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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung einer Ansteuerung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines netzseitigen, grundfrequenzgetakteten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.
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Aus der Veröffentlichung ”Fundamental Frequency Front End Converter (F
3E)-a DC-link drive converter without eletrolytic capacitor” von Kurt Göpfrich, Dr. Carsten Rebbereh und Dr. Lothar Sack, PCIM 2003, Nürnberg, Mai 2003, ist ein Antriebs-Umrichter bekannt, der netzseitig einen grundfrequenz-getakteten Stromrichter und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter aufweist. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig direkt elektrisch parallel geschaltet. D. h., im sogenannten Gleichspannungszwischenkreis ist weder ein Zwischenkreiskondensator noch eine Zwischenkreisdrossel angeordnet. Jeder Diode des netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters ist ein elektronisch steuerbarer Schalter, insbesondere ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), elektrisch parallel geschaltet. Zwischen den Netzanschlüssen und den Eingangs-Anschlüssen dieses netzseitigen Stromrichters ist ein Filterkreis, bestehend aus Filterdrosseln und Filterkondensatoren, angeordnet. Für die Generierung von Steuersignalen für die elektronisch steuerbaren Schalter des netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters ist eine Komparatorschaltung vorgesehen, die eingangsseitig mit den speisenden Netz verknüpft ist. Beispielsweise ist eine Komparatorschaltung und deren Funktion in der
DE 199 13 634 A1 ausführlich behandelt.
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Ein derartiger Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einem netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichter ist rückspeisefähig. Für einen netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichter besteht grundsätzlich die Anforderung, alle Ansteuerpulse unabhängig von einer aktuellen Netzspannung durch einen externen Befehl einer Umrichtersteuerung abschalten zu können. Diese Abschaltung ist in einigen Störfällen des Umrichters, beispielsweise bei motorseitigem Erdschluss, erforderlich, um unzulässige Kurzschlussströme aus dem speisenden Netz des Spannungszwischenkreis-Umrichters zu verhindern.
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Die Ansteuerschaltungen oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters werden beispielsweise aus einem eigenen Schaltnetzteil versorgt. Dieses Schaltnetzteil liefert ständig Energie. Die Primärseite dieses Schaltnetzteils liegt auf dem gleichen Potential wie eine Fehlererkennung. Bei einem Fehler werden die Ansteuerpulse dieses Schaltnetzteils gesperrt. Auf der Sekundärseite dieses Schaltnetzteils ist nur ein Pufferkondensator mit geringem Speicherwert notwendig, da ständig Energie nachgeliefert wird. Wird die Energie zuvor unterbrochen, sinkt die Spannung am Pufferkondensator rapide ab. Diese Spannungsverringerung wird mittels einer Unterspannungsüberwachung, die beispielsweise Bestandteil einer Ansteuerschaltung ist, ermittelt. Sobald eine vorbestimmte Unterspannung erreicht worden ist, werden die Pulse für die oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter des netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters gesperrt. Nachteil dieser Spannungsversorgung besteht darin, dass ein separates Schaltnetzteil benötigt wird. Dieses zusätzliche Schaltnetzteil verursacht Kosten und beansprucht im Stromrichter bzw. Umrichter einen ausreichenden Platz.
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Bei einer weiteren Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines Stromrichters wird gemäß der Veröffentlichung ”Data Sheet No. PD 60260 – Half-Bridge Driver” der Firma International Rectifier eine sogenannte Bootstrap-Schaltung als Spannungsquelle eingesetzt. Diese Bootstrap-Schaltung weist gemäß der Seite 1, obere Figur des Blockes ”Typical Connection” dieser Veröffentlichung einen Speicherkondensator auf, der regelmäßig nachgeladen werden muss. Ein positiver Anschluss dieses Speicherkondensators ist mittels einer Entkopplungsdiode mit einem positiven Ausgangs-Anschluss einer Spannungsquelle verknüpft. Die Kapazität dieses Speicherkondensators muss derart bemessen sein, dass für eine vorbestimmte Zeitspanne eine am Speicherkondensator anstehende Spannung annähernd konstant sein muss. Diese Bootstrap-Schaltung ist besonders kostengünstig. Gemäß der oberen Figur der Seite 4 dieser Veröffentlichung ist ein positiver Anschluss des Speicherkondensators außerdem mit einer Unterspannungsüberwachung der Ansteuerschaltung eines oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters verknüpft.
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Nachteilig wirkt sich aus, dass bei einem Fehler, beispielsweise einem motorseitigen Kurzschluss, wegen der großen Kapazität des Speicherkondensators erst nach einer längeren Zeitspanne dieser Speicherkondensator soweit entladen ist, dass die am Speicherkondensator anstehende Spannung eine in der Unterspannungsüberwachung vorbestimmte Unterspannung unterschreitet, wodurch jeder obere abschaltbare Leistungshalbleiterschalter eines Stromrichters wegen Unterspannung abgeschaltet wird. Diese Zeitspanne ist aber für den Störfall ”motorseitiger Kurzschluss” zu lang. In dieser Zeit steigt ein fließender Kurzschlussstrom dermaßen an, dass die von diesem Kurzschlussstrom durchflossenen Leistungshalbleiterschalter zerstört werden. Unter Umständen kann es zu einem Umrichterbrand kommen.
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Aus der
DE 10 2006 035 861 A1 ist eine Ansteuerschaltung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters bekannt, die aus einer Bootstrap-Schaltung versorgt wird. Diese Ansteuerschaltung, insbesondere in der Ausführungsform gemäß
5, weist ein potentialtrennendes Bauelement, beispielsweise einen Optokoppler, auf. Mittels dieses Optokopplers können im Fehlerfall alle oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter des netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters abgeschaltet werden. Voraussetzung ist aber eine Ansteuerschaltung in der Ausführungsform gemäß
5 dieser Offenlegungsschrift. Außerdem wird ein zusätzliches potentialtrennendes Bauelement benötigt, dem ein Fehlersignal zugeführt werden muss.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters anzugeben, mit der die zuvor genannten Nachteile nicht mehr auftreten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.
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Dadurch, dass elektrisch parallel zum Speicherkondensator ein Zeitglied geschaltet ist, werden im Fehlerfall nach einer Zeitspanne, die unwesentlich länger ist als eine Netzperiodendauer, in Folge von Unterspannung die oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters abgeschaltet. Damit zwischen den Nachladezyklen zwischen dem Speicherkondensator und dem Kondensator des Zeitgliedes keine Ausgleichsströme fließen können, sind diese beiden Kondensatoren mittels einer zweiten Entkopplungsdiode voneinander entkoppelt. Der Vorteil dieser Spannungsversorgung besteht darin, dass eine Bootstrap-Schaltung, die mittels eines Zeitgliedes erweitert worden ist, verwendet werden kann, wobei für eine Abschaltung des netzseitigen Stromrichters keine potentialtrennenden Bauelemente und kein separates Steuersignal mehr benötigt werden.
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Die Ausführungsform gemäß Anspruch 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Anspruch 1 dadurch, dass anstelle der zweiten Entkopplungsdiode ein Transistor verwendet wird. Dieser Transistor ist im Betriebszustand ”Nachladung” leitend, damit der Kondensator des Zeitgliedes parallel zum Speicherkondensator aufgeladen werden kann. Sobald kein Nachladestrom mehr fließt, ist der Transistor gesperrt. D. h., die Parallelschaltung aus Zeitglied und Speicherkondensator ist aufgetrennt. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Anspruch 1 ist die verfügbare Spannung am Speicherkondensator um eine Dioden-Durchlassspannung einer Entkopplungsdiode größer.
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Durch diese erfindungsgemäße Lösung kann die kostengünstige Bootstrap-Schaltung als Spannungsversorgung für die Ansteuerschaltungen der oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters verwendet werden, ohne dass dabei wenigstens ein potentialtrennendes Bauelement und ein separates Steuersignal verwendet werden müssen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines bekannten Antriebsumrichters ohne Spannungszwischenkreiskondensator, die
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2 zeigt eine bekannte Spannungsversorgung für eine Ansteuerung eines oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters und in der
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3 ist eine erste Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht, wobei in der
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4 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt ist.
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In der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Antriebsumrichters 2 dargestellt, der aus der PCIM-Veröffentlichung bekannt ist. Dieser bekannte Antriebsumrichter 2 weist netzseitig einen grundfrequenz-getakteten Stromrichter 4 und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 auf. Der Gleichrichter 4 und der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 6 sind gleichspannungsseitig direkt miteinander mittels einer positiven und einer negativen Stromschiene 8 und 10 elektrisch leitend verbunden. Im Gleichspannungszwischenkreis sind somit keine Zwischenkreisdrosseln und Zwischenkreiskondensatoren mehr vorhanden. Zwischen den Anschlüssen U, V, W eines nicht näher dargestellten Netzes und den wechselspannungsseitigen Eingangs-Anschlüssen 12, 14 und 16 des grundfrequenzgetakteten Stromrichters 4 ist ein Filterkreis 18 angeordnet. Dieser Filterkreis 18 weist Filterdrosseln LF und Filterkondensatoren CF auf, wobei diese Filterdrosseln LF jeweils in einer Netzzuleitung und die Filterkondensatoren CF in Dreieck geschaltet sind. Der netzseitige, grundfrequenz-getaktete Stromrichter 4 weist für jede Spannungsphase zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden auf, die derart elektrisch verschaltet sind, dass eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung (6-pulsig) entsteht. Elektrisch parallel zu jeder Diode dieses grundfrequenz-getakteten Stromrichters 4 ist jeweils ein elektronisch steuerbarer Schalter T1, ..., T6 geschaltet. Als elektronisch steuerbarer Schalter T1, ..., T6 sind abschaltbare Halbleiterschalter, insbesondere IGBTs, vorgesehen.
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Diese elektronisch steuerbaren Leistungshalbleiterschalter des netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters
4 sind mit ihren Steueranschlüssen gemäß PCIM-Veröffentlichung mit einer Steuereinrichtung verknüpft. Da diese Steuereinrichtung vorwiegend aus Komparatoren aufgebaut ist, wird diese als Komparatorschaltung bezeichnet. Eine Ausführungsform dieser Komparatorschaltung ist der
DE 199 13 634 A1 entnehmbar.
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In der 2 ist eine bekannte Spannungsversorgungs-Vorrichtung für eine Ansteuerschaltung 20 eines oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T1 näher dargestellt. Diese Ansteuerschaltung 20 ist ausgangsseitig mit seinen beiden Ausgängen 22 und 24 mit Steueranschlüssen, beispielsweise einem Gate-Anschluss G und einem Source-Anschluss S, des abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T1 verknüpft. Eingangsseitig ist zu den beiden Eingangs-Anschlüssen 26 und 28 der Ansteuerschaltung 20 ein Speicherkondensator C1 elektrisch parallel geschaltet. Ein positiver Anschluss 30 dieses Speicherkondensators C1 ist mittels eines Widerstandes R1 und einer Entkopplungsdiode D1 mit einem positiven Ausgangs-Anschluss 32 einer Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden. Von dieser Spannungsquelle ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur der sekundärseitige Pufferkondensator C2 dargestellt. Der negative Ausgangs-Anschluss 34 dieser Spannungsquelle ist mit der negativen Stromschiene 10 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 verknüpft. Elektrisch parallel zu diesen Pufferkondensator C2 ist eine Ansteuerschaltung 36 des unteren abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T2 geschaltet. Der Aufbau der beiden anderen Phasen dieses netzseitigen Stromrichters 4 entspricht dem in der 2 dargestellten Aufbau. Die Entkopplungsdiode D1 verhindert, dass ein Strom aus dem Speicherkondensator C1 zum Pufferkondensator C2 fließt, insbesondere dann, wenn der zugehörige Leistungshalbleiterschalter T2 gesperrt ist. Der Widerstand R1 begrenzt einen Strom durch die Entkopplungsdiode D1. Dieser Speicherkondensator C1, der auch als Bootstrap-Kondensator bezeichnet wird, wird über die Diode D1 und den Begrenzungswiderstand R1 auf die am Pufferkondensator C2 anstehende Spannung immer dann aufgeladen, wenn der untere abschaltbare Leistungshalbleiterschalter T2 durchgeschaltet ist. Wenn der untere abschaltbare Leistungshalbleiterschalter T2 wieder sperrt, und sich das Potential am Eingangs-Anschluss 12 erhöht, liegt am positiven Anschluss 30 des Speicherkondensators C1 eine Spannung an, die um die am Speicherkondensator C1 abfallende Spannung höher ist als die vom Potential des Eingangs-Anschlusses 12.
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Die Ansteuerschaltungen
20 und
36 können entsprechend einer Ansteuerschaltung der
DE 10 2005 045 345 A1 ausgeführt sein. Um im Fehlerfall, beispielsweise einem motorseitigen Erdschluss, diesen netzseitigen Stromrichter abschalten zu können, um einen unzulässigen Kurzschlussstrom aus dem speisenden Netz zu verhindern, muss ein potentialtrennendes Bauelement, beispielsweise ein Optokoppler, für jede Ansteuerschaltung
20 der oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 vorgesehen werden. Dadurch kann ein Abschaltbefehl übertragen werden.
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Soll nur noch ein potentialtrennendes Bauelement anstelle von drei potentialtrennende Bauelementen verwendet werden, so müssen die Ansteuerschaltungen der oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 gemäß der Ausführungsform der
5 der
DE 10 2006 035 861 A1 ausgebildet sein.
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In der 3 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung 20 des oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T1 dargestellt. Gegenüber der bekannten Vorrichtung gemäß 2 ist elektrisch parallel zum Speicherkondensator C1 ein Zeitglied 38 geschaltet. Dieses Zeitglied 38 besteht aus einer Parallelschaltung eines Kondensators C3 und eines Widerstandes R2. Dieses Zeitglied 38 ist so bemessen, dass nach einer Zeitspanne einer Netzperiodendauer eine vorbestimmte untere Spannungsschwelle noch nicht erreicht wird. Erfolgt nach dieser Zeitspanne keine Nachladung des Kondensators C3 des Zeitgliedes 38, sinkt die Spannung am Kondensator C3 weiter ab. Diese anstehende Spannung am Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 ist einer Unterspannungsüberwachung 40 der Ansteuerschaltung 20 zugeführt. Dazu ist ein positiver Anschluss 44 des Zeitgliedes 38 mit einem Eingang der Unterspannungsüberwachung 40 elektrisch leitend verbunden. Wird eine untere Spannungsschwelle erreicht bzw. unterschritten, wird der abschaltbare Leistungshalbleiterschalter T1 wegen Unterspannung abgeschaltet.
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Damit der Kondensator C3 und der Speicherkondensator C1 voneinander entkoppelt sind, ist eine zweite Entkopplungsdiode D2 vorgesehen. Damit sich die Spannung, die am Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 und am Speicherkondensator C1, gleichen, ist ebenfalls zwischen Widerstand R1 und dem Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 eine dritte Entkopplungsdiode D3 angeordnet. Mittels jeweils des Zeitgliedes 38 können nun im Fehlerfall die oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 abgeschaltet werden, ohne dass ein zusätzliches Abschaltsignal potentialgetrennt jeweils zu einer Ansteuerschaltung 20 der oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 geführt werden muss.
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Es muss aber in Kauf genommen werden, dass das Potential am Anschluss 30 gegenüber dem Potential des Pufferkondensators C2 um die Summe zweier Dioden-Durchlassspannungen niedriger ist. Bei der bekannten Ausführungsform der Spannungsversorgungs-Vorrichtung gemäß 2 ist dieses Potential nur um eine Dioden-Durchlassspannung niedriger.
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Die 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung 20 jeweils eines oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T1, T3 und T5 eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters 4. Gegenüber der Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich diese Ausführungsform dadurch, dass anstelle der beiden Entkopplungsdioden D2 und D3 ein Transistor 42, insbesondere ein pnp-Transistor vorgesehen ist. Der Emitter-Anschluss E dieses Transistors 42 ist einerseits mittels der Entkopplungsdiode D1 mit dem positiven Ausgangs-Anschluss 32 der Spannungsquelle und andererseits mittels des Widerstandes R1 mit dem positiven Anschluss 30 des Speicherkondensators C1 elektrisch leitend verbunden. Der Basis-Anschluss B dieses Transistors 42 ist mittels eines Widerstandes R3 mit diesem positiven Anschluss 30 des Speicherkondensators C1 elektrisch leitend verbunden. Der Kollektor-Anschluss C dieses Transistors 42 ist mit einem positiven Anschluss 44 des Zeitgliedes 38 verknüpft. Dieser positive Anschluss 44 ist, wie bei der Ausführungsform gemäß der 3 mit einem Eingang einer Unterspannungsüberwachung 40 verbunden.
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Fließt nun ein Nachladestrom, so fällt am Widerstand R1 eine Spannung ab, die den Transistor 42 leitend schaltet. Dadurch wird der Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 parallel zum Speicherkondensator C1 geladen. Der Widerstand R3 dient zur Begrenzung des Basisstromes des Transistors 42. Sobald diese Kondensatoren C1 und C3 aufgeladen sind, fließt kein Strom mehr durch den Widerstand R1, so dass der Transistor 42 sperrt.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der Ausführungsform gemäß 3 besteht darin, dass im Versorgungspfad von der Entkopplungsdiode D1 über den Widerstand R1 zum Speicherkondensator C1 keine zweite Entkopplungsdiode D2 sich befindet, die einen Spannungsabfall generiert und so die verfügbare Spannung am Speicherkondensator C1 reduziert. Somit entspricht die verfügbare Spannung am Speicherkondensator C1 der verfügbaren Spannung der Vorrichtung gemäß der 2.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zur Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 eines netzseitigen, grundfrequenz-getakteten Stromrichters 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 kann die kostengünstige Bootstrap-Schaltung verwendet werden, ohne dass für Fehlerfälle, insbesondere dem Fehlerfall ”motorseitiger Kurzschluss” wenigstens ein zusätzliches potentialtrennendes Bauelement verwendet werden muss.
