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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Shunt-Widerstandsanordnung.
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Zum
Messen von hohen Strömen,
d. h. von einigen Ampere bis zu einigen hundert Ampere, werden Shunt-Widerstände verwendet.
Shunt-Widerstände,
nachfolgend auch kurz als Shunts bezeichnet, sind Messwiderstände, die
in Reihe zu dem zu messenden Bauelement geschaltet sind. Aus der
am Shunt-Widerstand abfallende Spannung kann der Strom im Hauptstrompfad
abgeleitet werden. Shunt-Widerstände
finden beispielsweise in Gleichstromsystemen Anwendung, da hier
die Möglichkeit des
Einsatzes von rein induktiven Stromwandlern nicht gegeben ist. Auch
ist die Art der Stromerfassung in Bezug auf die Präzision sowie
die Störempfindlichkeit
ausgesprochen zuverlässig.
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Gegenwärtig werden
Shunt-Widerstände
auf getrennten, isolierten Sockeln aufgebaut und die Anschlussleitungen – sowohl
für den
Laststrom, als auch für
die Shunt-Spannungsmessung – einzeln
angeschlossen. Dabei wird der Shunt-Widerstand in der Regel in unmittelbarer
Nähe der
Sicherungen des Gleichstromsystems angeordnet. In bevorzugter Weise
sind diese Sicherungen als NH-Sicherungselemente (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungselemente)
ausgebildet und demgemäss
ist der Platzbedarf für
zwei einzelne NH-Sicherungselemente und für den separat aufgebauten Shunt-Widerstand
sowie für
den damit verbundenen Aufwand an Material und Installationskosten
vergleichsweise bedeutend.
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Zur
Erhöhung
der Strombelastung von Shunt-Widerständen werden in der Regel mehrere Einzelbauelemente
parallel geschaltet. Ein typischer Aufbau eines bekannten Hochleistungs-Shunts
ist in der 1 dargestellt. Hochleistungs-Shunts 1 weisen
in der Regel ein thermisch gut leitendes Trägermaterial 2 auf.
Auf diesem Träger
ist eine in der Regel dünne,
elektrisch isolierende, aber thermisch leitende Isolationsschicht 3 und
darauf die eigentliche Widerstandsschicht bzw. das Widerstandsmuster 4 aufgebracht.
Die Laststromkontaktflächen 5a, 5b sind mit
jeweils einem Versorgungspotential U, U' verbunden. Zur Messung einer Messspannung
sind Sense-Kontaktflächen 6a, 6b vorgesehen,
welche ihrerseits mit Messanschlüssen
S+, S– kontaktiert sind.
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Die 2 zeigt,
in Form eines schematischen Schaltbildes (links) sowie in der Draufsicht (rechts),
eine typische Kontaktierung eines bekannten Hochleistungs-Shunts 1 entsprechend 1. Dabei
bezeichnen S+ und S– wiederum
die Messanschlüsse,
welche mit den Sense-Kontaktflächen 6a, 6b verbunden
sind. Die Laststromanschlüsse
mit den Versorgungspotentialen U, U' sind mit den Laststrom-Kontaktflächen 5a, 5b verbunden.
Das Bezugszeichen 11 bezeichnet die Rückseite bzw. den Rückseitenkontakt
des Shunt-Widerstands 1. Die Kontaktierung der im Laststrompfad
angeordneten Widerstandsschicht 4 des Shunt-Widerstands 1 erfolgt
vollständig
auf dessen Vorderseite. Die Rückseite 11 ist
in 2 elektrisch nicht mit der Vorderseite verbunden
und wirkt quasi wie eine Abschirmung. Die Isolationsfähigkeit
zwischen der Rückseite 11 und
der Vorderseite wird bei einem Hochleistungs-Shunt 1 entsprechend 2 im
wesentlichen durch die Isolationsschicht 3 bestimmt und
begrenzt die Nennspannung solcher Bauelemente in der Regel auf 100
Volt. Eine Verwendung von Hochleistungs-Shunt-Widerständen in Leistungshalbleitermodulen
oberhalb von 100 Volt Nennspannung setzt daher eine Kontaktierung
der Rückseite 11 mit
einem der beiden Laststrom-Kontaktflächen 5a, 5b auf
der Vorderseite, wie dies in der 3 illustriert
ist, voraus. 3 zeigt im Schaltbild (links)
und in der Draufsicht (rechts) eine Verschaltung eines Shunt-Widerstandes 1,
der für
höhere
Spannungen ausgelegt ist. Die Rückseite
(schwarz gepunktete Zone) ist mit dem Laststromanschluss, der das
Potential U aufweist, verbunden.
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Für den Fall,
dass eine Shunt-Widerstandsanordnung mehrere Shunt-Widerstände 1a, 1b im
selben Strompfad aufweist, so sind diese zum einen parallel geschaltet
und zum anderen symmetrisch in den Laststrompfad eingebracht, d.h.
deren Rückseitenkontaktierungen
liegen jeweils symmetrisch auf demselben Versorgungspotential, hier
beispielsweise U' (4).
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5 zeigt
eine in einem Halbleitermodul 12 angeordnete, bekannte
Shunt-Widerstandsanordnung entsprechend 4, wobei 5 hier
die Flächenverhältnisse
auf einer Leiterplatte 13 illustriert. In der Anordnung
sind zwei Bauelemente 8, 9 auf einer Leiterplatte 13 im
weiteren Sinne, wie etwa ein Keramiksubstrat mit Kupferbahnen (Z.
B. DCB), angeordnet. Zwei parallel geschaltete Shunt-Widerstände 1a, 1b liegen
mit ihren Rückseitenkontakten 11a, 11b auf
der Leiterbahn 10a auf. Beide Rückseitenkontakte 11a, 11b der
parallel geschalteten Shunt-Widerstände 1a, 1b liegen
folglich auf demselben Potential U'. In Verbindung mit einlagigen, gedruckten
Schaltungen wird in einer solchen bekannten Shunt-Widerstandsanordnung
die jeweils andere Leiterbahn 10b seitlich an die Shunt-Widerstände 1a, 1b herangeführt. Mittels
Bondverbindungen 7 sind die Shunt-Widerstände 1a, 1b jeweils
mit den Leiterbahnen 10a, 10b, die an den Laststromanschlüssen angeschlossen
sind, kontaktiert.
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Insgesamt
ist demnach für
bekannte, parallel geschaltete Shunt-Widerstandsanordnungen die
Tatsache charakteristisch, dass deren Rückseitenkontakte 11a, 11b jeweils
auf derselben Leiterbahn angeordnet sind und damit aufgrund des
Layouts der jeweiligen Leiterplatte 13 typischerweise eng
beieinander angeordnet sein müssen.
Dadurch kann zwar die Strombelastbarkeit in befriedigender Weise
erhöht werden,
aber die Kontaktierung dieser parallel geschalteten Shunt-Widerstände 1a, 1b benötigt zusätzlichen
Platz auf der Leiterplatte 13 zur Her anführung der
Leiterbahnen 10a, 10b und Anordnung der Bond-Kontaktierungen.
Insbesondere bei Hochleistungs-Shunts, die einlagig gedruckte, relativ
großflächige Leiterbahnen 10a, 10b aufweisen,
ergeben sich dadurch mithin erhebliche Einschränkungen im Layout-Design, was
häufig
insbesondere bei sehr vielen Bauelementen 8, 9 bzw.
Shunt-widerständen 1a, 1b innerhalb
eines Halbleitermoduls 12 einen größeren Flächenbedarf auf der Leiterplatte 13 zur Folge
hat.
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In
der JP 11-97203 A, der
EP
1 009 030 A2 und der JP 7-307202 A sind jeweils zur Anordnung
in einem Bauelementmodul vorgesehene Shunt-Widerstände beschrieben.
In der
DE 41 15 328
A1 ist außerdem
eine parallele Anordnung von Shunt-Widerständen beschrieben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Shunt-Widerstandsanordnung
bereitzustellen, die einen gegenüber
herkömmlichen
Anordnungen höheren
Freiheitsgrad im Layout-Design aufweist bzw. die einen geringeren
Platzbedarf auf der Leiterplatte benötigt. Insbesondere soll die
Shunt-Widerstandsanordnung
mit vergleichsweise geringem Aufwand und damit kostengünstig realisierbar
sein.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer
Anordnung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Demgemäß ist eine
Anordnung mit einem ersten Shunt-Widerstand sowie mindestens einem
parallel zum ersten Shunt-Widerstand geschalteten weiteren Shunt-Widerstand
vorgesehen, deren an der Vorderseite der Shunt-Widerstände angeordnete
Lastanschlüsse
zwischen einem ersten und einem zweiten Versorgungspotential angeordnet
sind, die jeweils eine großflächige Rückseiten-Kontaktierung
aufweisen, die mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt sind.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten, abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
weist mindestens zwei parallel geschaltete Shunt-Widerstände auf.
Das Problem der platzsparenden Anordnung der mindestens zwei Shunt-Widerstände wird also
dadurch gelöst,
dass die Rückseitenkontaktierungen
asymmetrisch mit den Laststromanschlüssen derart kontaktiert sind,
dass der erste Shunt-Widerstand mit seiner Rückseitenkontaktierung an eine erste
Leiterbahn, die mit einem ersten Versorgungspotential beaufschlagt
ist, angeschlossen ist, während
die Rückseitenkontaktierung
mindestens eines weiteren Shunt-Widerstandes mit einer anderen Leiterbahn,
die mit einem weiteren Versorgungspotential beaufschlagt ist, verbunden
ist. Mit anderen Worten liegen erfindungsgemäß zumindest zwei Shunt-Widerstände mit
ihren Rückseiten-Kontaktierungen
auf unterschiedlichen Potentialen des Laststrompfads. Die elektrische
Verbindung zu den Leiterbahnen erfolgt mittels Bondverbindungen.
Durch die erfindungsgemäße, asymmetrische
Anordnung der Shunts kann vorteilhafterweise auch die unter dem
Shunt als Montagefläche
genutzte Kontaktfläche
als Leiterbahn in zweiter Ebene ausgenutzt werden.
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Gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform
ist ein Vorderseitenanschluss und die Rückseitenkontaktierung des Shunt-Widerstands durchkontaktiert.
Alternativ kann ein Lastanschluss an der Vorderseite eines Shunt-Widerstands
sowie dessen Rückseiten-Kontaktierung
auch mittels Bonddrähten elektrisch
miteinander verbunden sein.
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Die
Shunt-Widerstandsanordnung ist vorteilhafterweise in einem Bauelement-Modul
angeordnet. Das Bauelement-Modul weist typischerweise zur Parallelschaltung
der Shunt-Widerstände
nebengeschaltete weitere Halbleiterbauelemente, beispielsweise Dioden,
MOSFETs, IGBTs, Thyristoren, GTOs, etc. auf.
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Die
Shunt-Widerstände
sind im Laststrompfad angeordnet und weisen insbesondere folgende Schichten
auf:
- – ein
thermisch gut leitendes Trägermaterial
für die
Rückseiten-Kontaktierung,
auf welches eine dünne
Isolationsschicht und darauf mindestens eine Widerstandsschicht
aufgebracht ist,
- – Sense-Bondkontaktflächen, an
denen die an dem Shunt-Widerstand
abfallende Messspannung abgreifbar ist,
- – Laststromkontaktflächen auf
der Vorderseite des Shunt-Widerstandes,
an welchen Bondverbindungen die Kontaktierungs-Verbindung zu Leiterbahnen
des Laststrompfades und damit zur Versorgungsspannung herstellen.
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Das
Trägermaterial,
das als Kühlkörper dem Abführen von
Wärme von
den Shunt-Elementen und den Halbleiterbauelementen dient, besteht
beispielsweise aus Kupfer. Die Isolationsschicht bestimmt im wesentlichen
die Spannungsfestigkeit der Shunt-Elemente und weist beispielsweise eine
elektrisch isolierende, jedoch thermisch gut leitfähige Keramik
oder eine ein geeigneten Kunststoff (z.B. Epoxydharz) enthaltende
Keramik mit diesen Eigenschaften auf. Die Widerstandsschicht aufgebracht
ist in der Regel eine Legierung wie beispielsweise eine Cu-Ni-Legierung, eine
Al-Cr-Legierung oder vorzugsweise eine Cu-Mn-Legierung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung
angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigt dabei:
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1 mittels
einer schematischen Querschnitt-Darstellung sowie einer Draufsicht
den Aufbau eines bekannten Shunt-Widerstands;
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2 das
Schaltbildes und die Draufsicht einer Verschaltung eines bekannten
Shunt-Widerstands;
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3 das
Schaltbildes und die Draufsicht einer weiteren Verschaltung eines
bekannten Shunt-Widerstands;
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4 das
Schaltbildes und die Draufsicht einer bekannten, parallelen Verschaltung
zweier Shunt-Widerstände
mit symmetrisch kontaktierten Rückseiten;
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5 den
Bondplan einer in einem Halbleitermodul angeordneten, bekannten
Shunt-Widerstandsanordnung mit zwei parallel geschalteten, symmetrischen
Shunt-Widerständen;
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6 das
Schaltbildes und die Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen parallel
verschalteten Shunt-Widerständen mit
asymmetrisch kontaktierten Rückseiten;
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7 den
Bondplan einer besonders bevorzugte Ausführungsform eines Halbleitermoduls
mit Shunt-Widerständen
mit asymmetrisch kontaktierten Rückseiten.
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In
den Figuren der Zeichnung sind – sofern nichts
anderes angegeben ist – gleiche
oder funktionsgleiche Elemente und Teile mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Die 1 bis 5 wurden
bereits eingangs im Zuge der Darstellung bekannter Shunt-Anordnungen
erörtert.
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Die
erfindungsgemäße Shunt-Anordnung wird
in der 6 illustriert, links in einem Schaltbild und rechts
in der Draufsicht. Die Laststrom-Kontaktflächen 5a, 5b sind
beispielsweise mittels Bonddrähten
an jeweils ein Versorgungspotential U bzw. U' angeschlossen bzw. mit diesem kontaktiert.
Das erste Versorgungspotenzial U kann beispielsweise ein positives
Versorgungspotenzial sein, während
das zweite Versorgungspotenzial U' beispielsweise ein negatives Versorgungspotenzial
oder das Potenzial der Bezugsmasse sein kann. Zur Messung der am Shunt-Widerstand 1a, 1b abfallenden
Spannung sind Sense-Kontaktflächen 6a, 6b vorgesehen,
welche ihrerseits mit den Messanschlüssen S+,
S– kontaktiert sind.
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Die
Rückseitenkontakte 11a, 11b (gepunktete
Fläche)
der in 6 dargestellten Ausführungsform sind mit unterschiedlichen
Potentialen U, U' beaufschlagt.
Dadurch lässt
sich vorteilhafterweise ausnutzen, dass die unter den Shunt-Widerständen 1a, 1b gelegene
Kontaktfläche
als Leiterbahn in zweiter Ebene zur Verfügung steht und somit zum Teil
nicht seitlich an die Shunt-Elemente 1a, 1b herangeführt werden
muss.
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Eine
Bauelemente-Anordnung mit zwei Halbleiter-Bauelementen 8, 9,
im vorliegenden Fall eine Diode 8 und ein Leistungsschalter
(IGBT) 9, sowie mit zwei – erfindungsgemäß parallel
geschalteten – Shunt-Widerständen 1a, 1b ist
in der 7 dargestellt. Die zwei parallel geschalteten
Shunt-Widerstände 1a, 1b sind
mit ihren Rückseitenkontakten
jeweils auf unterschiedlichen Leiterbahnen 10a, 10b angeordnet,
d. h. der Shunt-Widerstand 1a ist auf der Leiterbahn 10a angeordnet
und mit dem Potential U' verbunden,
während
der Shunt-Widerstand 1b auf der Leiterbahn 10b angeordnet
ist und somit mit dem Potential U verbunden ist.
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Ein
Shunt-Widerstand 1a, 1b weist jeweils ein thermisch
gut leitendes Trägermaterial 2 auf,
auf welches eine dünne
Isolationsschicht 3 und darauf mindestens eine Widerstandsschicht 4 aufgebracht ist.
Die Widerstandsbahn 4 ist beispielsweise eine Cu-Ni Legierung.
Die Sense-Kontaktflächen 6a, 6b auf
der Vorderseite der Shunt-Widerstände 1a, 1b sind
mit den Messanschlüssen
S+ und S– kontaktiert. Die
Laststromkontaktflächen 5a, 5b auf
der Vorderseite der Shunt-Widerstände 1a, 1b sind
mittels einer Vielzahl von Bondverbindungen 7 mit den Leiterbahnen 10a, 10b und
damit mit der Versorgungsspannung U, U' verbunden.
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Bezüglich des
elektrischen Verhaltens bleiben die Symmetrie-Eigenschaften erhalten. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
wird jedoch vorteilhafterweise in Bezug auf das Design einen höheren Freiheitsgrad
im Design-Layout erreicht, insbesondere dadurch, dass durch die
erfindungsgemäße Parallelschaltung
von Shunt-Widerständen
eine wertvolle Flächenersparnis
auf der Leiterplatte 13 realisiert werden kann.
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- 1
- Hochleistungs-Shunt,
Shunt-Widerstand
- 1a,
1b
- Shunt-Widerstände
- 2
- Trägermaterial
- 3
- Isolationsschicht
- 4
- Widerstandsschicht
- 5a,
5b
- Laststrom-Kontaktflächen
- 6a,
6b
- Sense-Kontaktflächen
- 7
- Bondverbindungen
- 8
- Diode
- 9
- Leistungsschalter,
IGBT
- 10a,
10b
- Leiterbahnen
- 11,
11a, 11b
- Rückseitenkontakte,
Rückseiten
- 12
- Halbleitermodul,
Bauelement-Modul
- 13
- Leiterplatte
- U,
U'
- Versorgungspotential
- S+, S–
- Messanschlüssen