DE102007056581A1

DE102007056581A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors

Info

Publication number: DE102007056581A1
Application number: DE102007056581A
Authority: DE
Inventors: Otto Knittel; Hans-Dieter Röhling
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-06-10

Abstract

Die Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors, ist mit einem Gehäuse (12) versehen, das elektrisch isolierendes Isolationsmaterial (14) aufweist und an einer Außenseite ein teilweise freiliegendes Metallelement (16) zur thermischen Kühlung und/oder zur thermischen Kopplung mit einem Kühlkörper aufweist. Ferner ist die Vorrichtung mit einem Transistor (10), der einen in dem Gehäuse (12) angeordneten Halbleiterchip (18) aufweist, welcher mit dem Metallelement (16) thermisch gekoppelt ist, und einem in dem Gehäuse (12) angeordneten und zur Erfassung eines Stroms durch den Halbleiterchip (18) vorgesehenen Shunt-Widerstandselement (20) versehen, das mit dem Metallelement (16) thermisch gekoppelt ist. Der Halbleiterchip (18) und das Shunt-Widerstandselement (20) sind in das Isolationsmaterial (14) des Gehäuses (12) eingebettet. Ferner weist die Vorrichtung aus dem Gehäuse (12) herausgeführte Anschlusselemente (24, 26, 28, 34, 36) auf, mit denen der Halbleiterchip (18) und das Shunt-Widerstandselement (20) elektrisch verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, bei dem es sich insbesondere um einen Kfz-Gebläsemotor handelt.
Zur Ansteuerung verschiedenster elektrischer Verbraucher und insbesondere zur Ansteuerung von Kfz-Gebläsemotoren werden kontinuierlich ansteuerbare oder mit pulsbreitenmodulierten Signalen ansteuerbaren Leistungstransistoren verwendet, die geregelt werden. Hierfür ist es erforderlich, den Strom durch den Leistungstransistor zu erfassen. Zu diesem Zweck existieren Leistungstransistoren mit integrierter Stromerfassung auf dem Halbleiterchip, die allerdings mitunter den Stromfluss nur ungenau erfassen können. Wesentlich genauere Strommessungen lassen sich mit extern angeordneten Shunt-Widerständen durchführen, die aus einem hitzebeständigen metallischen Werkstoff bestehen und zumeist in Form eines Metallstreifens ausgebildet sind. Diese Shunt-Widerstände müssen recht niederohmig sein und vergleichsweise hohen thermischen Belastungen standhalten. Die Kühlung dieser außerhalb des Leistungstransistors angeordneter Shunt-Widerstände bereitet mitunter Probleme und verkompliziert den mechanischen und elektrischen Aufbau der Ansteuerungsvorrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors zu schaffen, die kompakt ist und eine thermisch optimale Stromdetektion aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit

– einem Gehäuse, das elektrisch isolierendes Isolationsmaterial aufweist und an einer Außenseite ein teilweise freiliegendes Metallelement zur thermischen Kühlung und/oder zur thermischen Kopplung mit einem Kühlkörper aufweist,
– einem Transistor, der einen in dem Gehäuse angeordneten Halbleiterchip aufweist, welcher mit dem Metallelement thermisch gekoppelt ist,
– einem in dem Gehäuse angeordneten und zur Erfassung eines Stroms durch den Halbleiterchip vorgesehenen Shunt-Widerstandselement, das mit dem Metallelement thermisch gekoppelt ist,
– wobei der Halbleiterchip und das Shunt-Widerstandselement in das Isolationsmaterial des Gehäuses eingebettet sind, und
– aus dem Gehäuse herausgeführten Anschlusselementen, mit denen der Halbleiterchip und das Shunt-Widerstandselement elektrisch verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird für die Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers ein (Leistungs-)Transistor verwendet, der ein Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial aufweist. Das Gehäuse ist an einer seiner Außenseiten mit einem teilweise freiliegenden, insbesondere plattenförmigen Metallelement versehen, das in das Isolationsmaterial teilweise eingebettet ist. Mit diesem Metallelement ist der Halbleiterchip des Transistors thermisch (und auch elektrisch) gekoppelt.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dieses plattenförmige Metallelement zu vergrößern, um auf ihm elektrisch isoliert aber thermisch gekoppelt ein Shunt-Widerstandselement anzuordnen. Das Shunt-Widerstandselement dient dabei der Erfassung eines durch den Halbleiterchip des Transistors fließenden Stroms. Der Halbleiterchip und das Shunt-Widerstandselement sind also in das Isolationsmaterial des Gehäuses eingebettet, aus dem Anschlusselemente herausgeführt sind, die mit dem Halbleiterchip und dem Shunt-Widerstandselement elektrisch verbunden sind. Auf diese Art und Weise entsteht eine kompakte Leistungsendstufe für die Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers mit thermisch optimaler Anbindung der Stromdetektion, indem das Shunt-Widerstandselement seine Verlustleistung an das vergrößerte Metallelement abgibt. Das Metallelement kann dabei zumindest über eine der Außenseiten des Gehäuses überstehen. Es ist aber auch denkbar, dass das Gehäuse allseitig gegenüber dem plattenförmigen Metallelement zurückspringt. Hierbei ist denkbar, dass nach der Montage des Halbleiterchips und des Shunt-Widerstandselements auf dem Metallelement diese beiden Komponenten von einer insbesondere Kunststoff-Vergussmasse überdeckt werden, wobei aus dieser Vergussmasse dann noch die Anschlusselemente herausragen. Bei dem Shunt-Widerstandselement handelt es sich insbesondere um einen Metallstreifen, wie es von externen Shunt-Widerständen her bekannt ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, in dem Gehäuse zur Erfassung der Temperatur des Halbleiterchips einen Temperatursensor vorzusehen, der mit dem Halbleiterchip thermisch gekoppelt ist und mit aus dem Gehäuse herausgeführten Anschlusselementen elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise kann eine kompakte Leistungsendstufe geschaffen werden, die eine thermisch optimierte Anbindung sowohl der Strom- als auch der Temperaturdetektion aufweist.
Die elektrische Verbindung des Shunt-Widerstandselements mit dem Halbleiterchip des Transistors erfolgt zweckmäßigerweise innerhalb des Transistorgehäuses, so dass insoweit Anschlusselemente aus dem Gehäuse nicht herausgeführt werden müssen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:
1 eine Draufsicht auf einen Leistungstransistor mit integrierter Temperatur- und Stromerfassung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Seitenansicht des Leistungstransistors gemäß 1.
In den 1 und 2 ist ein Leistungstransistor 10 zur linearen Ansteuerung beispielsweise eines Gebläsemotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Leistungstransistor 10 weist ein Gehäuse 12 aus einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial 14 (beispielsweise einer Kunststoffmasse) auf, das auf ein plattenförmiges Metallelement 16 (beispielsweise aus Kupfer) aufgespritzt ist. In dem Isolationsmaterial 14 sind ein Transistor-Halbleiterchip 18, ein Shunt-Widerstandselement 20 in Form eines Metallstreifens und ein Temperatursensor 22 (z. B. NTC-Element) eingebettet. Aus dem Isolationsmaterial 14 ragen ein Drain-Anschlusselement 24, ein Source-Anschlusselement 26 sowie ein Gate-Anschlusselement 28 heraus, die mit den entsprechenden Gebieten des Halbleiterchip 18 über jeweils einen oder mehrere jeweils parallel liegende Bonddrähte 29 bzw. direkt über das Metallelement 16 verbunden sind. So ist beispielsweise das Drain-Anschlusselement 24 elektrisch mit dem Metallelement 16 verbunden, das wiederum elektrisch mit dem Drain-Gebiet des Halbleiterchips 18 verbunden ist. Auf dem Halbleiterchip 18 befindet sich der Temperatursensor 22, der somit direkt mit dem Halbleiterchip 18 thermisch gekoppelt ist. Über weitere Anschlusselemente 30, 32 lässt sich das Temperatursignal des Temperatursensors 22 nach außen aus dem Gehäuse 12 herausführen. Alternativ kann der Temperatursensor 22 auch in unmittelbarer Nachbarschaft zum Halbleiterchip 18 auf dem Metallelement 16 angeordnet sein.
Eine Besonderheit des Leistungstransistors 10 gemäß den 1 und 2 ist darin zu sehen, dass in der Vergussmasse des Gehäuses 12 auch das Shunt-Widerstandselement 20 eingebettet ist. Die Stromzufuhr bzw. Verbindung des Shunt-Widerstandselements 20 nach außen erfolgt über Anschlusselemente 34 und 36. Ferner können noch (nicht dargestellte) Messanschlusselemente des Shunt-Widerstandselements 20 aus der Vergussmasse herausgeführt werden, wenn die Anschlusselemente 34, 36 ausschließlich der Stromzufuhr dienen sollen. Sämtliche zuvor genannten Anschlusselemente bilden beispielsweise Steckeranschlüsse für die elektrische Kontaktierung des Leistungstransistors 10 und Einbindung desselben in einen Linear-Gebläseregler.
Anders als in den 1 und 2 gezeigt, kann die elektrische Verbindung des Shunt-Widerstandselements 20 mit dem Source- oder Drain-Anschlusselement des Leistungstransistors 10 auch innerhalb des Gehäuses 12 erfolgen. Hierbei kann dann eines der beiden Anschlusselemente 34, 36 für das Shunt-Widerstandselement 20 entfallen, indem das Shunt-Widerstandselement direkt elektrisch mit z. B. dem Metallelement 16 verbunden ist. In diesem Fall ist dann das Drain-Gebiet des Halbleiterchips 18 und eines der beiden Enden des Metallstreifens des Shunt-Widerstandselements 20 direkt miteinander verbunden. Diese Schaltungsanordnung eines Leistungstransistors 10' ist in 3 gezeigt, wobei gleiche bzw. sich funktional entsprechende Elemente in den 1 und 2 und in 3 jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. In 3 ist der Temperatursensor 22 neben dem Transistor-Halbleiterchip 18 angeordnet und zwar thermisch mit dem Metallelement 16 gekoppelt oder elektrisch gegenüber diesem isoliert, wozu in diesem Ausführungsbeispiel ein Keramikplättchen 38 dient. Ferner ist der eine Anschluss 34 des Shunt-Widerstandselements 20 intern mit dem Source-Anschlusselement 26 des Transistor-Halbleiterchip 18 verbunden.
Für beide Ausführungsbeispiele gilt, dass es die thermische Kopplung des Shunt-Widerstandselements 20 mit dem über das Gehäuse 12 überstehenden Metallelement (bei gleichzeitiger elektrischer Isolation gegenüber diesem) ermöglicht, dass das Shunt-Widerstandselement 20 seine elektrische Verlustleistung (in Form von Wärme) direkt an das Metallelement 16 abgibt, welches seinerseits durch einen externen Kühlkörper (in den Figuren nicht gezeigt) gekühlt sein kann. Diese zusätzliche Kühlung ist auch für den Halbleiterchip 18 des Leistungstransistors 10 von Vorteil. Messtechnisch wird die Temperatur des Halbleiterchips 18 durch den Temperatursensor 22 erfasst. Insgesamt ergibt sich damit eine kompakte Struktur für den Leistungstransistor 10, was sich bautechnisch und von Seiten der Herstellungskosten aus günstig gestaltet.

10: Leistungstransistor
12: Gehäuse
14: Isolationsmaterial
16: Metallelement
18: Transistor-Halbleiterchip
20: Shunt-Widerstandselement
22: Temperatursensor
24: Drain-Anschlusselement des Leistungstransistors
26: Source-Anschlusselement des Leistungstransistors
28: Gate-Anschlusselement des Leistungstransistors
29: Bonddrähte
30: Anschlusselemente des Gehäuses
32: Anschlusselemente des Gehäuses
34: Anschlusselemente des Gehäuses
36: Anschlusselemente des Gehäuses
38: Keramikplättchen

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Kfz-Gebläsemotors, mit – einem Gehäuse (12), das elektrisch isolierendes Isolationsmaterial (14) aufweist und an einer Außenseite ein teilweise freiliegendes Metallelement (16) zur thermischen Kühlung und/oder zur thermischen Kopplung mit einem Kühlkörper aufweist, – einem Transistor (10), der einen in dem Gehäuse (12) angeordneten Halbleiterchip (18) aufweist, welcher mit dem Metallelement (16) thermisch gekoppelt ist, – einem in dem Gehäuse (12) angeordneten und zur Erfassung eines Stroms durch den Halbleiterchip (18) vorgesehenen Shunt-Widerstandselement (20), das mit dem Metallelement (16) thermisch gekoppelt ist, – wobei der Halbleiterchip (18) und das Shunt-Widerstandselement (20) in das Isolationsmaterial (14) des Gehäuses (12) eingebettet sind, und – aus dem Gehäuse (12) herausgeführten Anschlusselementen (24, 26, 28, 34, 36), mit denen der Halbleiterchip (18) und das Shunt-Widerstandselement (20) elektrisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in dem Gehäuse (12) angeordneten und zur Erfassung der Temperatur des Halbleiterchips (18) vorgesehenen Temperatursensor (22), der mit dem Halbleiterchip (18) thermisch gekoppelt und mit aus dem Gehäuse (12) herausgeführten Anschlusselementen (30, 32) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Shunt-Widerstandselement (20) innerhalb des Gehäuses (12) elektrisch mit dem Halbleiterchip (18) verschaltet ist.