterally next to a power lead 7b.
  • the arrangement of the sensor devices 12a, 12b or 12c, d shown by way of example in FIGS. 1 to 3 on both sides of the power lead 7b or 7c or 7d, so that they sense opposite orientations or orientations of the magnetic field 16, is advantageous since a difference of the signals S1 and S2 or their signal values, ie a differential measurement signal can be formed and thus any existing contributions of an additionally superimposed large-area, homogeneous magnetic field can be subtracted out.
  • interference such as e.g. a superimposed homogeneous magnetic field or temporary disturbances, which are not exactly symmetrical, do not occur in the differential signal or occur significantly less.
  • an improved robustness against an external homogeneous interference field is achieved.
  • the metal chip-receiving plate 3 can also be formed without the recess 10 and thus also extend into the region between the power lead 7b and the IC 2, if it is formed from a non-ferromagnetic metal and thus the magnetic field 16 is not affected or not relevant, in which case possibly temporal changes of the magnetic field by eddy current training in the chip receiving plate 3 can cause a partial attenuation of the signal.
  • 2 shows a further embodiment in which a further power lead 7c, in which a power current IL2 flows, is formed in the leadframe 6 in addition to the power lead 7b, wherein corresponding sensor devices 12c, 12d for measuring the power current IL2 in the power path 7c are formed, preferably as shown in Fig.
  • a further recess 10 is correspondingly provided in the chip receiving plate 3, if this is not made of non-magnetic material as described above.
  • Fig. 3 shows a further embodiment in which a power lead 7d is not supplied as in Fig. 1 and 2 from one side of the IC 2 with a U-shaped configuration, but in the lead frame 6 extends continuously below the IC 2, so that the Chip receiving plate 3 z. B. has a recess 10 in a central region, or also has a continuous recess.
  • the sensor devices designed as Hall sensors are
  • FIG. 4 shows a half-bridge circuit 20 according to the invention, which has a circuit device 1 according to FIG. 3, wherein the power lead 7 d is part of a power path 22, ie contacted with corresponding lines of the power path 22, and further suitable contact leads 7 a of the IC 2 with drive lines 24 a , b are contacted, with which power switches 26, 27 are actuated whose power terminals are contacted with the power path 22. Accordingly, in Fig. 4, the other embodiments of Fig. 1 or 2 or other structure can be used.
  • the power switches 26, 27 can thus be eg MOSFETs whose gates 26-0 and 27-0 are in contact with the drive lines 24a, 24b and in each case one power connection, eg the source connections 26-1 and 27-1 are set to supply voltages V + and V- and their respective further Power connection, ie here the drain terminals 26-2 and 27-2, are placed on the power path 22. Accordingly, other training is possible, for example, only with a circuit breaker 26, or more complex training.
  • a load 30 is connected to the power path 22 and with its further connection e.g. placed on earth 31.
  • the sensor devices 12a, 12b of the IC 2 which are only indicated in FIG. 4, can measure the current IL flowing through the power lead 7d and correspondingly output the above-described measurement signals S1, S2 to the evaluation device 14, which may be e.g.
  • signals S3 to a corresponding driver circuit 34 outputs the corresponding drive signals S4, S5 on the drive line 24a, 24b for driving the power switches 26, 27 outputs.
  • circuit breaker 26, 27 may be integrated in a further IC 36, which is indicated by dashed lines in Fig. 4 as a functional block.
  • the ICs 2 and 36 can thus be mounted together on a circuit carrier and serve to drive the load 30.
  • the half-bridge circuit 20 shown can be used in particular in a voltage conversion device, e.g. a DC-DC converter (DC-DC converter) or a rectifier bridge for the conversion of AC or AC to DC (AC-DC converter) can be used.
  • a voltage conversion device e.g. a DC-DC converter (DC-DC converter) or a rectifier bridge for the conversion of AC or AC to DC (AC-DC converter)
  • an IC 2 may measure, by a suitable number of sensor devices 12a, b, c, d, ..., the power currents IL in a plurality of power paths, e.g. in rectification of a three-phase alternating current thus by measuring three power currents and driving a corresponding number of z. B.
  • the half-bridge 20 of FIG. 4 can thus serve to control a motor with reversal of rotation, so that the load 30 is, for example, an electric motor.
  • the current IL flowing through the load 30 is thus measured by its resulting magnetic field 16 from the sensor devices 12a, 12b and can be used by the evaluation switching device 14 to drive the driver circuit 34 or a drive circuit accordingly.
  • the IC 2 or the evaluation switching device 14 of the IC 2 can thus accurately measure the realized currents IL and their dead times before reversing the activation of the switches 26, 27, so that very short dead times can be realized according to the invention.
  • the IC 2 can thus generally serve as a combined measuring and switching device or as a control circuit for measuring and switching or setting suitable power currents, for. B. in a half-bridge circuit 20 or other power circuits.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung (1), die aufweist: eine integrierte Schaltung (2), ein die integrierte Schaltung (2) aufnehmendes IC-Gehäuse (5), Leitungen (7a, 7b), die durch das oder an dem IC-Gehäuse (5) verlaufen und vorzugsweise Leads eines Leadframes (6) sind. Mindestens eine der Leitungen ist eine nicht mit der integrierten Schaltung (2) kontaktierte bzw. galvanisch entkoppelte Leistungsleitung (7b), wobei die integrierte Schaltung (2) eine Sensoreinrichtung (12a, b) zur kontaktlosen Messung eines durch die Leistungsleitung (7b) fließenden elektrischen Stroms (IL,) aufweist, z. B. zwei beidseitig der Leistungsleitung (7b) angeordnete Hallsensoren.

Description

Beschreibung
Titel
Schaltunqseinrichtunq und Leistunqsschaltkreis mit der Schaltunqseinrichtunq Stand der Technik
Brückenschaltungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z.B. in Antrieben und zur Stromwandlung. Anwendungen im Antrieb liegen insbesondere bei der Ansteuerung von bürstenlosen Elektromotoren, z.B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, sowie in elektrischen Servolenkungen oder auch in Haushalts- und Industrieanwendungen. Anwendungen im Bereich der Stromwandlung liegen insbesondere bei der Ansteuerung von DCDC- oder DCAC-Wandlern.
Bei derartigen Anwendungen werden im Allgemeinen geringe Herstellungskosten und eine geringe Verlustleistung angestrebt.
Die Brückenschaltungen weisen im Allgemeinen einen oberen und einen unteren Brückenpfad auf, die durch Schalteinrichtungen alternierend eine obere und eine untere Bezugsspannung durchschalten. Hierbei ist ein Kurzschluss zwischen dem oberen und unteren Pfad, der zumindest zu einer Fehlfunktion oder auch zur Zerstörung des Schaltkreises führen kann, sicher zu verhindern. Hierzu wird im Allgemeinen eine Totzeit, insbesondere eine feste Totzeit eingestellt, in welcher weder der obere noch der untere Brückenpfad aktiv sind. Durch diese Totzeit ist der Regelbereich der Schaltung im Allgemeinen größer auszulegen, als es für die eigentliche Brückenfunktion erforderlich wäre.
Die US 2004/0037097 A1 zeigt ein System und ein Verfahren zum Kompensieren der Spannungsverzerrung und zum Minimieren der Einschränkung des verfügbaren Spannungsbereichs, welche durch die Schaltungstotzeit von Schal- tungskomponenten in Leistungsumwandlereinrichtungen hervorgerufen werden.
Die Schaltungskomponenten können insbesondere IGBTs sein. Es wird ein Ver- fahren der Berücksichtigung der Quadranten eines PWM-Zyklus vorgeschlagen, um die Totzeit zu kompensieren. Hierbei wird eine Einrichtung zum Detektieren des Polaritätswechsels des ausgegebenen Leistungsstroms eingesetzt, um in Abhängigkeit von dieser Detektion die Ansteuerung der Leistungshalbleiterkom- ponenten vorzunehmen.
Eine Bestimmung des Polaritätswechsels bzw. des resultierenden Stroms im Leistungspfad ermöglicht bereits eine Verringerung der Totzeit. Weiterhin lässt sich die korrekte Funktion des Systems durch Messung der Ströme der Halbbrü- ckenschaltungen überwachen, um sicherheitskritische Anwendungen wie z.B. eine elektrische Servolenkung zu bedienen.
Zur Messung des tatsächlichen Strom im Leistungspfad ist insbesondere der Einsatz von Shunt-Widerständen bekannt, wobei der Spannungsabfall an diesen sehr niederohmigen Widerständen gemessen und hieraus auf die Stromstärke geschlossen wird. Die Shunt-Widerstände können extern realisiert werden oder auch Teil des integrierten Schaltkreises sein. In beiden Fällen ist insbesondere in Systemen mit hohen Potenzialdifferenzen, wie z.B. Hybrid- oder Elektrof ahrzeugen, das Erfordernis gegeben, diese Potenzialdifferenzen von der Messung der abfallenden Spannung zu entkoppeln. Eine derartige Spannungsentkopplung kann im Allgemeinen nur durch zusätzliche Übertrager, z.B. Optokoppler erfolgen, so dass der Hardware-Aufwand erheblich ist. Ein weiterer Nachteil eines derartigen Aufbaus zur Strommessung besteht in der am Shunt-Widerstand durch den Spannungsabfall entstehenden Verlustleistung, wobei diese Verlust- leistung wiederum in Wärme umgewandelt wird, die entsprechend abzuführen ist und den Wirkungsgrad der Schaltung verschlechtern würde. Weiterhin bestehen hohe Anforderungen an die Genauigkeit und eine geringe Temperaturabhängigkeit dieses Widerstands. Strommessungen ohne elektrische Anbindung an dem zu vermessenden Stromkreis sind grundsätzlich bekannt. Hierbei kann durch Magnetsensortechnologie, z.B. Hall-, AMR- oder GMR-Sensoren das durch den Strom hervorgerufene Magnetfeld gemessen werden. Ein Nachteil dieser Methode ist der diskrete Aufbau, der zusätzliche Komponenten bzw. Bauelemente auf dem Schaltungsträger erforderlich macht, so dass hierdurch ein höherer Herstellungsaufwand und hö- here Herstellungskosten sowie eine Vergrößerung der Leiterplatte bewirkt werden, was insbesondere für größenkritische Anwendungen nachteilhaft ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird in einer integrierten Schaltung eine Sensoreinrichtung zur kontaktlosen Strommessung ausgebildet bzw. integriert, die die Messung einer Stromstärke in einer durch das IC-Gehäuse verlaufenden Leistungsleitung ermöglicht.
Somit kann erfindungsgemäß eine Kontaktierung bzw. galvanische Kopplung des zu vermessenden Leistungspfades mit der zur Strommessung dienenden Sensoreinrichtung vermieden werden. Die Sensoreinrichtung kann insbesondere eine magnetische Detektion vornehmen, z.B. als Hallsensor oder gegebenenfalls als AMR- oder GMR-Sensor. Durch die Integration in die integrierte Schaltung
(IC) sind keine zusätzlichen diskreten Bauelemente erforderlich. Der zu messende Leistungsstrom fließt durch eine Leitung, die durch das IC-Gehäuse verläuft; diese Leitung kann auf besonders vorteilhafterweise ein Lead des eingemoldeten bzw. eingegossenen Leadframes sein, der somit nicht wie andere Leads zur Kontaktierung des ICs, sondern zur Ausbildung des Leistungspfades für den zu messenden Leistungsstrom eingesetzt wird. Erfindungsgemäß verläuft somit ein galvanisch von dem IC getrennter bzw. entkoppelter Leistungspfad durch die IC- Verpackung bzw. das IC-Gehäuse. Auch die Ansteuerung der externen Leistungs-Halbleiterschaltelemente kann durch den IC erfolgen, so dass erfindungsgemäß ein Leistungsschaltkreis realisiert wird, in dem der IC sowohl die Ansteuerung der Leistungs- Halbleiterschaltelemente als auch die Messung des durch diese geschalteten Leistungsstroms übernimmt.
Erfindungsgemäß werden einige Vorteile erreicht. Es tritt keine zusätzliche Verlustleistung auf, wie sie beim Einsatz von Shunt-Widerständen und Messung eines Spannungsabfalls auftritt. Der Einsatz zusätzlicher externer Komponenten mit dem hierdurch verbundenen Hardware- und Kostenaufwand entfällt. Die Sen- soreinrichtung kann in den verpackten, integrierten Schaltkreis voll integriert wer- den. Hierbei können z.B. Hallsensoren durch geeignete Halbleiterbereiche ausgebildet werden.
Durch die Integration der Sensoreinrichtungen in den Ansteuerbaustein können kurze Signalwege realisiert werden; weiterhin können hierdurch zusätzliche Bauelemente vermieden werden. Die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Einkopplung kann gering gehalten werden, wobei z.B. auch zwei Hallsensoren beidseitig des Leistungsstrompfades angeordnet werden können und eine Differenzmessung ermöglichen, durch die eventuelle überlagerte homogene Magnetfelder herausgerechnet bzw. nicht mitgemessen werden.
Indem erfindungsgemäß die integrierte Schaltung getrennt von den Leistungsschaltern realisiert wird, wird eine vollständige galvanische Entkopplung auch ohne den aufwendigen Einsatz von Opto-Kopplern ermöglicht. Hierbei kann z.B. der gesamte Leistungsschaltkreis durch zwei integrierte Schaltungen realisiert werden, d.h. die erfindungsgemäße integrierte Schaltungseinrichtung mit den Sensoreinrichtungen und dem Ansteuerschaltkreis als ein Baustein sowie einer weiteren integrierten Schaltung mit den Leistungs-Halbleiterschaltelementen bzw. der Brückenschaltung. Weiterhin kann der Flächenbedarf auf dem Schaltungsträger, z.B. einer Leiterplatte, durch die hohen Integration minimiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Schaltungseinrichtung gemäß einer ersten Aus- führungsform, mit der Messung eines Leistungspfades;
Fig. 2 zeigt eine Schaltungseinrichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform mit Messung von zwei Leistungspfaden; Fig. 3 zeigt eine Schaltungseinrichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform mit Messung eines Leistungspfades;
Fig. 4 zeigt eine Halbbrückenschaltung mit integrierter galvanisch entkoppelter Strommessung, als eine Ausführungsform ei- nes erfindungsgemäßen Leistungsschaltkreises; Fig. 5 zeigt den Vertikalschnitt bzw. Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 3;
Fig. 6 zeigt den Schnitt Vl-Vl in Fig. 3.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die Figuren 1 bis 3 zeigen Aufsichten bzw. Durchsichten durch die erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen, d.h. unter Darstellung sämtlicher übereinander liegender horizontaler Ebenen, wobei die Figuren 5 und 6 entsprechende Vertikalschnitte wiedergeben.
Die Schaltungseinrichtung 1 gemäß Fig. 1 weist eine integrierte Schaltung 2 (im folgenden IC 2) auf, die somit in einem gemeinsamen Substrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat integrierte Komponenten aufweist. Gemäß Fig. 5 ist der IC 2 vorteilhafterweise mittels einer Klebeschicht 4 auf eine im Allgemein als die paddle bezeichnete Chip-Aufnahmeplatte 3 aus Metall geklebt. Diese Anordnung aus dem IC 2 und der Chip-Aufnahmeplatte 3 ist auf einem Leadframe 6 mit einzelnen Leads (Leitungen) 7a und 7b aufgenommen und mit diesem in ein IC- Gehäuse 5 (IC-Verpackung) eingegossen bzw. eingemoldet. Die Leads sind Kontaktierleads (Kontaktierleitungen) 7a und Leistungsleads (Leistungsleitungen) 7b. Die Kontaktierleads 7a - von denen in Fig. 2 beispielhaft nur vier entsprechend gekennzeichnet sind - kontaktieren den IC 2 und erstrecken sich in bekannter Weise durch das IC-Gehäuse 5, wobei sie nach Außen Anschlusspins (Beinchen) 1 1 a bilden zur Kontaktierung des IC 2, was im Allgemeinen über Bond-Verbindungen (Drahtbonds) 8 erfolgt, die beispielhaft in Fig. 1 und weiterhin in Fig. 5 dargestellt sind. Die Leistungsleads 7b erstrecken sich durch das IC- Gehäuse 5 ohne eine Kontaktierung des IC 2, d.h. mit galvanischer Trennung vom IC 2, und bilden entsprechend außen Anschlusspins 1 1 b zur Kontaktierung mittels Bond-Verbindungen 8.
Die Bond-Verbindungen 8 und ein Teil der Kontaktierleads 7a und Leistungsleads 7b sind somit in das aus Kunststoff-Moldmaterial gebildete IC-Gehäuse 5 eingemoldet. Auf einem mittleren Bereich 6a des Leadframes 6 ist über eine Isolationsschicht 9 die Chip-Aufnahmeplatte 3 mitsamt IC 2 aufgenommen, wie insbesondere aus Fig. 5 ersichtlich ist. Die Darstellung der Fig. 5 gibt hierbei die Be- reiche bzw. Schichten 2 bis 9 nicht maßstabsgetreu wieder, um den Aufbau detaillierter wiederzugeben.
Die Isolationsschicht 9 kann insbesondere durch Aufkleben einer isolierenden Folie auf das Leadframe 6 oder die Rückseite des IC 2 erfolgen.
In der Chip-Aufnahmeplatte 3 ist vorteilhafterweise mindestens eine Ausnehmung 10 ausgebildet, was in den verschiedenen Ausführungsformen unterschiedlich erfolgen kann; da die Chip-Aufnahmeplatte 3 in den Aufsichten der Fig. 1 bis 3 von dem IC 2 verdeckt ist, sind die Ausnehmungen hier nur gestrichelt eingezeichnet. Der IC 2 ist im Bereich dieser Ausnehmung 10 somit nach unten nicht von dem Metall der Chip-Aufnahmeplatte 3 abgeschirmt.
In dem IC 2 sind Sensoreinrichtungen 12a, 12b integriert. Die Sensoreinrichtungen 12a, 12b können insbesondere Hallsensoren 12a, 12b sein und in an sich bekannter Weise von der Oberseite des IC 2 her ausgebildet sein. Als Hallsensoren 12a, b kann z.B. jeweils eine geeignete halbleitende Schicht strukturiert sein, die bei Beaufschlagung mit einem Magnetfeld durch die Beeinflussung ihrer Ladungsträger eine Hallspannung ausbildet, die von einer in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten, in dem IC 2 integrierten Auswerteschalteinrichtung 14 aufgenommen und ausgewertet wird. Gemäß Fig. 1 geben die Sensoreinrichtungen 12a, 12b somit Messsignale S1 , S2 an die Auswerteschalteinrichtung 14 aus.
Die Hallsensoreinrichtungen 12a, 12b können insbesondere planar in den Oberflächen des Silizium-Wafers realisiert werden. Bei der gezeigten Ausbildung der Sensoreinrichtungen 12a, 12b als Hallsensoren sind sie lateral bzw. seitlich, d.h. innerhalb der XY-Ebene zu dem Leistungslead 7b versetzt, zusätzlich zu der vertikalen Versetzung in Z-Richtung. Bei Ausbildung als z.B. AMR- oder GMR- Sensor kann eine andere Anordnung erfolgen, z.B. direkt vertikal in Z-Richtung oberhalb des Leistungsleads 7b, um jeweils ein maximales Feld zu messen und ein maximales Messsignal S1 , S2 auszugeben.
Die Sensoreinrichtungen 12a, 12b sind in Fig. 5, 6 somit in vertikaler Richtung (Z- Richtung) oberhalb der Leistungsleads 7b angeordnet. Bei Ausbildung der Sen- soreinrichtungen 12a, 12b als Hallsensoren sind sie weiterhin lateral, d.h. in der in Fig. 1 eingezeichneten X- Y-Ebene, versetzt zu der zu messenden Leistungs- lead 7b angeordnet. Durch das Leistungslead 7b fließt ein Leistungsstrom IL (Laststrom). Er erzeugt um das Leistungslead 7b herum ein in Fig. 6 angedeutetes Magnetfeld 16, dessen Verlauf in an sich bekannter Weise durch die so genannte Rechte-Hand-Regel beschrieben wird. Das Magnetfeld 16 erstreckt sich gemäß Fig. 6 in vertikaler Z-Richtung auch nach oben durch das Siliziummaterial des IC 2 bis zu den Sensoreinrichtungen 12a, 12b. Aufgrund der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der beiden Sensoreinrichtungen 12a und 12b beidseitig des Leistungsleads 7b sehen die Sensoreinrichtungen 12a und 12b somit entgegensetzte Richtungen des Magnetfeldes 16 und liefern somit Messsignale S1 , S2, die Magnetfelder in unterschiedlicher Richtung wiedergeben. Hierbei kann gemäß Fig. 1 z.B. die untere Sensoreinrichtung 12b vom Betrag her ein etwas größeres Signal sehen, da das Leistungslead 7b hier U-förmig bzw. als halboffene Schleife ausgebildet ist und somit sowohl in X- als auch in y-Richtung Bereiche des Leistungsleads 7b benachbart sind, wobei grundsätzlich aber die Beiträge der in X-Richtung benachbarten Leitungsbereiche, die somit Teile der Schenkel der U-Form des Leistungsleads 7b darstellen, sich bei symmetrischer Anordnung herausmitteln sollte.
Grundsätzlich reicht bereits die Anbringung einer einzigen als Hallsensor ausgebildeten Sensoreinrichtung 12a lateral neben einem Leistungslead 7b. Die beispielhaft in Fig. 1 bis 3 gezeigte Anordnung der Sensoreinrichtungen 12a, 12b oder 12c, d beidseitig des Leistungsleads 7b bzw. 7c oder 7d, so dass sie entgegen gesetzte Ausrichtungen bzw. Orientierungen des Magnetfeldes 16 sensie- ren, ist vorteilhaft, da nachfolgend eine Differenz der Signale S1 und S2 bzw. ihrer Signalwerte, d.h. ein differenzielles Messsignal gebildet werden kann und somit eventuell vorhandene Beiträge eines zusätzlich überlagerten großflächigen, homogenen Magnetfeldes heraussubtrahiert werden können. Hierbei wird erkannt, dass Störeinflüsse wie z.B. ein überlagertes homogenes Magnetfeld o- der temporäre Störungen, die nicht genau symmetrisch sind, in den Differenzsignal nicht oder deutlich geringer auftreten. Es wird somit eine verbesserte Robustheit gegen ein externes homogenes Störfeld erreicht.
Alternativ zu der gezeigten Ausführung kann die metallene Chip-Aufnahmeplatte 3 auch ohne die Ausnehmung 10 ausgebildet sein und sich somit auch in den Bereich zwischen dem Leistungslead 7b und dem IC 2 erstrecken, wenn sie aus einem nicht-ferromagnetischen Metall ausgebildet ist und somit das Magnetfeld 16 nicht oder nicht relevant beeinflusst, wobei dann gegebenenfalls zeitliche Änderungen des Magnetfeldes durch Wirbelstromausbildungen in der Chip- Aufnahmeplatte 3 eine teilweise Abschwächung des Signals bewirken können. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der in dem Leadframe 6 zusätzlich zum Leistungslead 7b eine weiteres Leistungslead 7c ausgebildet sind, in der ein Leistungsstrom IL2 fließt, wobei entsprechend Sensoreinrichtungen 12c, 12d zur Messung des Leistungsstroms IL2 im Leistungspfad 7c ausgebildet sind, vorzugsweise wie in Fig. 2 gezeigt in entsprechender oder symmetrischer Anord- nung wie die Sensoreinrichtung 12a, 12b zur Messung des ersten Leistungsstroms IL in dem Leistungslead 7b. Somit ist entsprechend eine weitere Ausnehmung 10 in der Chip-Aufnahmeplatte 3 vorgesehen, wenn diese nicht wie oben beschrieben aus nicht-magnetischem Material gefertigt ist. Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Leistungslead 7d nicht wie in Fig. 1 und 2 von einer Seite des IC 2 mit U-förmiger Ausbildung zugeführt ist, sondern in dem Leadframe 6 durchgängig unterhalb des IC 2 verläuft, so dass die Chip-Aufnahmeplatte 3 z. B. in einem mittleren Bereich eine Ausnehmung 10 aufweist, oder auch eine durchgehende Ausnehmung aufweist. Bei einer derarti- gen Ausbildung sind die als Hall-Sensoren ausgebildeten Sensoreinrichtungen
12a, 12b entsprechend lateral, d.h. hier in X-Richtung beabstandet zu dem Leistungspfad 7d und wiederum in vertikaler Z-Richtung oberhalb von diesem ausgebildet. Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Halbbrückenschaltung 20, die eine Schaltungseinrichtung 1 gemäß Fig. 3 aufweist, wobei das Leistungslead 7d Teil eines Leistungspfades 22 ist, d.h. mit entsprechenden Leitungen des Leistungspfades 22 kontaktiert ist, und weiterhin geeignete Kontaktierleads 7a des IC 2 mit Ansteuerleitungen 24a, b kontaktiert sind, mit denen Leistungsschalter 26, 27 ange- steuert werden, deren Leistungsanschlüsse mit dem Leistungspfad 22 kontaktiert sind. Entsprechend können in Fig. 4 auch die anderen Ausführungsformen der Fig. 1 oder 2 oder anderem Aufbau eingesetzt werden. Gemäß den gezeigten Ausbildungen können die Leistungsschalter 26, 27 somit z.B. MOSFETs sein, deren Gates 26-0 und 27-0 mit den Ansteuerleitungen 24a, 24b kontaktiert sind, und jeweils ein Leistungsanschluss, z.B. die Source-anschlüsse 26-1 und 27-1 auf Versorgungsspannungen V+ und V- gelegt sind und ihr jeweiliger weiterer Leistungsanschluss, d.h. hier die Drainanschlüsse 26-2 und 27-2, an den Leistungspfad 22 gelegt sind. Entsprechend sind auch andere Ausbildungen möglich, z.B. nur mit einem Leistungsschalter 26, oder auch komplexere Ausbildungen. Relevant ist, dass bei einer Leistungsschaltereinrichtung 26, 27 die Ansteuerung über Kontaktierleads 7a bzw. Datenleads erfolgt, die mit dem IC 2 kontaktiert sind, und der durch den Leistungspfad 22 fließende Leistungsstrom IL durch einen Leistungslead 7d (bzw. 7b oder 7c) des Leadframes 6 verläuft und somit galvanisch entkoppelt vom IC 2 ist.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform der Fig. 4 ist eine Last 30 an den Leistungspfad 22 angeschlossen und mit ihrem weiteren Anschluss z.B. auf Masse 31 gelegt. Somit können die - in Fig. 4 nur angedeuteten - Sensoreinrichtungen 12a, 12b des IC 2 den durch den Leistungslead 7d fließenden Strom IL messen und entsprechend die oben beschriebenen Messsignale S1 , S2 an die Auswerteeinrichtung 14 ausgeben, die z.B. gemäß Fig. 1 bis 3 Signale S3 an eine entsprechende Treiberschaltung 34 ausgibt, die entsprechende Ansteuersignale S4, S5 auf die Ansteuerleitung 24a, 24b zur Ansteuerung der Leistungsschalter 26, 27 ausgibt.
Die z.B. als MOSFETs oder IGBTs ausgebildeten Leistungsschalter 26, 27 können in einem weiteren IC 36 integriert sein, der in Fig. 4 als Funktionsblock gestrichelt angedeutet ist. Die ICs 2 und 36 können somit zusammen auf einem Schaltungsträger montiert werden und zur Ansteuerung der Last 30 dienen.
Die gezeigte Halbbrückenschaltung 20 kann insbesondere in einer Spannungs- umformungseinrichtung, z.B. einem DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler) oder einer Gleichrichterbrücke zur Wandlung von Wechselstrom bzw. Drehstrom in Gleichstrom (AC-DC-Wandler) eingesetzt werden. Hierbei kann ein IC 2 durch eine geeignete Anzahl von Sensoreinrichtungen 12a, b, c, d, ... die Leistungsströme IL in mehreren Leistungspfaden messen, z.B. bei Gleichrichtung eines Drehstroms mit drei Wechselspannungsphasen somit durch Messung von drei Leistungsströmen und Ansteuerung einer entsprechenden Anzahl von z. B.
sechs Schaltungseinrichtungen, um die mehreren Phasen bzw. mehrere Leistungspfade zu schalten. Die Halbbrücke 20 der Fig. 4 kann somit zur Ansteuerung eines Motors mit Drehrichtungsumkehr dienen, so dass die Last 30 z.B. ein Elektromotor ist. Der durch die Last 30 fließende Strom IL wird somit durch sein resultierendes Magnetfeld 16 von den Sensoreinrichtungen 12a, 12b gemessen und kann von der Auswerteschalteinrichtung 14 herangezogen werden, um die Treiberschaltung 34 bzw. eine Ansteuerschaltung entsprechend anzusteuern.
Der IC 2 bzw. die Auswerteschalteinrichtung 14 des IC 2 kann somit die realisierten Ströme IL und deren Totzeiten vor Umkehrung der Ansteuerung der Schalter 26, 27 genau messen, so dass erfindungsgemäß sehr kurze Totzeiten realisiert werden können.
Der IC 2 kann somit allgemein als kombinierte Mess- und Schaltungseinrichtung bzw. als Regelkreis zum Messen und Schalten bzw. Einstellen geeigneter Leistungsströme dienen, z. B. in einer Halbbrückenschaltung 20 oder auch anderen Leistungsschaltungen.

Claims

Ansprüche
1 . Schaltungseinrichtung, die aufweist:
eine integrierte Schaltung (2),
ein die integrierte Schaltung (2) aufnehmendes IC-Gehäuse (5),
Leitungen (7a, 7b, 7c, 7d), die durch das oder an dem IC-Gehäuse (5) verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine der Leitungen eine nicht mit der integrierten Schaltung (2) kontaktierte Leistungsleitung (7b, 7c, 7d) ist, und
die integrierte Schaltung (2) eine Sensoreinrichtung (12a, b, c, d) aufweist zur kontaktlosen Messung eines durch die Leistungsleitung (7b, 7c, 7d) fließenden elektrischen Stroms (IL, IL1 , IL2).
2. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch das IC-Gehäuse (5) verlaufenden Leitungen (7a, 7b, 7c, 7d) Kon- taktierleads (7a) und mindestens einen die Leistungsleitung bildenden Leistungslead (7b, c, d) umfassen, die Teile eines gemeinsamen Leadfra- mes (6) sind, der in das IC-Gehäuse (5) teilweise eingeschmolzen oder ein- gemoldet ist und nach außen Anschlusspins (1 1 a, 1 1 b) zur externen Kontak- tierung ausbildet,
wobei die integrierte Schaltung (2) mit den Kontaktierleads (7a) kontaktiert und von dem Leistungslead (7b, 7c, 7d) galvanisch entkoppelt ist.
3. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungslead (7d) oberhalb oder unterhalb der integrierten Schaltung (2) verläuft und an zwei entgegengesetzten Seiten des IC-Gehäuses (5) über Anschlusspins (7d) kontaktierbar ist, oder halboffen oberhalb oder unterhalb der integrierten Schaltung (2) verläuft und an einer Seite des IC-Gehäuses (5) über Anschlusspins (7b) kontaktierbar ist.
4. Schaltungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leistungsleitung (7b, c, d) sich von außen durch das IC-Gehäuse (5) bis oberhalb oder unterhalb der integrier- ten Schaltung (2) erstreckt und von dieser durch mindestens eine Isolationsschicht (9), z. B. eine aufgeklebte Folie, elektrisch isoliert ist.
Schaltungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensoreinrichtung (12a, b, c, d) zur Messung von Magnetfeldern (16) ausgebildet ist, z.B. als Hallsensoreinrichtung, AMR- oder GMR-Sensoreinrichtung.
Schaltungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (2) mindestens zwei als Hallsensoren ausgebildete Sensoreinrichtungen (12a, b; 12c, d) aufweist, die jeweils in vertikaler Richtung (Z) und einer lateralen Richtung (X, Y) versetzt zu der Leistungsleitung (7b, c, d) angeordnet sind, wobei die beiden Sensoreinrichtungen (12a, b; 12c, d) beidseitig der Leistungsleitung (7b, c, d) angeordnet sind derartig, dass sie das Magnetfeld (16) der Leistungsleitung (7b, c, d) in zueinander entgegensetzter Orientierung messen.
Schaltungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (2) eine Auswerteschalteinrichtung (14) zur Aufnahme und Auswertung der von der mindestens einen Sensoreinrichtung (12a, b, c, d) ausgegebenen Messsignale (S1 , S2, S3, S4) aufweist.
Schaltungseinrichtung nach Anspruch 7 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschalteinrichtung (4) eine Differenz der Messsignale (S1 , S2) der beiden Sensoreinrichtungen (12a, b; 12c, d) bildet.
Schaltungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschalteinrichtung (4) Totzeiten ermittelt, in denen durch den mindestens einen Leistungsleiter (7b, c, d) kein relevanter Leistungsstrom (IL, IL1 , IL2) fließt, und die Steuersignale (S4, S5) für die Schaltungseinrichtung (26, 27) in Abhängigkeit der Ermittlung der Totzeiten ausgibt zur Umpolung des Leistungsstroms (IL, IL1 , IL2).
0. Schaltungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (2) eine Ansteuer- Schaltung, z. B. eine Treiberschaltung (34), zur Ausgabe von Steuersignalen (S4, S5) zur Ansteuerung von mindestens einer Schalteinrichtung (26, 27) ausgibt, die den durch den mindestens einen Leistungsleiter (7b, 7c, 7d) fließenden Strom (IL, IL1 , IL2) schaltet.
Schaltungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (34) die Steuersignale (S4, S5) zur Ansteuerung der Schalteinrichtung (26, 27) in Abhängigkeit des durch die Sensoreinrichtung (12a, b, c, d) gemessenen, durch den Leistungsleiter (7b, c, d) fließenden Stroms (IL, IL1 , IL2) ausgibt.
Schaltungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (2) auf eine metallische Chip-Aufnahmeplatte (3) geklebt ist, die oberhalb oder unterhalb des Leistungsleiters (7b, c, d) im Bereich der Sensoreinrichtung (12a,b c, d) eine Ausnehmung (10) aufweist.
3. Leistungsschaltkreis (20), insbesondere Halbbrückenschaltung, der mindestens aufweist:
eine Schaltungseinrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, eine Schaltungseinrichtung (26, 27) mit mindestens einem Halbleiterschalter- Bauelement (26, 27), dessen Steuereingang (26-0, 27-0) über Anschlusspins (7a) der Schaltungseinrichtung (1 ) angesteuert wird und einen Leistungsstrom (IL, IL1 , IL2) durch einen Leistungspfad (22) schaltet, der zumindest teilweise durch den Leistungsleiter (7b, c, d) verläuft,
wobei die Sensoreinrichtung (12a, b, c, d) den Leistungsstrom (IL) misst und eine Ansteuerschaltung (34) der integrierten Schaltung (2) die Steuereingänge (26-0, 27-0) ansteuert,
wobei das mindestens eine Halbleiterschalter-Bauelement (26, 27) galvanisch von der integrierten Schaltung (2) entkoppelt ist.
4. Leistungsschaltkreis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Halbbrückenschaltung (20) mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschalter-Bauelementen (26, 27) ist, zum Einsatz in einer Ansteuerschaltung für einen Elektromotor oder in einem Strom-/Spannungswandler, insbesondere DC-DC-, AC-DC-Wandler oder Drehstromgleichrichterwandler.
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