Moderne Strommesswiderstände Vom Shunt zum Systembauteil

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Durch kompakte und leistungsfähige Systeme rücken Strommesswiderstände stärker in den Fokus der Entwicklung. Aus dem vermeintlich einfachen Shunt wird ein Bauteil, das Wirkungsgrad, Regelverhalten, Thermik und Zuverlässigkeit beeinflusst.

In vielen Hochstromanwendungen – etwa in KI-Servern, GPU-Versorgungen, Batteriemanagementsystemen, Automotive-Leistungselektronik, Schnellladeinfrastruktur, industriellen Antrieben oder leistungsstarken DC/DC-Wandlern – steigen die Anforderungen an die Strommessung deutlich.

Je nach Leistungsklasse, Spannungsebene und Topologie können hohe Dauerströme, Pulsbelastungen und schnelle Lastwechsel auftreten. Solche Anforderungen lassen sich nicht allein über aktive Halbleiter beherrschen. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Widerstandstechnologie, Leiterplattenlayout, thermischer Auslegung und Fertigungsqualität. Damit rücken passive Bauelemente aus der Nebenrolle heraus: Sie bestimmen zunehmend mit, wie effizient, stabil und zuverlässig moderne Elektroniksysteme tatsächlich arbeiten.

Zentrale Regel-, Schutz- und Diagnosefunktion

In modernen elektronischen Systemen ist die Strommessung weit mehr als eine reine Überwachung von Lastströmen. Sie beeinflusst Regelstrategien, Motorsteuerungen, Batteriemanagement, Ladealgorithmen, Überstromschutz sowie sicherheitsrelevante Funktionen.

Besonders in hochdynamischen Leistungselektroniken entscheidet eine präzise und stabile Stromerfassung über die Regelgüte des Gesamtsystems. Bereits geringe Messabweichungen können zu fehlerhaften Lastzuständen, schlechterem Wirkungsgrad oder thermischen Überlastungen führen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Langzeitstabilität und Temperaturverhalten.

Während in klassischen Industrieanwendungen Toleranzen von mehreren Prozent je nach Funktion oft ausreichen, verlangen moderne Systeme zunehmend präzise Strommessungen über große Temperaturbereiche hinweg. Vor allem in Automotive-Anwendungen, KI-Servern und kompakter Leistungselektronik können hohe thermische Belastungen und starke Lastwechsel auftreten. Dadurch rückt die thermische Stabilität des Strommesswiderstands stärker in den Mittelpunkt.

Ein zentraler Parameter ist dabei der Temperaturkoeffizient des Widerstands, kurz TCR. Er beschreibt die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur und beeinflusst direkt die Genauigkeit der Strommessung.

Allerdings reicht es in modernen Hochstromanwendungen nicht aus, ausschließlich den nominellen TCR-Wert aus dem Datenblatt zu betrachten. Ebenso wichtig sind reale Temperaturgradienten auf der Leiterplatte, lokale Hotspots, thermische Kopplungen zu benachbarten Bauteilen sowie die Eigenerwärmung des Widerstands unter Last.

Gerade bei kompakten Hochleistungsdesigns kann sich deshalb ein deutlicher Unterschied zwischen Datenblattwerten unter definierten Prüfbedingungen und dem tatsächlichen Verhalten im Endgerät ergeben.

Steigende Leistungsdichte erhöht die Anforderungen an die Strommessung

Höhere Versorgungsspannungen, leistungsfähigere Halbleiter sowie SiC- und GaN-Technologien ermöglichen kompaktere und effizientere Leistungselektronik. Dadurch steigen die Anforderungen an Strompfade, thermisches Design und Strommessung deutlich. Besonders sichtbar wird dies in KI-Servern und Rechenzentren. Moderne GPU- und KI-Beschleuniger erreichen sehr hohe Leistungsaufnahmen. In den nachgelagerten Niederspannungsversorgungen können daraus entsprechend hohe Ströme resultieren, die eine sehr niederohmige, verlustarme und thermisch stabile Strommessung erfordern. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Wirkungsgrad und Leistungsdichte.

Ähnliche Entwicklungen zeigen sich im Automotive-Bereich. Elektrische Antriebe, 48-V-Systeme, Batteriemanagementsysteme sowie On-Board-Charger arbeiten je nach Fahrzeugklasse und Systemtopologie mit hohen Dauer- und Pulsströmen bei begrenztem Bauraum. Dadurch rückt die Verlustleistung von Strommesswiderständen stärker in den Fokus der Entwicklung.

Die Verlustleistung berechnet sich nach:

Bereits kleine Widerstandswerte erzeugen bei hohen Strömen erhebliche thermische Belastungen. Ein Strommesswiderstand mit 0,2 mΩ erzeugt bei 200 A bereits 8 W Verlustleistung. Diese Wärme muss zuverlässig über Leiterplatte, Kupferflächen und gegebenenfalls zusätzliche Kühlmaßnahmen abgeführt werden.

Dadurch wird der Strommesswiderstand zunehmend zu einem thermisch relevanten Systembauteil. Seine Eigenschaften beeinflussen nicht nur die Strommessung selbst, sondern auch Temperaturverteilung, Hotspot-Bildung und Zuverlässigkeit der gesamten Baugruppe.

Hinzu kommt, dass moderne Leistungselektroniken häufig mit schnellen Lastwechseln arbeiten. Dynamische Stromspitzen erzeugen kurzfristig erhöhte Verlustleistungen und lokale Temperaturgradienten, die durch die mittlere Dauerleistung allein nicht vollständig beschrieben werden. Je nach Aufbau entstehen dadurch zusätzliche thermomechanische Spannungen im Widerstandselement und an den Lötstellen.

Besonders kritisch wird dies bei kompakten Hochstromdesigns mit begrenzter Wärmeabfuhr. Dort können bereits geringe Temperaturunterschiede erhebliche Auswirkungen auf Messgenauigkeit und Langzeitstabilität haben.

Wide-Terminal-Bauformen für hohe Strombelastungen

Um die steigenden Anforderungen moderner Hochstromdesigns zu erfüllen, setzen viele Hersteller auf Wide-Terminal- beziehungsweise Long-Side-Termination-Bauformen. Dabei liegen die Anschlüsse nicht an den kurzen Stirnseiten des Bauteils, sondern entlang der langen Seiten. Dadurch vergrößert sich die wirksame Kontakt- und Lötfläche.

Diese Bauformen bieten mehrere technische Vorteile. Durch größere Anschlussflächen können der elektrische Übergangswiderstand und die thermische Belastung an den Anschlüssen reduziert werden. In geeigneten Layouts verbessert sich zudem die Wärmeabfuhr über die Leiterplatte, da größere Kupferflächen wirksamer eingebunden werden können. Gleichzeitig lassen sich Stromkonzentrationen im Bereich der Lötstellen und damit lokale Hotspots sowie mechanische Belastungen verringern.

Besonders bei schnellen Lastwechseln und hohen Pulsströmen kann dies die Zuverlässigkeit verbessern. Je nach Aufbau können Wide-Terminal-Designs zudem eine gleichmäßigere Strom- und Wärmeverteilung im Bauteil- und Anschlussbereich unterstützen.

Klassische Short-Side-Termination-Bauformen können bei kompakten Hochstromanwendungen je nach Stromprofil und thermischer Umgebung an Grenzen stoßen. Die Stromdichte konzentriert sich dort auf vergleichsweise kleine Kontaktflächen, wodurch lokale Erwärmungen entstehen können. Daraus können asymmetrische Temperaturverteilungen, TCR-bedingte Widerstandsänderungen und zusätzliche Messfehler entstehen.

Wide-Terminal-Konstruktionen helfen, diese Effekte zu reduzieren. Voraussetzung ist jedoch ein passendes Leiterplattenlayout mit geeigneter Kupferanbindung, symmetrischer Stromführung und kontrollierter thermischer Auslegung.

Kelvin-Kontaktierung verbessert die Messgenauigkeit

Ein weiterer wichtiger Faktor moderner Strommesssysteme ist die elektrische Kontaktierung des Widerstands. Bereits geringe parasitäre Widerstände von Leiterbahnen, Durchkontaktierungen oder Lötstellen können die Messgenauigkeit beeinflussen.

Aus diesem Grund setzen viele Hochpräzisionsdesigns auf Vierleiter- beziehungsweise Kelvin-Kontaktierung. Dabei werden Strompfad und Messpfad getrennt geführt. Die Spannungsmessung erfolgt über separate Sense-Anschlüsse möglichst nahe am Widerstandselement und nicht über die stromführenden Anschlüsse.

So lassen sich Fehler durch Leiterbahn-, Kontakt- und Lötstellenwiderstände deutlich reduzieren, auch wenn Layout, Kontaktierung und thermische Verhältnisse weiterhin relevant bleiben. Besonders bei sehr niedrigen Widerstandswerten im Sub-Milliohm-Bereich und hohen Genauigkeitsanforderungen ist eine Kelvin-Kontaktierung in der Praxis häufig die bevorzugte Lösung. Die Strommessung basiert dabei auf dem Ohmschen Gesetz:

Bei sehr kleinen Widerstandswerten liegen die resultierenden Messspannungen häufig nur im Millivolt-Bereich. Bereits kleine parasitäre Widerstände, Temperaturgradienten oder thermoelektrische Effekte können daher relevante Messabweichungen verursachen. Die Vorteile hochwertiger Kelvin-Shunts lassen sich jedoch nur dann vollständig nutzen, wenn auch das PCB-Layout entsprechend ausgelegt ist. Unsymmetrische Leiterbahnen, ungünstig platzierte Vias oder thermische Kopplungen zu benachbarten Leistungsbauteilen können zusätzliche Fehler verursachen. Strommessung wird damit zunehmend zu einer gemeinsamen Aufgabe aus Bauteilauswahl, elektrischer und thermischer Betrachtung sowie Leiterplattenentwicklung.

Die passende Shunt-Technologie für jede Anwendung

Die Anforderungen moderner Strommessanwendungen haben zur Weiterentwicklung unterschiedlicher Widerstandstechnologien geführt. Je nach Applikation kommen verschiedene Materialien, Legierungen und Konstruktionsprinzipien zum Einsatz.

Dünnfilm- und Metallfilmwiderstände bieten hohe Präzision und niedrige TCR-Werte, sind bei sehr hohen Strömen und Leistungen jedoch nicht für jede Anwendung die passende Lösung.

Für Hochstromanwendungen werden daher häufig niederohmige Shunt-Technologien auf Basis spezieller Widerstandslegierungen eingesetzt, etwa Manganin oder vergleichbare niederohmige Widerstandslegierungen.

Metallband- und Massivmetall-Shunt-Technologien können – abhängig von Bauform, Legierung und Anschlusskonzept – hohe Strombelastbarkeit, niedrige Widerstandswerte, gute Langzeitstabilität und niedrige Temperaturkoeffizienten ermöglichen. Metallfolien-Widerstände spielen hingegen vor allem in hochpräzisen Mess-, Referenz- und Kalibrieranwendungen eine Rolle.

Geschweißte Konstruktionen werden bei vielen Hochstrom-Shunts eingesetzt, um niederohmige und robuste Verbindungen zwischen Widerstandselement und Anschlüssen zu realisieren. Je nach Aufbau können sie zur mechanischen Robustheit, niedrigen Übergangswiderständen und langfristigen elektrischen Stabilität beitragen.

Im Bereich präziser Strommessungen spielen zusätzlich Parameter wie Langzeitdrift, thermische EMK – also temperaturbedingte elektromotorische Kraft – und Pulsbelastbarkeit eine wichtige Rolle. Besonders in Automotive- und Industrieanwendungen müssen Strommesswiderstände über lange Betriebszeiten hinweg stabile Eigenschaften gewährleisten.

Hinzu kommen Anforderungen an Vibrationsfestigkeit und Belastbarkeit bei wiederholten Temperaturwechseln. Gerade in elektrischen Fahrzeugen können erhebliche mechanische und thermische Belastungen auf die eingesetzten Bauteile wirken.

Für Automotive-Anwendungen sind robuste Konstruktionen und – sofern applikationsseitig gefordert – Qualifikationen nach AEC-Q200 relevant. AEC-Q200 beschreibt Stress-Test-Anforderungen für passive Komponenten, ersetzt jedoch nicht die applikationsspezifische Freigabe im Endsystem.

Warum das Layout genauso wichtig ist wie der Shunt

Mit steigenden Strömen, schnelleren Lastwechseln und höheren Schaltfrequenzen gewinnt das PCB-Layout weiter an Bedeutung. Moderne Strommesswiderstände können ihre spezifizierten Eigenschaften nur dann im System erreichen, wenn auch das Leiterplattendesign entsprechend ausgelegt ist. Besonders kritisch sind Strompfade, Kupferquerschnitte, Via-Übergänge und thermische Kopplungen. Hohe Stromdichten können Current-Crowding-Effekte begünstigen, bei denen sich der Strom lokal konzentriert. Dadurch können Hotspots, asymmetrische Temperaturverteilungen und zusätzliche Messfehler entstehen.

Auch die Positionierung des Strommesswiderstands auf der Leiterplatte spielt eine wichtige Rolle. Befindet sich der Shunt in unmittelbarer Nähe leistungsstarker MOSFETs, Induktivitäten oder Transformatoren, können zusätzliche thermische Kopplungen entstehen, die die Messgenauigkeit beeinflussen.

Moderne Simulationstools ermöglichen detaillierte thermische und elektrische Analysen. Dennoch müssen Simulationsergebnisse durch geeignete Messungen im realen Aufbau verifiziert werden, da Fertigungstoleranzen, Materialübergänge, Lötstellen, Kupferverteilung und nichtlineare Temperaturverteilungen das tatsächliche Verhalten beeinflussen können.

Zuverlässigkeit entsteht bereits in der Fertigung

Mit steigenden Leistungen wird auch die Elektronikfertigung anspruchsvoller. In Hochstrombaugruppen können Strommesswiderstände zu den thermisch besonders relevanten Bauteilen zählen. Große Kupferflächen, asymmetrische Wärmeeinbringung und hohe thermische Massen können stabile Lötprozesse erschweren. Besonders bei großformatigen Hochstrom-Shunts müssen Lötstellenqualität, Benetzung, Voiding und mechanische Spannungen sorgfältig betrachtet werden. Temperaturzyklen können zudem langfristig die Kontakt- und Lötstellenqualität beeinflussen. Hinzu kommt, dass Hochstromwiderstände je nach Anwendung auf dicken Kupferlagen, IMS-Substraten oder anderen thermisch optimierten Leiterplattenaufbauten eingesetzt werden. Damit werden Reflow-Prozesse, Lotpasten, Pad-Design und Temperaturprofile zu wichtigen Stellgrößen der Prozesssicherheit.

Auch die Auswahl geeigneter Lotpasten, Lötlegierungen und Prozessparameter gewinnt an Bedeutung. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Widerstandselement, Anschlüssen, Lot und Leiterplatte können langfristig mechanische Belastungen erzeugen. Besonders bei Anwendungen mit starken Temperaturzyklen entstehen dadurch potenzielle Schwachstellen.

Strommesswiderstände als Systemkomponente

Die steigende Leistungsdichte moderner Elektroniksysteme rückt passive Bauelemente stärker in den Fokus der Entwicklung. Strommesswiderstände beeinflussen heute nicht nur die Genauigkeit der Stromerfassung, sondern auch thermisches Verhalten, EMV, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit kompletter Systeme.

Damit verschiebt sich ihre Rolle grundlegend: Aus dem klassischen Shunt wird zunehmend ein hochoptimiertes Systembauteil, dessen Eigenschaften bereits frühzeitig in Bauteilauswahl, Simulation, PCB-Layout, thermische Auslegung und Fertigungsprozesse einfließen müssen. Entscheidend ist nicht allein der niedrigste Widerstandswert, sondern die passende Kombination aus Technologie, Bauform, Anschlusskonzept, Lastprofil, thermischer Anbindung und Langzeitstabilität. (mr)

* Falko Ladiges ist Teamleader PEMCO bei WDI AG.

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