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Die Erfindung betrifft Umrichter (z. B. Frequenzumrichter) für Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung Umrichter zur Leistungssteigerung und energieeffizienten Betriebsführung elektrischer Antriebe, d. h. insbesondere kostengünstige und energieeffiziente Umrichter für Elektrofahrzeuge.
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Umrichter, insbesondere Wechselrichter, werden in Fahrzeugen dazu verwendet, die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom einer Batterie des Fahrzeugs in eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom zum Betrieb eines Elektromotors des Fahrzeugs zu wandeln. Der Elektromotor des Fahrzeugs kann z. B. zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Dabei wird der Elektromotor in einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben. Insbesondere wird der Elektromotor für unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten des Fahrzeugs mit unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen betrieben.
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Der Umrichter des Fahrzeugs sollte daher eingerichtet sein, den Elektromotor mit unterschiedlichen Drehmomenten bei verschiedenen Drehzahlen zu betreiben. Dabei sollte der Elektromotor derart betrieben werden, dass durch Bereitstellung eines Drehmoments eine gewünschte Beschleunigung erreicht werden kann. Typischerweise wird die Kombination aus Umrichter und elektrischer Maschine als Antrieb bezeichnet. Der Elektroantrieb sollte bei den unterschiedlichen Betriebspunkten mit möglichst geringen Energieverlusten betrieben werden, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Desweiteren sollte der Umrichter, als Stellglied des Antriebs, möglichst effizient und kostengünstig sein, um zum Einen zur Erhöhung der Reichweite beitragen zu können und zum Anderen die Kosten für den Elektroantrieb des Fahrzeugs zu reduzieren.
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Das vorliegende Dokument beschreibt eine Lösung zu den oben genannten technischen Problemen. Insbesondere beschreibt das vorliegende Dokument einen kostengünstigen und energieeffizienten Umrichter, der eingerichtet ist, einen Elektroantrieb in möglichst allen Betriebspunkten optimal betreiben zu können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Umrichter-System beschrieben, das eingerichtet ist, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung an einem Ausgangspunkt des Umrichter-Systems umzuwandeln. Das Umrichter-System kann insbesondere dazu verwendet werden, einen Elektromotor (z. B. einen Drehstrom-Elektromotor) anzutreiben. Der Elektromotor (auch elektrische Maschine oder kurz Maschine genannt) kann dazu verwendet werden, ein Fahrzeug (z. B. ein einspuriges oder ein zweispuriges Fahrzeug, etwa ein Kraftfahrzeug oder ein Automobil) anzutreiben. Die Gleichspannung kann aus einem Energiespeicher (z. B. einer Batterie) des Fahrzeugs gewonnen werden. Das Umrichter-System kann auch eingerichtet sein, in umgekehrter Weise, aus einer Wechselspannung am Ausgangpunkt eine Gleichspannung zu erzeugen. Dies kann im Generatorbetrieb des Elektromotors dazu verwendet werden, die rekuperierte elektrische Energie in dem Energiespeicher des Fahrzeugs zu speichern.
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Die Gleichspannung kann eine Zentralspannung und eine Erweiterungsspannung umfassen. Insbesondere kann sich die Gleichspannung aus der Zentralspannung und ein oder mehreren Erweiterungsspannungen zusammensetzen.
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Das Umrichter-System kann eine Vielzahl (z. B. 2 oder mehr, 3 oder mehr, 4 oder mehr, 5 oder mehr) von parallel geschalteten Zentralelementen (auch zentrale Elemente genannt) umfassen. Die Zentralelemente der Vielzahl von Zentralelementen können baugleich sein. Mit anderen Worten, die Zentralelemente können einer einheitlichen Spezifikation unterliegen oder die Zentralelemente können die Anforderung einer einheitlichen Spezifikation erfüllen. Die Spezifikation kann insbesondere Anforderung hinsichtlich der in einem Zentralelement verwendeten Schalter (z. B. in Bezug auf Durchlasswiderstand, maximale Schaltfrequenz, Schaltertyp, und/oder Steilheit von Schaltflanken, etc.) definieren.
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Jedes Zentralelement kann mindestens eine Halbbrücke umfassen. Insbesondere kann ein Zentralelement für jede Phase der zu erzeugenden Wechselspannung/des zu erzeugenden Wechselstroms mindestens eine Halbbrücke umfassen. Eine Halbbrücke umfasst typischerweise einen hochseitigen Schalter und einen niederseitigen Schalter, die durch eine Leitung miteinander verbunden sind. Zwischen dem hochseitigen Schalter und dem niederseitigen Schalter liegt der Mittelpunkt der Halbbrücke. Die Mittelpunkte der Halbbrücken der Vielzahl von Zentralelementen können (direkt) mit dem Ausgangspunkt des Umrichter-Systems gekoppelt sein.
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Die Vielzahl von Zentralelementen kann parallel zu der Zentralspannung angeordnet sein. Mit anderen Worten, jedes der Zentralelemente kann parallel zu der Zentralspannung angeordnet sein. Die Vielzahl von Zentralelementen kann somit die Gleichspannung dazu verwenden, die Wechselspannung bzw. den Wechselstrom zu generieren.
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Das Umrichter-System kann weiter eine Vielzahl von parallel geschalteten Erweiterungselementen umfassen. Die Vielzahl von Erweiterungselementen kann der Vielzahl von Zentralelementen entsprechen. Insbesondere kann die Anzahl der Erweiterungselemente der Anzahl von Zentralelementen entsprechen. In ähnlicher Weise wie die Zentralelemente, können auch die Erweiterungselemente der Vielzahl von Erweiterungselementen baugleich sein. Mit anderen Worten, die Erweiterungselemente können einer einheitlichen Spezifikation unterliegen oder die Erweiterungselemente können die Anforderung einer einheitlichen Spezifikation erfüllen. Die Spezifikation kann insbesondere Anforderung hinsichtlich der in einem Erweiterungselement verwendeten Erweiterungsschalter (z. B. in Bezug auf Durchlasswiderstand, maximale Schaltfrequenz, Schaltertyp, und/oder Steilheit von Schaltflanken, etc.) definieren.
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Jedes Erweiterungselement kann mindestens einen Erweiterungsstrang mit mindestens einem Erweiterungsschalter umfassen. Der Erweiterungsstrang eines Erweiterungselements kann in Serie zu der Halbbrücke des entsprechenden Zentralelements angeordnet sein. Somit kann ein Erweiterungselement dazu verwendet werden, die Halbbrücke des entsprechenden Zentralelements zu erweitern.
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Die Vielzahl von Erweiterungselementen kann parallel zu der Erweiterungsspannung angeordnet sein. Mit anderen Worten, jedes der Erweiterungselemente kann parallel zu der Erweiterungsspannung angeordnet sein. Die Vielzahl von Erweiterungselementen kann somit die Gleichstrom-Erweiterungsspannung dazu verwenden, die Wechselspannung bzw. den Wechselstrom zu generieren.
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Folglich kann das Umrichter-System anhand von einer geringen Anzahl (z. B. zwei) ggf. baugleicher Strukturblöcke, in flexibler und kostengünstiger Weise parallele Strukturen und/oder Mehr-Ebenen-Strukturen aufbauen. Durch diese Strukturen können die in diesem Dokument beschriebenen technischen Vorteile erzielt werden.
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Die Erweiterungsspannung kann einer hochseitigen Erweiterungsspannung entsprechen und die Gleichspannung kann weiter eine niederseitige Erweiterungsspannung umfassen. Insbesondere kann sich die Gleichspannung aus der Zentralspannung und aus der hochseitigen und der niederseitigen Erweiterungsspannung und ggf. aus weiteren Erweiterungsspannungen zusammensetzen. Insbesondere kann sich die Gleichspannung aus einer Zentralspannung, ein oder mehreren hochseitigen Erweiterungsspannungen und ein oder mehreren niederseitigen Erweiterungsspannungen zusammensetzen. Bei den hochseitigen Erweiterungsspannungen handelt es sich typischerweise um Spannungen, die ein höheres Potential aufweisen als die Zentralspannung. Bei den niederseitigen Erweiterungsspannungen handelt es sich typischerweise um Spannungen, die ein niedrigeres Potential aufweisen als die Zentralspannung.
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Die Vielzahl von parallel geschalteten Erweiterungselementen kann einer Vielzahl von hochseitigen Erweiterungselementen entsprechen, deren Erweiterungsstränge in Reihe mit einem hochseitigen Ende der entsprechenden Halbbrücken angeordnet sind. Insbesondere kann der Erweiterungsschalter des hochseitigen Erweiterungselements direkt in Reihe mit dem hochseitigen Schalter der entsprechenden Halbbrücke und an einem höheren Potential als der hochseitige Schalter angeordnet sein.
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Das Umrichter-System kann weiter eine der Vielzahl von Zentralelementen entsprechende Vielzahl von parallel geschalteten niederseitigen Erweiterungselementen umfassen, deren Erweiterungsstränge in Reihe mit einem niederseitigen Ende der entsprechenden Halbbrücken angeordnet sind. Insbesondere kann der Erweiterungsschalter des niederseitigen Erweiterungselements in Reihe mit dem niederseitigen Schalter der entsprechenden Halbbrücke und an einem geringeren Potential als der niederseitige Schalter angeordnet sein. Die Vielzahl von niederseitigen Erweiterungselementen kann parallel zu der niederseitige Erweiterungsspannung angeordnet sein.
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Desweiteren kann das Umrichter-System eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Halbbrücken der Vielzahl von Zentralelementen und/oder die Erweiterungsschalter der Vielzahl von Erweiterungselementen derart zu steuern, dass am Ausgangspunkt des Umrichter-Systems eine Wechselspannung anliegt.
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Die Steuereinheit kann insbesondere eingerichtet sein, einen Betriebspunkt eines Elektromotors zu ermitteln, der durch die, an dem Ausgangspunkt des Umrichter-Systems anliegenden, Wechselspannung angetrieben wird. Bei dem ermittelten Betriebspunkt kann es sich um einen aktuellen Ist-Betriebspunkt und/oder um einen einzustellenden Soll-Betriebspunkt handeln. Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebspunkt, aus der Vielzahl von Zentralelementen und/oder aus der Vielzahl von Erweiterungselementen diejenigen ein oder mehreren Zentralelemente und/oder diejenigen ein oder mehreren Erweiterungselemente auszuwählen, die für die Erzeugung der Wechselspannung verwendet werden. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein oder mehrere Zentralelemente und/oder ein oder mehrere Erweiterungselemente derart auszuwählen, dass der Elektromotor von seinem Ist-Betriebspunkt in den Soll-Betriebspunkt überführt wird.
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Die Auswahl der Elemente kann z. B. in Hinblick auf eine Erhöhung der Lebensdauer der Schalter des Umrichter-Systems erfolgen. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein oder mehrere Zentralelemente und/oder ein oder mehrere Erweiterungselemente derart auszuwählen, dass eine Beanspruchung der Zentralelemente der Vielzahl von Zentralelementen (z. B. gleichmäßig über die Zeit) auf die Vielzahl von Zentralelementen verteilt wird und/oder eine Beanspruchung der Erweiterungselemente der Vielzahl von Erweiterungselementen (z. B. gleichmäßig über die Zeit) auf die Vielzahl von Erweiterungselementen verteilt wird.
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Alternativ oder ergänzend kann die Auswahl der Elemente z. B. in Hinblick auf die Höhe des von dem Elektromotor benötigten Betriebsstroms erfolgen. Bei dem Betriebsstrom kann es sich um einen Soll-Betriebsstrom handeln. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, einen Betriebsstrom für den Elektromotor zu ermitteln, und die Anzahl der verwendeten Zentralelemente und/oder die Anzahl der verwendeten Erweiterungselemente in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebsstrom auszuwählen.
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Alternativ oder ergänzend kann die Auswahl der Elemente z. B. in Hinblick auf eine Reduzierung der Oberwellenanteile in der generierten Wechselspannung/in dem generierten Wechselstrom erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die Auswahl der Elemente z. B. in Hinblick auf eine Erhöhung des Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors erfolgen. Beispielsweise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Drehzahl des Elektromotors zu ermitteln, und weiter eingerichtet sein, die Erweiterungsschalter der Erweiterungselemente in Abhängigkeit von der Drehzahl zu schließen bzw. zu öffnen. Insbesondere kann typischerweise bei relativ niedrigen Drehmoment-Drehzahl-Betriebspunkten auf die Verwendung der Erweiterungselemente verzichtet werden. Andererseits können die Erweiterungselemente bei relativ hohen Drehzahlen dazu verwendet werden, die verfügbare Leistung des Elektromotors, durch höhere Speisespannungen zu erhöhen. Die Steuereinheit kann somit eingerichtet sein, die Verwendung der Vielzahl von Erweiterungselementen von den Betriebspunkten des Elektroantriebs abhängig zu machen. Insbesondere kann die Verwendung der Vielzahl von Erweiterungselementen von dem (gewünschten) Drehmoment und/oder der Drehzahl des Elektroantriebs abhängig gemacht werden.
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Die Erweiterungsstränge benachbarter Erweiterungselemente können in einer Baumstruktur paarweise miteinander verbunden sein. Durch eine derartige symmetrische Kopplung der Erweiterungselemente (und ggf. auch der Zentralelemente) können parasitäre Effekte in dem Umrichter-System systematisch kompensiert/reduziert werden.
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Wie bereits oben dargelegt, kann das Umrichter-System eingerichtet sein, die Gleichspannung in eine N-phasige Wechselspannung an N Ausgangspunkten, N > 1 (z. B. N = 3), umzuwandeln. In diesem Fall können die Zentralelemente für jede der N Phasen mindestens eine Halbbrücke umfassen. Die einzelnen Halbbrücken für die verschiedenen Phasen können baugleich sein. Der Mittelpunkt einer Halbbrücke für eine bestimmte Phase kann mit dem entsprechenden Ausgangspunkt der bestimmten Phase gekoppelt sein. Dies kann für alle Phasen gelten.
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Desweiteren können in dem o. g. Fall die Erweiterungselemente für jede der N Phasen mindestens einen Erweiterungsstrang mit mindestens einem Erweiterungsschalter umfassen. Die einzelnen Erweiterungsstränge für die verschiedenen Phasen können baugleich sein. Der Erweiterungsstrang für eine bestimmte Phase kann in Serie zu der entsprechenden Halbbrücke der bestimmten Phase angeordnet sein. Dies kann für alle Phasen gelten.
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Die Schalter der Halbbrücken und die Erweiterungsschalter können IGBT und/oder MOSFET Transistoren umfassen. Die Verwendung einer Vielzahl von parallelen Elementen ermöglicht die Verwendung von (MOSFET Transistoren) stromtragschwächeren, aber schnelleren Elementen als Schalter. Dies kann insbesondere in Hinblick auf Schaltfrequenzen, Kosten und Energieverlusten vorteilhaft sein. Typischerweise handelt es sich bei den Schaltern um Transistoren. Transistoren können unterschiedliche Charakteristika aufweisen. Insbesondere können sich Transistoren hinsichtlich Stromtragfähigkeit, Geschwindigkeit und Kosten unterscheiden. Die in diesem Dokument beschriebene Umrichterstruktur ermöglicht die Verwendung von Schaltern (d. h. Transistoren), die eine verminderte Stromtragfähigkeit aufweisen, dafür aber meist eine erhöhte Geschwindigkeit und meist verminderte Kosten aufweisen (wie z. B. MOSFETs im Vergleich zu IGBTs).
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
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1 beispielhafte Topologien für Umrichter eines Fahrzeugs;
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2 eine beispielhafte Umrichtermatrix;
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3 die beispielhafte Kaskadierung der Elemente einer Umrichtermatrix;
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4 ein beispielhaftes Umrichter-System; und
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5 zeigt ein beispielhaftes zentrales Element und beispielhafte Erweiterungselemente; und
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6 zeigt einen beispielhaften Umrichter mit einer Vielzahl von kaskadierten zentralen Elementen und Erweiterungselementen.
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Wie eingangs beschrieben, werden Umrichter (insbesondere Wechselrichter) dazu verwendet Wechselspannung zum Betrieb eines Elektromotors aus einer Gleichspannung zu erzeugen. 1 zeigt verschiedene beispielhafte Topologien von Umrichtern. Insbesondere zeigt 1 einen 3-Phasen Umrichter 110, der eingerichtet ist, eine Gleichspannung 107 (auch als Zentralspannung bezeichnet) in eine Wechselspannung mit unterschiedlichen Phasen zu wandeln. Dazu umfasst der Umrichter 110 für jede Phase ein oder mehrere Halbbrücken 111, 112, 113 die parallel zur Gleichspannung 107 angeordnet sind. Jede Halbbrücke 111, 112, 113 umfasst einen hochseitigen Schalter 106 und einen niederseitigen Schalter 105. Der hochseitige Schalter 106 und der niederseitige Schalter 105 einer Halbbrücke 111, 112, 113 werden typischerweise derart angesteuert, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur entweder der hochseitige Schalter 106 oder der niederseitige Schalter 105 geschlossen ist. Durch das abwechselnde Schließen des hochseitigen Schalters 106 und des niederseitigen Schalters 105 kann an den Mittelpunkten 101, 102, 103 der Halbbrücken 111, 112, 113 aus der Gleichspannung 107 eine Wechselspannung erzeugt werden. Insbesondere kann an den Mittelpunkten 101, 102, 103 der Halbbrücken 111, 112, 113 ein 3-Phasen Drehstrom erzeugt werden.
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Die Mittelpunkte 101, 102, 103 der Halbbrücken 111, 112, 113 können an die Klemmen eines Elektromotors (z. B. eines Drehstrom-Asynchronmotors oder eines Drehstrom-Synchronmotors) angeschlossen werden. Durch die Frequenz der Wechselspannung/des Wechselstroms an den Mittelpunkten 101, 102, 103 kann die Drehzahl des Elektromotors gesteuert werden. Die Frequenz der Wechselspannung/des Wechselstroms kann durch Wechseln der Einschaltdauer der Schalter 105, 106 (insbesondere durch Pulsweiten-Modulation) gesteuert werden. Typischerweise wird jeder Schalter 105, 106 durch einen zugeordneten Treiber gesteuert.
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1 zeigt einen Umrichter 130, der für jede Phase eine Vielzahl von Halbbrücken 111, 112, 113 umfasst. In dem dargestellten Beispiel umfasst der Umrichter 130 für jede Phase zwei parallele Halbbrücken. Der Umrichter 130 kann auch als Parallel-Umrichter bezeichnet werden.
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Desweiteren zeigt 1 einen Umrichter 100, der eine Vielzahl von Spannungsebenen umfasst. Insbesondere umfasst der Umrichter 100 in einer zentralen Spannungsebene einen Dreiphasen-Umrichter 110 mit den Halbbrücken 111, 112, 113 für die drei Phasen des Dreiphasenwechselstroms. Darüber hinaus umfasst der Umrichter 100 in einer äußeren Spannungsebene ein hochseitiges Erweiterungselement 120 und ein niederseitiges Erweiterungselement 140. Die Erweiterungselemente 120, 140 umfassen eine Vielzahl von Erweiterungssträngen 121, 122, 123 für die Vielzahl von Halbbrücken 111, 112, 113. Die Erweiterungsstränge 121, 122, 123 umfassen jeweils ein oder mehrere Erweiterungsschalter 124. Die Erweiterungsstränge 121, 122, 123 des hochseitigen Erweiterungselements 120 können in Serie zu den hochseitigen Schaltern 106 der entsprechenden Halbbrücke 111, 112, 113 angeordnet sein. In entsprechender Weise können die Erweiterungsstränge 121, 122, 123 des niederseitigen Erweiterungselements 140 in Serie zu den niederseitigen Schaltern 105 der entsprechenden Halbbrücke 111, 112, 113 angeordnet sein. Daraus ergeben sich für jede Phase erweiterte Schalter-Stränge, die parallel zu einer erhöhten Gleichspannung 127 angeordnet sein können. Die erhöhte Gleichspannung 127 ist typischerweise höher als die Gleichspannung 107, die an dem Umrichter 110 in der zentralen Spannungsebene anliegt. Die Gleichspannung 107 wird in diesem Dokument auch als Zentralspannung bezeichnet. Eine Differenz zwischen der erhöhten Gleichspannung 127 und der halben Zentralspannung 107 ergibt typischer die sogenannte Erweiterungsspannung, die an einem Erweiterungselement 220-1 anliegt. Der Umrichter 100 kann auch als Mehr-Ebenen-Umrichter bezeichnet werden.
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Der in 1 dargestellte Mehr-Ebenen-Unirichter 100 nutzt eine zentrale Gleichspannung V_DC* 107, die z. B. aus der Spannung einer Batterie erzeugt werden kann. Desweiteren nutzt der Mehr-Ebenen-Umrichter 100 ein oder mehrere erhöhte Gleichspannungen V_DC** 127, die z. B. anhand eines DC zu DC Spannungswandlers aus der Gleichspannung 107 erzeugt werden können.
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Die einzelnen Schalter 105, 106, 124 der Umsetzer 100, 110, 130 können durch jeweilige Schalterlogik gesteuert werden. Die Logik arbeitet typischerweise im Niedervolt (NV) Bereich, wohingegen die Schalter und Treiber 105, 106, 124 im Hochvolt (HV) Bereich arbeiten. Die NV-Steuerung und der HV-Leistungsteil können topologisch getrennt angeordnet sein und/oder über hochfrequente EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)-technisch störungsfreie Medien (z. B. Lichtwellenleiter) kommunizieren.
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Es ist typischerweise vorteilhaft, den Verbindungs-Weg von den Umrichter-Brücken 111, 112, 113 zum Motor möglichst kurz zu halten, um die Kabelkosten und Leitungsverluste gering zu halten. Außerdem kann durch kurze Leitungen ein regelungstechnisch parasitäres Verhalten und elektromagnetische Störsendungen reduziert werden.
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Die Höhe der zu Verfügung stehenden Gleichspannung 107 beeinflusst typischerweise das von einem Elektromotor verfügbare Drehmoment in höheren Drehzahlbereichen. Die Leistung, welche vom Elektromotor erzeugt werden kann ist dabei typischerweise von Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors abhängig. Umrichter-gespeiste Drehstrom-Maschinen werden an der DC-Systemspannungsgrenze des Umrichters im sogenannten Feldschwächbereich betrieben, was sich in einer spezifischen Minimierung (bzw. Reduzierung) des Drehmoments widerspiegelt. Daher werden Drehstrom-Maschinen (d. h. Elektromotoren) meist für den jeweiligen Anwendungsfall der DC Versorgung passend dimensioniert bzw. ausgelegt.
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Elektrische Maschinen (d. h. Elektromotoren) mit einem weiten Drehzahlspektrum können im Feldschwächbereich aufgrund fehlender Spannungsreserven an den Maschinenklemmen (d. h. an den Mittelpunkten 101, 102, 103 der Umrichter-Brücken) nur mit einem reduzierten Strom gespeist werden. Das hat zur Folge, dass das verfügbare Drehmoment im höheren Drehzahlbereich absinkt. Es wäre daher vorteilhaft, wenn der Umrichter je nach Betriebspunkt und Bedarf (z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl), die bereitgestellten Spannungsreserven anpassen kann, um auch bei höheren Drehzahlen ein erforderliches Drehmoment erzeugen zu können.
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Die Anregung von Oberwellen durch hohe, schnelle Schaltflanken der Umrichter-Brücken kann zu Verlusten im Elektromotor führen. Durch zusätzliche Spannungsebenen (d. h. durch Erweiterungselemente 120, 140) und durch eine geeignete Steuerung der Schalter 124 können Wechselspannungen/Wechselströme an den Mittelpunkten 101, 102, 103 erzeugt werden, die in reduziertem Maße Oberwellen umfassen. D. h. durch die Verwendung von Mehr-Ebenen-Umrichtern können parasitäre Oberwellenanteile reduziert und damit Energieverluste im Elektromotor reduziert werden.
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Die DC-Speisung eines Umrichters 100, 110, 130 im Fahrzeug erfolgt typischerweise über Lithium basierte HV-Speicher, Brennstoffzellen o. ä. Diese stellen, meist durch eine (Zwischenkreis-)Kapazität gestützt, je nach Bedarf einen transient schnellen Strombedarf der Umrichter-Brücken bereit. Die Spannungsbereiche für V_DC 107, 127 können aus einen Speicher des Fahrzeugs generiert werden, wobei der Speicher eine bestimmte Speicherkapazität bei einer bestimmten Grundspannung aufweist. Die erhöhten Spannungsbereiche 107, 127 können durch DC-DC Umrichter aus der Grundspannung erzeugt werden. Dadurch ist er möglich, die Kosten für serielle Speicher-Zellen zu reduzieren.
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Die in 1 dargestellten Umrichter-Topologien umfassen eine unterschiedliche Anzahl von Leistungshalbleitern, d. h. von HV-Schaltern 105, 106, 124. Die Anzahl der benötigten HV-Schalter und der verwendete Typen von HV-Schaltern (z. B. IGBT, insulated-gate bipolar transistor, oder MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor) beeinflussen die Kosten für den Umrichter. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass Leistungshalbleiter (z. B. IGBTs) mit hoher Stromtragfähigkeit typischerweise in ihrer maximalen Schaltfrequenz beschränkt sind. Desweiteren kann die Bereitstellung von zusätzlichen Spannungsebenen über separierte Quellen, über DC-DC-Konverter o. ä. (z. B. in Zusammenhang mit Mehr-Ebenen Umrichtern) die Kosten für den Umrichter beeinflussen.
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Ein weiterer Aspekt betrifft die Ansteuerung der HV Schalter 105, 106, 124 des Umrichters. Insbesondere bei Mehr-Ebenen Umrichtern erfordert die kontrollierte Ansteuerung der Schalter in den verschiedenen Umrichter-Ebenen meist die Verwendung von relativ rechenaufwendigen Ansteuerungsalgorithmen. Ein weiterer Aspekt ist, dass die in parallelen Halbbrücken eines Parallelumrichters 130 verbauten Leistungshalbleiter typischerweise ein möglichst gleiches elektrisches Verhalten und einen möglichst symmetrischen Zu- und Ableitungsaufbau aufweisen sollten, um ein zeitversetztes Ein- und Ausschalten paralleler Schalter weitestgehend eingrenzen zu können.
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In diesem Dokument wird eine flexible Umrichter-Struktur beschrieben, die es ermöglicht, die Kosten für den Umrichter durch Baugleichheiten zu reduzieren, die Energieverluste bei Betrieb des Elektroantriebs zu reduzieren, und den Drehzahl-Bereich, in dem die elektrische Maschine mit relativ hohem (z. B. maximalen) Drehmoment betrieben werden kann, zu erweitern. 2 zeigt eine Umrichter-Matrix 200, welche eine derartige flexible Umrichter-Struktur bereitstellt. Bei der Umrichter-Matrix 200 kann es sich insbesondere um eine 3-dimensionale Matrix handeln, d. h. um einen Umrichter mit mindestens einer Parallelstruktur und mindestens zwei Spannungsebenen.
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Die Umrichter-Matrix 200 umfasst eine Vielzahl von (baugleichen) zentralen Elementen 210-1, 210-2, 210-3, 210-4 für die zentrale Spannungsebene 210. Desweiteren umfasst die Umrichter-Matrix 200 eine Vielzahl von (baugleichen) hochseitigen Erweiterungselementen 220-1, 220-2, 220-3 für die hochseitige Spannungsebene 220 und/oder eine Vielzahl von (baugleichen) niederseitigen Erweiterungselementen 221-1, 221-2, 221-3 für die niederseitige Spannungsebene 221. Die hochseitigen Erweiterungselemente 220-1, 220-2, 220-3 und die niederseitigen Erweiterungselemente 221-1, 221-2, 221-3 können ebenfalls baugleich sein.
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Somit kann die in 2 dargestellte Umrichter-Matrix 200 durch nur zwei Strukturblöcke aufgebaut werden, d. h. durch ein zentrales Element 210-1 und durch ein Erweiterungselement 220-1. Durch das Erweiterungselement 220-1 können ein oder mehrere hochseitige und/oder niederseitigen Spannungsebenen als Kaskaden von Erweiterungselementen 220-1 aufgebaut werden. Alternativ oder ergänzend können mehrere zentrale Elemente 210-1 und/oder Erweiterungselemente 220-1 parallel zur Gleichspannung 107, 127 geschaltet werden.
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Eine Standardisierung der Strukturblöcke der Umrichter-Matrix 200 kann zu einem ökonomischen Mehrwert durch die Stückzahlerhöhung der einzelnen Strukturblöcke führen. Dadurch können die Kosten für einen Umrichter reduziert werden. Gleichzeitig kann die Dimensionierungsfreiheit bei der Gestaltung eines Umrichters erhöht werden, da die standardisierten Strukturblöcke in vielfältiger Weise miteinander verbunden werden können, um die Anforderung an einen bestimmten Anwendungsfall zu erfüllen. Die Standardisierung kann insbesondere im Hinblick auf bestimmte minimal bzw. maximal mögliche Schaltfrequenzen der Schalter 105, 106, 124 der Strukturblöcke und/oder im Hinblick auf elektrische Spannungs- und Strom Charakteristiken der Schalter 105, 106, 124 erfolgen. Durch die Standardisierung kann sichergestellt werden, dass die parallel geschalteten Schalter der parallel geschalteten Strukturblöcke substanziell gleiches Schaltverhalten aufweisen, wodurch ein zeitversetztes Ein- und Ausschalten paralleler Schalter weitestgehend vermieden werden kann.
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Die in 2 dargestellte Umrichter-Matrix 200 stellt eine Kombination aus Parallelumrichter 130 und Mehr-Ebenen Umrichter 100 dar. Die Umrichter-Matrix 200 umfasst einzelne Mitten – Brockenzweige 210-1, 210-2, 210-3, 210-4, die ggf. zusammen mit den zugehörigen Treiberschaltungen standardisiert ausgeführt werden können. Damit waren die Mitten – Brückenzweige 210-1, 210-2, 210-3, 210-4 (auch als zentrale Elemente bezeichnet) durch Parallelkaskadierung über eine DC-Spannungsebene 210 als für den jeweiligen Leistungsbedarf konfigurierbarer Parallelumrichter einsetzbar.
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Die Low- und High-Side Ansteuerungen (d. h. die Ansteuerungen für den niederseitigen Schalter 105 und für den hochseitigen Schalter 106) können aus dem Leistungsmodul einzeln herausgeführt werden und können bei Bedarf mit einer geeigneten Verteilerlogik auf betriebspunktabhängige Einzel- und Mehrfachaktivierung eingerichtet werden. Mit anderen Worten, die Schalter 105, 106 der parallel kaskadierten zentralen Elemente 210-1, 210-2, 210-3, 210-4 können einzeln angesteuert werden. In Abhängigkeit vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine (z. B. in Abhängigkeit vom Strombedarf) können mehr oder weniger der parallelen Schalter 105, 106 der parallelen zentralen Elemente 210-1, 210-2, 210-3, 210-4 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden. Dadurch können die Energieverluste im Umrichter in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine angepasst werden, und damit im Durchschnitt über die Zeit reduziert werden.
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Die durch die Parallelschaltung verminderten Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der einzelnen Schalter 105, 106 der zentralen Elemente 210-1 (und auch der Erweiterungselemente 220-1) ermöglichen den Einsatz von Bauteilen wie z. B. Power MOSFETs, die mit erhöhten Schaltfrequenzen betrieben werden können (z. B. im Vergleich zu IGBTs). Dadurch kann der Umrichter 200 derart betrieben werden, dass Wechselströme/Wechselspannungen mit reduzierten Oberwellenanteilen erzeugt werden, und somit die Verluste in der elektrischen Maschine reduziert werden können. Außerdem können durch die Parallelschaltung kostengünstigere Schalter 105, 106 in den einzelnen zentralen Elementen 210-1 verwendet werden. Dadurch können, trotz Erhöhung der Anzahl von Schaltern 105, 106, die Kosten für den Umrichter 200 reduziert werden.
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Die Erweiterungselemente 220-1 können wie die zentralen Elemente 210-1 parallel kaskadiert werden. Aus den Erweiterungselementen 220-1 können ein oder mehrere hochseitige und/oder niederseitige Erweiterungs-Spannungsebenen 220, 221 bereitgestellt werden. Die Erweiterungselemente 220-1 bieten Freiraum in Bezug auf die Dimensionierung des Umrichters und können ober- bzw. unterhalb der Mittenbrückenzweige angebracht werden. Weitere Spannungsebenen können additiv unterhalb bzw. oberhalb der Low oder High-Sides (d. h. unterhalb der jeweiligen niederseitigen Erweiterungselemente 221-1 und/oder oberhalb der jeweiligen hochseitigen Erweiterungselemente 220-1) realisiert werden.
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3 zeigt beispielhaft, wie die verschiedenen parallelen Elemente einer Unirichter-Matrix 200 für eine Phase 300 (z. B. für eine der Mittelpunkte oder Klemmen 101, 102, 103) miteinander verbunden werden können. Die Kaskaden 310 weisen bevorzugt einen symmetrischen Aufbau aus Sicht der Ausgangs- und Eingangsklemmen 101, 102, 103 auf und gewähren damit eine möglichst gegenseitige Kompensation aller parasitären ohmschen, induktiven/kapazitiven Leitungsbeläge. Das kann z. B. durch die in 3 dargestellte Baumstruktur erreicht werden. Beispielsweise können jeweils benachbarte Paare von Erweiterungselementen 221-1, 221-2 in einem Punkt 302 miteinander verbunden werden. Die Verbindungspunkte 302 können dann in einem weiteren Punkt 301 miteinander verbunden werden, usw. So wird ein symmetrischer Aufbau gewährleistet, durch den parasitäre Leitungseffekte reduziert werden können.
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Die Parallelkaskadierung der Strukturblöcke der Umrichter-Matrix 200 bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Insbesondere wird durch die Parallelschaltung der Strukturblöcke 210-1, 220-1 die in den einzelnen Schaltern 105, 106, 124 benötigte Stromtragfähigkeiten reduziert. Dies ermöglicht z. B. einen Umstieg von relativ langsamen IGBTs auf schnellere Leistungs-MOSFETs. Desweiteren ermöglicht die Parallelschaltung einen betriebspunktabhängigen Gebrauch der parallel angeordneten Schalter. Wird beispielsweise ein Strom I_x benötigt, so können n_x entsprechende Schalter der parallelen Strukturblöcke 210-1, 220-1 eingeschaltet werden. Wird dagegen ein um einen Faktor k (z. B. k = 2) erhöhter Strom benötigt, so können k* n_x Schalter angeschaltet werden. Dadurch lassen sich generell, betriebspunktabhängig, Leitungsverluste in den Schaltern 105, 106, 124 reduzieren, da in, in Bezug auf die Stromtragfähigkeit, kleiner dimensionierten Schaltern typischerweise die ohmschen Durchlassverluste geringer sind und die Schalter nur nach Bedarf geschalten werden. Desweiteren wird der effektive Durchlasswiderstand R_on eines Brückenzweiges durch eine (mehrfache) Parallelschaltung reduziert. Darüber hinaus ermöglichen neue Betriebsstrategien für die Ansteuerung der parallel angeordneten Brückenzweige Effizienzsteigerungen des Umrichters.
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Wie oben dargelegt, können durch die Parallelschaltung die ohmschen Verluste der Schalter 105, 106, 124 reduziert werden, wodurch der Kühlleistungsbedarf für die Halbleiter reduziert wird. Außerdem ermöglicht die Parallelschaltung der Strukturblöcke einen besseren Kühlmitteleinsatz, da gleichzeitig ein verteilter Kühlflächeneinsatz anwendbar ist.
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Desweiteren lässt sich durch eine geeignete Strategie bei der Ansteuerung der parallel angeordneten entsprechenden Schalter der parallel angeordneten Strukturblöcke die Dauerbeanspruchung auf unterschiedliche parallele Schalter verteilen, was in Summe die Dauerhaltbarkeit des Umrichters 200 erhöht. Außerdem ermöglicht die Parallelschaltung verbesserte Notlaufeigenschaften des gesamten Umrichters 200 bei einzelnen Schalterausfällen. Schließlich ist typischerweise der Energiebedarf für Treiberstufen kleinerer Power-MOSFETs geringer als für Hochleistungs-IGBTs und daher sind auch die Verluste der Treiberstufen geringer. Desweitern ist typischerweise der Schaltungsaufwand für Treiberstufen kleinerer Power-MOSFETs geringer als für Hochleistungs-IGBTs.
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Auch die Kaskadierung der Strukturblöcke der Umrichter-Matrix 200 in einer Vielzahl von Spannungsebenen bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Die Erweiterungselemente 210-1 können ebenfalls parallel angeordnet werden und weisen damit die oben dargelegten Vorteile der Parallelkaskadierung auf. Desweiteren erhöht die durch die Erweiterungselemente 210-1 zusätzlich bereitgestellte Spannung die Drehmomentverfügbarkeit der elektrischen Maschine in einem höheren Drehzahlbereich, was die Leistungsfähigkeit des Antriebs erhöht. Mit anderen Worten, durch die Erweiterungselemente 210-1 können Umrichter 200 bereitgestellt werden, die einen Elektromotor derart ansteuern können, dass auch bei relativ hohen Drehzahlen ein relativ hohes Drehmoment bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann der Drehzahlbereich, bei dem das relative hohe Drehmoment bereitgestellt werden kann, erweitert werden. Außerdem kann durch die Verwendung von zusätzlichen Spannungsebenen eine Verringerung der Oberwellenverluste einer elektrischen Maschine bewirkt werden.
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Die weiteren Spannungsebenen können je nach Bedarf (z. B. in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Maschine) zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Dadurch können die mit den Erweiterungselementen 220-1 verbundenen Verluste reduziert werden.
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Die Bereitstellung der ein oder mehreren zusätzlichen Spannungsebenen aus dem Energiespeicher (z. B. aus der Fahrzeugbatterie) kann z. B. mittels potentialtrennenden, bidirektionalen Gleichspannungswandlern erfolgen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die, bei Generatorbetrieb der Maschine erzeugte, elektrische Energie in den Energiespeicher zurückgespeist werden kann.
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4 zeigt ein Blockdiagram eines beispielhaften Umrichter-Systems 400. Das System 400 umfasst eine Umrichter-Matrix 200. Die Schalter 105, 106, 124 der Umrichter-Matrix 200 werden typischerweise durch dedizierte Treiber 402 angesteuert. Die Umrichter-Matrix 400 liefert an den Maschinenklemmen 403 einen Wechselstrom/eine Wechselspannung. Das Umrichter-System 400 umfasst weiter eine Ansteuereinheit 410 für die Treiber 402 der Schalter 105, 106, 124 der Umrichter-Matrix 200. Desweiteren umfasst das Umrichter-System 400 eine Motorsteuer-Einheit 420, die eingerichtet ist, das Umrichter-System 400 (über die Ansteuereinheit 410) in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebspunkt und/oder in Abhängigkeit von einem gewünschten Betriebspunkt des Elektromotors zu steuern bzw. zu regeln. Die Gleichspannungen 107, 127 der Umrichter-Matrix 200 können durch eine Batterie 430 bereitgestellt werden.
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Wie bereits dargelegt umfasst die Umrichter-Matrix 200 eine Vielzahl von parallelen Strukturblöcken 404 (z. B. zentrale Einheiten 210-1 und/oder Erweiterungseinheiten 220-1, 221-1). Die Schalter der Strukturblöcke 404 können durch Treiber 402 betrieben werden. 4 zeigt eine Umrichter-Matrix 200 mit einer Erweiterungsebene. Die Umrichter-Matrix 200 könnte aber noch weitere Spannungsebenen 405 (mit weiteren Erweiterungselementen) aufweisen. Die Treiber 402 der Schalter der Strukturblöcke 404 können durch entsprechende Logikblöcke 411, 412, 413 in der Ansteuereinheit 410 betrieben werden. Die Motorsteuer-Einheit 420 kann eingerichtet sein, für die Phasen des angetriebenen Motors ein Pulsweiten-Modulationssignal zu generieren, so dass der Motor in einem gewünschten Betriebspunkt betrieben wird. Insbesondere kann ein Drehmoment 424 vorgegeben werden. Eine Stromreglereinheit 423 kann daraus eine Sollspannung am Ausgang 101, 102, 103 der Umrichter-Matrix 200 generieren. Desweiteren kann die Motorsteuer-Einheit 420 eine Optimierungslogik 421 umfassen, um die Umrichter-Matrix 200 derart anzupassen, dass Energieverluste reduziert (z. B. minimiert) werden. Ein PWM (Pulsweiten-Modulation) Einheit 422 kann dazu verwendet werden, die PWM Signale für die einzelnen Schalter der Umrichter-Matrix 200 zu ermitteln, so dass der Motor in dem gewünschten Betriebspunkt betrieben werden kann.
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5 und 6 stellen nochmals dar, wie anhand der Strukturblöcke, zentrale Einheit 210-1 und Erweiterungseinheit 220-1, 221-1, Umrichter-Matrizen 200 implementiert werden können. Die Strukturblöcke sind in den 5 und 6 für eine Phase dargestellt. Die in 5 und 6 dargestellten Strukturen können für jede Phase aufgebaut werden. Aus 6 ist ersichtlich, dass durch Kaskadierung 601 von Erweiterungselementen 220-1, 620-1 bzw. 221-1, 621-1 zusätzliche Spannungsebenen bereitgestellt werden können. Außerdem zeigt 6, wie durch Parallel-Kaskadierung 602 der Strukturblöcke 620-2, 220-2, 210-2, 221-2, 621-2, parallele Umrichterstrukturen implementiert werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
