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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zum Umwandeln von Gleichspannungen in Wechselspannungen und – insbesondere – solche Verfahren und Systeme, die Wandler in einer Vollbrücken-Konfiguration zum Umwandeln von Gleichspannungen in Hochfrequenz-Wechselspannungen verwenden. Im Folgenden wird die Erfindung zu Zwecken der Veranschaulichung unter Bezugnahme auf Wandler für sehr hohe Frequenzen in der Größenordnung von mehreren hundert Megahertz beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann ihre Anwendung in Zusammenhang mit dem Umwandeln von Gleichspannungen in Wechselspannungen mit niedrigeren oder sogar höheren Frequenzen finden.
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Gewöhnlich werden die oben genannten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler auch als Inverter oder als Wechselrichter bezeichnet, und die genannten Ausdrücke können in dieser Anmeldung durchgängig synonym verwendet werden. Im Allgemeinen sollten die Wandler einen hohen Wirkungsgrad beim Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom aufweisen. Typischerweise ist dieser Typ von Wandler für die Energieübertragung über Luftkernspulen, so genannte „kernlose Transformatoren”, erforderlich. Solche „kernlosen Transformatoren” können auch in den Metallschichten von integrierten Schaltungen implementiert werden und solchermaßen einen annehmbaren Leistungsgrad aufweisen, wobei dieser erst bei einer Betriebsfrequenz von mehreren hundert Megahertz beginnt.
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Im Allgemeinen kann bei der Konstruktion von Hochfrequenzwandlern der Leistungsgrad durch Erhöhen der Kanalbreiten der Schalttransistoren erhöht werden, was die Durchlasswiderstände verringert. Dabei ist jedoch mehr Strom zum Ansteuern der Gatter der Schalttransistoren erforderlich. Auf diese Weise weist der Gesamtwirkungsgrad ein Maximum über die sich ändernde Kanalbreite auf, dessen Größenordnung für die verwendete Technologie für integrierte Schaltungen spezifisch ist. Herkömmlicherweise werden die Ansteuerungen für die Gatter der Schalttransistoren mittels der verfügbaren Gleichspannung versorgt und ziehen folglich Strom von der Gleichspannungsquelle. Dies führt dazu, dass der Gesamtwirkungsgrad des Gleichspannung/Wechselspannung-Wandlers verringert wird.
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Folglich wären Systeme und Verfahren zum Erhöhen des Gesamtwirkungsgrads beim Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung wünschenswert. Aus diesen oder anderen Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
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Es werden Verfahren und Systeme zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung und zum Synchronisieren von Schaltaugenblicken entsprechender Vollbrückenwandler vorgesehen.
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Gemäß einer Erscheinungsform wird eine Vorrichtung vorgesehen, die Folgendes aufweist:
eine Vollbrücke, die so konfiguriert ist, dass sie eine Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC) umwandelt, wobei die Vollbrücke wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt aufweist und wobei jeder von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt Folgendes aufweist:
einen Schalter eines ersten Typs, der so konfiguriert ist, dass er als Antwort auf einen ersten Spannungspegel schaltet, und einen Schalter eines zweiten Typs, der so konfiguriert ist, dass er als Antwort auf einen zweiten, von dem ersten Spannungspegel unterschiedlichen Spannungspegel schaltet; und
wobei der Schalter des zweiten Typs so konfiguriert ist, dass er unter Verwendung eines Induktionsstroms einer mit einem Ausgang der Vollbrücke gekoppelten Last angesteuert wird.
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Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung des Weiteren Folgendes auf:
wenigstens eine Ansteuerung, die so konfiguriert ist, dass sie den Schalter des ersten Typs ansteuert.
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Zweckmäßigerweise ist der Schalter des ersten Typs mit dem Schalter des zweiten Typs in Reihe gekoppelt.
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Zweckmäßigerweise weist der zweite Spannungspegel eine Versorgungsgleichspannung für die Vollbrücke auf; und
wobei der erste Spannungspegel niedriger ist als die Versorgungsgleichspannung der Vollbrücke.
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Zweckmäßigerweise:
wird jeder der Schalter des ersten Typs mittels eines entsprechenden Schaltsignals angesteuert, das Schaltvorgänge eines jeweiligen von dem ersten, zweiten, dritten, und vierten Brückenabschnitt extern regelt.
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Zweckmäßigerweise:
weisen die Schalter des ersten Typs Transistoren einer ersten, niedrigeren Spannungsklasse auf; und
weisen die Schalter des zweiten Typs Transistoren einer zweiten, höheren Spannungsklasse auf.
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Zweckmäßigerweise weisen die Transistoren der ersten, niedrigeren Spannungsklasse Logik-Transistoren einer Technologie für integrierte Schaltungen auf, und die Transistoren der zweiten, höheren Spannungsklasse weisen E/A-Transistoren einer Technologie für integrierte Schaltungen auf.
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Zweckmäßigerweise weisen die Schalter des ersten Typs Folgendes auf: Transistoren mit einer ersten Größe und/oder Transistoren mit einer ersten Schaltgeschwindigkeit und/oder Transistoren mit einer ersten Gatterladung und/oder Transistoren mit einer ersten Gatterenergie;
weisen die Schalter des zweiten Typs Folgendes auf: Transistoren mit einer zweiten Größe und/oder Transistoren mit einer zweiten Schaltgeschwindigkeit und/oder Transistoren mit einer zweiten Gatterladung und/oder Transistoren mit einer zweiten Gatterenergie.
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Zweckmäßigerweise:
weisen die Schalter des ersten Typs des ersten und des vierten Brückenabschnitts einen p-Kanal-Transistor auf, und die Schalter des zweiten Typs des ersten und des vierten Brückenabschnitts weisen einen p-Kanal-Transistor auf;
weisen die Schalter des ersten Typs des zweiten und des dritten Brückenabschnitts einen n-Kanal-Transistor auf, und die Schalter des zweiten Typs des zweiten und des dritten Brückenabschnitts weisen einen n-Kanal-Transistor auf.
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Zweckmäßigerweise:
ist jedes Gatter der p-Kanal-Transistoren des ersten Typs des ersten und des vierten Brückenabschnitts jeweils mit einer p-Kanal-Ansteuerung gekoppelt;
ist jedes Gatter der n-Kanal-Transistoren des ersten Typs des zweiten und des dritten Brückenabschnitts jeweils mit einer n-Kanal-Ansteuerung gekoppelt;
wird jede der p-Kanal-Ansteuerungen und der n-Kanal-Ansteuerungen mittels eines entsprechenden Schaltsignals auf der Grundlage eines externen Taktsignals angesteuert.
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Zweckmäßigerweise:
ist ein Spannungsregler für die n-Kanal-Ansteuerungen zwischen den p-Kanal-Ansteuerungen und den n-Kanal-Ansteuerungen gekoppelt, um die p-Kanal-Ansteuerungen teilweise zu versorgen.
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Gemäß einer Erscheinungsform wird ein Verfahren zum Umwandeln einer Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC) vorgesehen, das Folgendes umfasst:
Ansteuern einer Vollbrücke, die wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt aufweist, und wobei jeder von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt Folgendes aufweist:
einen Schalter eines ersten Typs, der so konfiguriert ist, dass er als Antwort auf einen ersten Spannungspegel schaltet; und
einen Schalter eines zweiten Typs, der so konfiguriert ist, dass er als Antwort auf einen zweiten, von dem ersten Spannungspegel unterschiedlichen Spannungspegel schaltet; und
wobei das Ansteuern der Vollbrücke das Ansteuern des Schalters des zweiten Typs von jedem von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt unter Verwendung eines Induktionsstroms einer mit einem Ausgang der Vollbrücke gekoppelten Last umfasst.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner Folgendes:
Synchronisieren von Schaltaugenblicken der Vollbrücke unter Verwendung eines Spannungsdetektors für jeden von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt, um eine Spannung über jedem von dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Brückenabschnitt zu erkennen, wobei jeder von dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Brückenabschnitt so gesteuert wird, dass er nur einschaltet, nachdem die Spannung über einem jeweiligen von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt unter einen vorbestimmten Schwellenwert gefallen ist.
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Zweckmäßigerweise:
weisen die Schalter des ersten Typs des ersten und des vierten Brückenabschnitts einen p-Kanal-Transistor auf, und die Schalter des zweiten Typs des ersten und des vierten Brückenabschnitts weisen einen p-Kanal-Transistor auf;
weisen die Schalter des ersten Typs des zweiten und des dritten Brückenabschnitts einen n-Kanal-Transistor auf, und die Schalter des zweiten Typs des zweiten und des dritten Brückenabschnitts weisen einen n-Kanal-Transistor auf.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner Folgendes:
jeder der p-Kanal-Transistoren und n-Kanal-Transistoren des ersten Typs wird mittels eines jeweiligen Schaltsignals auf der Grundlage eines externen Taktsignals angesteuert, wobei das jeweilige Schaltsignal die Schaltvorgänge eines des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts extern regelt;
Verwenden eines ersten Pegelumsetzers, um das externe Taktsignal bei Spannungspegeln, die im Hinblick auf Versorgungsspannungspegel der Vollbrücke symmetrisch liegen, in ein umgewandeltes Taktsignal umzuwandeln;
wenigstens einen zweiten Pegelumsetzer, um das umgewandelte Taktsignal in erste Ansteuerungssignale für p-Kanal-Ansteuerungen umzuwandeln, welche jeweils die p-Kanal-Transistoren des ersten Typs ansteuern; und
wenigstens einen dritten Pegelumsetzer, um das umgewandelte Taktsignal in zweite Ansteuerungssignale für n-Kanal-Ansteuerungen umzuwandeln, welche jeweils die n-Kanal-Transistoren des ersten Typs ansteuern.
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Gemäß einer Erscheinungsform wird ein Verfahren für die Regelung einer Vollbrückenvorrichtung vorgesehen, die wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Bestimmen eines ersten Schaltfehlers auf der Grundlage des Vergleichens eines ersten Schaltaugenblicks des ersten Brückenabschnitts mit einem zweiten Schaltaugenblick des dritten Brückenabschnitts,
Bestimmen eines zweiten Schaltfehlers auf der Grundlage des Vergleichens eines dritten Schaltaugenblicks des zweiten Brückenabschnitts mit einem vierten Schaltaugenblick des vierten Brückenabschnitts; und
Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts auf eine Weise, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler mittels Ändern einer Verzögerung des Ansteuerns des ersten Brückenabschnitts im Hinblick auf eine Verzögerung des Ansteuerns des dritten Brückenabschnitts und mittels Ändern einer Verzögerung des Ansteuerns des zweiten Brückenabschnitts im Hinblick auf das Ansteuern des vierten Brückenabschnitts verringert werden.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts auf eine Weise, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler verringert werden, Folgendes:
Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts zum Beseitigen des ersten Schaltfehlers und des zweiten Schaltfehlers.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts auf eine Weise, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler verringert werden, Folgendes:
Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts zum Verringern des ersten Schaltfehlers und des zweiten Schaltfehlers auf der Grundlage eines oder mehrerer eines Betrags und einer Polarität des ersten Schaltfehlers und des zweiten Schaltfehlers.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts auf eine Weise, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler verringert werden, Folgendes:
Ändern einer ersten Versorgungsspannung, die Ansteuerungen zum Schalten des ersten und vierten Brückenabschnitts versorgt, in eine umgekehrte Richtung wie eine zweite Versorgungsspannung, die Ansteuerungen zum Schalten des zweiten und dritten Brückenabschnitts versorgt.
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Zweckmäßigerweise weist jeder von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt einen Schalter eines ersten Typs auf, der so konfiguriert ist, dass er als Antwort auf einen ersten Spannungspegel schaltet, und einen Schalter eines zweiten Typs, der so konfiguriert ist, dass er als Antwort auf einen zweiten, von dem ersten Spannungspegel unterschiedlichen Spannungspegel schaltet, und wobei das Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts auf eine Weise, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler verringert werden, Folgendes umfasst:
Ansteuern des Schalters des ersten Typs jedes von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren des Weiteren für jeden Brückenabschnitt Folgendes:
Ansteuern des Schalters des zweiten Typs unter Verwendung eines Induktionsstroms einer mit einem Ausgang der Vollbrückenvorrichtung gekoppelten Last.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner Folgendes:
Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten Schaltfehler und dem zweiten Schaltfehler;
Vergleichen der bestimmten Differenz mit einem Schwellenwert.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Bestimmen der Differenz zwischen dem ersten Schaltfehler und dem zweiten Schaltfehler das Bestimmen einer Vergleichsspannung, welche die Differenz darstellt; und wobei das Vergleichen der bestimmten Differenz mit einem Schwellenwert das Vergleichen der Vergleichsspannung mit einer Referenzspannung umfasst.
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Zweckmäßigerweise weist die Referenzspannung einen Spannungspegel auf, der im Wesentlichen halb so hoch ist wie eine Versorgungsgleichspannung der Vollbrückenvorrichtung.
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Gemäß einer Erscheinungsform wird eine Vorrichtung vorgesehen, die zum Regeln einer Vollbrückenvorrichtung konfiguriert ist, die wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt aufweist, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie:
einen ersten Schaltfehler auf der Grundlage des Vergleichens eines ersten Schaltaugenblicks des ersten Brückenabschnitts mit einem zweiten Schaltaugenblick des dritten Brückenabschnitts bestimmt,
einen zweiten Schaltfehler auf der Grundlage des Vergleichens eines dritten Schaltaugenblicks des zweiten Brückenabschnitts mit einem vierten Schaltaugenblick des vierten Brückenabschnitts bestimmt; und
den ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt so ansteuert, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler mittels Ändern einer Verzögerung des Ansteuerns des ersten Brückenabschnitts im Hinblick auf eine Verzögerung des Ansteuerns des dritten Brückenabschnitts und mittels Ändern einer Verzögerung des Ansteuerns des zweiten Brückenabschnitts im Hinblick auf das Ansteuern des vierten Brückenabschnitts verringert werden.
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Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so konfiguriert, dass sie den ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt ansteuert, um den ersten Schaltfehler und den zweiten Schaltfehler zu beseitigen.
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Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so konfiguriert, dass sie den ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt zum Verringern des ersten Schaltfehlers und des zweiten Schaltfehlers auf der Grundlage eines oder mehrerer eines Betrags und einer Polarität des ersten Schaltfehlers und des zweiten Schaltfehlers ansteuert.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein tieferes Verständnis zu ermöglichen, und sind in diese Schrift aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen beziehen sich auf Beispiele und Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Weitere Ausführungsbeispiele und viele der angestrebten Vorteile von Ausführungsbeispielen können ohne Weiteres gewürdigt werden, da sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Vollbrücken-Gleichspannung/Wechselspannung-Wandlers (nachfolgend als Wechselrichter bezeichnet) gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem kernlosen Transformator als induktiver Last an den Ausgängen des Wechselrichters.
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2a und 2b sind Zeitsteuerungsdiagramme, die ein Beispiel für externe Steuersignalfolgen zeigen, die zum externen Regeln des Betriebs des Wechselrichters in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 angewendet werden können;
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2c ist ein Diagramm, das die resultierenden Signalfolgen an Knoten wie in dem Ausführungsbeispiel von 1 bezeichnet zeigt, wie zum Beispiel – unter anderem – die Ausgangsknoten bzw. Knoten Q1 und Q2 des Wechselrichters gemäß 1;
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Vollbrücken-Wechselrichters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das ferner zwei Paare von Ansteuerungen zum externen Regeln des Betriebs des Wechselrichters sowie zwei Spannungsregler zum Regeln der Versorgungsspannungen der beiden Paare von Ansteuerungen zeigt;
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4. ist ein Schemadiagramm, das ein Beispiel für einen Halbbrückenbereich eines Vollbrücken-Wechselrichters und ein Beispiel für einen zum Regeln des Wechselrichters konfigurierten Regelkreis zeigt;
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Regelkreises, der zum Regeln eines Vollbrücken-Wechselrichters, zum Beispiel des in 1 abgebildeten Vollbrücken-Wechselrichters, verwendet werden kann;
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6 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Regeln eines Vollbrücken-Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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7 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Regeln einer Vollbrückenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es versteht sich, dass weitere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder andere Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in beschränkendem Sinne aufgefasst werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vollbrücken-Wechselrichters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie gezeigt, kann der Wechselrichter 100 mit einem kernlosen Transformator 10 als induktiver Last an den Ausgängen Q1 und Q2 des Wechselrichters gekoppelt werden.
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Ferner kann der Wechselrichter 100 eine erste Halbbrücke 105 und eine zweite Halbbrücke 106 aufweisen, wie schematisch mit dem entsprechenden gestrichelten, um die Komponenten der ersten Halbbrücke 105 bzw. der zweiten Halbbrücke 106 herum angeordneten Rechteck bezeichnet. Außerdem kann die erste Halbbrücke 105 einen ersten Brückenabschnitt 101 und einen zweiten Brückenabschnitt 102 aufweisen, während die zweite Halbbrücke 106 einen dritten Brückenabschnitt 103 und einen vierten Brückenabschnitt 104 der vier Brückenabschnitte des Vollbrücken-Wechselrichters 100 aufweisen kann.
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Die erste Halbbrücke 105 kann einen ersten p-Kanal-Transistor 111 einer ersten Klasse aufweisen, wobei es sich um eine erste, niedrigere Bemessungsspannung handeln kann, einen ersten p-Kanal-Transistor 121 einer zweiten Klasse, wobei es sich um eine zweite, höhere Bemessungsspannung handeln kann, einen ersten n-Kanal-Transistor 122 der zweiten Klasse und einen ersten n-Kanal-Transistor 112 der ersten Klasse, die alle gekoppelt oder hintereinander in Reihe geschaltet sind.
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Dementsprechend kann die zweite Halbbrücke 106 einen zweiten p-Kanal-Transistor 114 der ersten Klasse, einen zweiten p-Kanal-Transistor 124 der zweiten Klasse, einen zweiten n-Kanal-Transistor 123 der zweiten Klasse und einen zweiten n-Kanal-Transistor 113 der ersten Klasse aufweisen, die alle in Reihe gekoppelt sind.
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Wie in 1 gezeigt, können die Gatter des ersten p-Kanal-Transistors 121 der zweiten Klasse und des ersten n-Kanal-Transistors 122 der zweiten Klasse in der ersten Halbbrücke 105 in einem ersten gemeinsamen Gatterknoten 125 zusammengekoppelt werden. Dementsprechend können auch die Gatter des zweiten p-Kanal-Transistors 124 der zweiten Klasse und des zweiten n-Kanal-Transistors 123 der zweiten Klasse in der zweiten Halbbrücke 106 in einem zweiten gemeinsamen Gatterknoten 126 zusammengekoppelt werden.
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Des Weiteren kann der erste gemeinsame Gatterknoten 125 mit einem Reihenkopplungsknoten zwischen dem zweiten p-Kanal-Transistor 124 der zweiten Klasse und dem zweiten n-Kanal-Transistor 123 der zweiten Klasse in der zweiten Halbbrücke 106 gekoppelt werden, um den ersten Ausgangsknoten Q1 des Wechselrichters 100 auszubilden.
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Demgemäß kann der zweite gemeinsame Gatterknoten 126 mit einem Reihenkopplungsknoten zwischen dem ersten p-Kanal-Transistor 121 der zweiten Klasse und dem ersten n-Kanal-Transistor 122 der zweiten Klasse in der ersten Halbbrücke 105 gekoppelt werden, um den zweiten Ausgangsknoten Q2 des Wechselrichters 100 auszubilden.
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Wie erwähnt, können die Transistoren des Wechselrichters 100 der ersten Klasse und der zweiten Klasse Transistoren mit unterschiedlichen Bemessungsspannungen, und zwar einer Bemessungsspannung der ersten Klasse oder einer ersten niedrigeren Bemessungsspannung der Transistoren 111, 112, 113 und 114 sowie einer Bemessungsspannung der zweiten Klasse oder einer zweiten höheren Bemessungsspannung der Transistoren 121, 122, 123 und 124 aufweisen. Zum Beispiel können Fertigungsprozesse für Halbleiter zum Herstellen von integrierten CMOS-Schaltungen für komplexe digitale Schaltungen Transistoren mit unterschiedlichen und typischerweise wenigstens zwei Bemessungsspannungen implementieren. Beispielsweise Transistoren mit einer ersten, niedrigeren Bemessungsspannung für die komplexen Logikschaltungen und Transistoren mit einer zweiten, höheren Bemessungsspannung für das Bilden einer Schnittstelle mit Eingangs/Ausgangs-Anschlüssen (E/A-Anschlüssen) einer entsprechenden integrierten Schaltung.
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Typischerweise haben die Transistoren mit der niedrigeren Bemessungsspannung kleinere Abmessungen als die Transistoren mit der höheren Bemessungsspannung. Wegen der kleineren Abmessungen der Transistoren mit der niedrigeren Bemessungsspannung ermöglichen die resultierenden geringeren parasitären Elemente der kleineren Transistoren höhere Schaltgeschwindigkeiten als die höheren parasitären Elemente der Transistoren mit der höheren Bemessungsspannung. Anders ausgedrückt kann ein Transistor mit der niedrigeren Bemessungsspannung angesteuert werden, um einen Schaltvorgang unter Verwendung von weniger Ladung und Energie durchzuführen, als um einen Transistor mit der höheren Bemessungsspannung zum Durchführen eines Schaltvorgangs anzusteuern.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel des Wechselrichters 100 in 1 kann jeder von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt 101, 102, 103 und 104 des Wechselrichters 100 einen Transistor 111, 112, 113 und 114 mit einer niedrigeren Bemessungsspannung aufweisen, der jeweils mit einem Transistor 121, 122, 123 und 124 mit einer höheren Bemessungsspannung hintereinander in Reihe geschaltet ist. Jeder der Transistoren 111, 112, 113 und 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung kann extern mittels der Schaltsignale 141, 142, 143 bzw. 144, die alle auf der Grundlage eines externen Taktsignals geregelt werden, wobei jedes der Schaltsignale 141, 142, 143 und 144 eine geeignete relative Phasenverschiebung und Amplitudenumkehrung in Bezug zueinander aufweisen kann, um die gewünschte Funktionalität des Wechselrichters 100 zu erreichen, um unter Verwendung der Struktur eines Vollbrückenwandlers die zwischen dem VDD- und dem VSS-Knoten des Wechselrichters 100 angelegte Gleichspannung in eine Wechselspannung zwischen den Ausgangsknoten Q1 und Q2 umzuwandeln.
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Ein Vorteil der Verwendung der Transistoren 111, 112, 113 und 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung ist, dass – aufgrund ihrer oben beschriebenen niedrigeren Schaltenergie zum Durchführen eines Schaltvorgangs – weniger Strom benötigt wird, um die Transistoren 111, 112, 113 und 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung anzusteuern. Als Ergebnis ist der Gesamtwirkungsgrad beim Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom mittels des Wechselrichters 100 erhöht. In diesem Zusammenhang wird es klar, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von Transistoren mit einer niedrigeren Bemessungsspannung als die Transistoren 111, 112, 113 und 114 beschränkt ist. Vielmehr könnten die Transistoren 111, 112, 113 und 114 einfach kleinere Transistoren als die Transistoren 121, 122, 123 und 124, oder im Allgemeinen Transistoren sein, die einen Schaltvorgang unter Verwendung eines ersten, niedrigeren Pegels von Schaltenergie durchführen können, im Vergleich zu einem zweiten, höheren Pegel von Schaltenergie ihrer jeweiligen, in Reihe hintereinander geschalteten Transistoren 121, 122, 123 und 124.
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Außerdem können, anders als in typischen Kaskodenschaltungen, bei denen die Gatter der Transistoren mit höherer Bemessungsspannung an eine Gleichspannung angeschlossen werden, wie in 1 gezeigt, die Gatter der Transistoren 121 und 122 der zweiten Klasse der ersten Halbbrücke 105 mit einem Reihenkopplungsknoten zwischen den Transistoren 123 und 124 der zweiten Klasse der zweiten Halbbrücke 106 kreuzgekoppelt sein. Dementsprechend können die Gatter der Transistoren 123 und 124 der zweiten Klasse der zweiten Halbbrücke 106 mit einem Reihenkopplungsknoten zwischen den Transistoren 121 und 122 der zweiten Klasse der ersten Halbbrücke 105 kreuzgekoppelt sein. Zusammengefasst kann die Kreuzkopplungskonfiguration ähnlich der eines LC-Oszillators sein.
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Diese Kreuzkopplung des ersten und des zweiten gemeinsamen Gatterknotens 125 und 126 der Transistoren 121, 122 sowie 123, 124 der zweiten Klasse mit den Ausgangsknoten Q1 und Q2 und der Charakter der zwischen den Ausgängen Q1 und Q2 gekoppelten induktiven Last des kernlosen Transformators 10 kann die Grundlage eines weiteren Vorteils des Wechselrichters 100 sein. Diesbezüglich kann eine Blindleistung zum Ansteuern der mit den Transistoren 123 und 124 kreuzgekoppelten Transistoren 121 und 122 mittels einer Blindleistung einer zwischen den Ausgangsknoten Q1 und Q2 der Halbbrücken 106 und 105 des Vollbrücken-Wechselrichters 100 verbundenen induktiven Last vorgesehen werden. Anders ausgedrückt können die Transistoren 111, 112, 113 und 114 mit der höheren Bemessungsspannung mittels einer Blindleistung der Lastschaltung, wie zum Beispiel des kernlosen Transformators 10, angesteuert werden. Als Ergebnis wird wieder weniger Wirkleistung abgeführt, sodass der Gesamtwirkungsgrad beim Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom mittels des Wechselrichters 100 weiter erhöht werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel des Wechselrichters 100 in 1 können die Transistoren 111, 112, 113 und 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung zum externen Regeln einer Unterbrechung des Stroms verwendet werden, der durch die kreuzgekoppelten Transistoren 121, 122, 123 und 124 mit der höheren Bemessungsspannung fließt, die eine Oszillatorschaltung bilden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist es möglich, dass die an den Vollbrücken-Wechselrichter 100 über die Versorgungsknoten VDD und VSS angelegte Gleichspannung höher sein kann als die maximale Bemessungsspannung der Transistoren 111, 112, 113, 114 mit der ersten, niedrigeren Bemessungsspannung. Diesbezüglich sei daran erinnert, dass während des Halbzyklus der Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung, während dessen ein entsprechender von den Transistoren 111, 112, 113, 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung abgeschaltet wird, der entsprechende von den Transistoren 121, 122, 123, 124 mit der höheren Bemessungsspannung, der diesen Transistor mit der niedrigeren Bemessungsspannung in Reihe konfiguriert hat, aufgrund der Spannungsbedingungen an den Ausgangsknoten des Wechselrichters 100 ebenfalls abgeschaltet wird. Als Ergebnis „absorbiert” jeder beliebige der Transistoren 111, 112, 113, 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung nur während einer Kommutationsphase des jeweiligen der Brückenabschnitte 101, 102, 103 und 104 etwas Spannung. Bei einem Ausführungsbeispiel kann sich das Maximum der auftretenden Vorspannung in Sperrrichtung auf nur einen Bruchteil der Gleich- oder Versorgungsspannung (wie zum Beispiel 1/3) belaufen. Aus diesem Grund kann es möglich sein, kleine schnell schaltende Transistoren als die Transistoren 111, 112, 113, 114 zu verwenden, die eine maximale Bemessungsspannung aufweisen, die geringer ist als die Gleichspannung.
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2a und 2b zeigen ein Beispiel für die vier externen Schaltsignalfolgen 144, 143, 141 und 142, wie in 1 gezeigt, die an die Transistoren 114, 113, 111 und 112 mit der niedrigeren Bemessungsspannung an den Knoten a, b, c bzw. d angelegt werden können. Aus Gründen der Klarheit werden die Schaltsignalfolgen für die Transistoren mit der niedrigeren Bemessungsspannung in zwei Diagrammen gezeigt, wobei die Schaltsignalfolgen mit den gleichen Bezugszeichen a, b, c und d wie die entsprechenden Gatterknoten der Transistoren 114, 113, 111 bzw. 112 mit der niedrigeren Bemessungsspannung bezeichnet werden.
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Aus einem Vergleich der Schaltsignalfolgen b und c wird deutlich, dass – für einen idealen Betrieb des Wechselrichters 100 – diagonal entgegengesetzte Brückenabschnitte, wie zum Beispiel der dritte Brückenabschnitt 103 und der erste Brückenabschnitt 101, mittels der Schaltsignalfolgen b und c gleichzeitig abgeschaltet werden sollten. Ein Beispiel für einen derartig synchronisierten Schaltaugenblick lässt sich an der ersten fallenden Flanke des Schaltsignals b finden, das den dritten Brückenabschnitt 103 über den n-Kanal-Transistor 113 mit der niedrigeren Bemessungsspannung abschalten kann. In dem Beispiel von 2a und 2b tritt die erste fallende Flanke des Schaltsignals b gleichzeitig mit einer ersten steigenden Flanke des Schaltsignals c auf, das den ersten Brückenabschnitt 101 über den p-Kanal-Transistor 111 mit der niedrigeren Bemessungsspannung abschalten kann.
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Auf ähnliche Weise lässt sich ein weiterer synchronisierter Schaltaugenblick an der ersten fallenden Flanke des Schaltsignals d finden, das den zweiten Brückenabschnitt 102 über den n-Kanal-Transistor 112 mit der niedrigeren Bemessungsspannung abschalten kann. Auch hier tritt die erste fallende Flanke des Schaltsignals d gleichzeitig mit einer ersten steigenden Flanke des Schaltsignals a auf, das den vierten Brückenabschnitt 104 über den p-Kanal-Transistor 114 mit der niedrigeren Bemessungsspannung abschalten kann.
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Außerdem ist in 2c ein weiteres Diagramm gezeigt, das die Signalfolgen e, f, g, h, Q1 und Q2 abbildet, die mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Knoten in dem Wechselrichter 100 von 1 bezeichnet sind. Als Antwort auf die Schaltsignalfolgen a, b, c und d in 2a und 2b können an den entsprechenden Knoten die Signalfolgen e, f, g, h, Q1 und Q2 resultieren. Es sei angemerkt, das die Maximalspannung an den Knoten f und h und die Minimalspannung mit der Bezeichnung VDD an den Knoten e und g nur ein Bruchteil des Pegels von VDD sind, während Q1 und Q2 den vollständigen Hub von VSS nach VDD durchlaufen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Vollbrücken-Wechselrichters 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zum Vorsehen synchronisierter Schaltaugenblicke für die p-Kanal-Transistoren 311 und 314, verglichen mit den n-Kanal-Transistoren 313 bzw. 312 mittels Regeln der Versorgungsspannungen der jeweiligen p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 und der n-Kanal-Ansteuerungen 333 und 332 über unabhängige Spannungsregler 351 und 352. Wie gezeigt kann die Struktur dieses Wechselrichters 300 der Struktur des Wechselrichters 100 in 1 entsprechen, wobei sich entsprechende Elemente mit Bezugszeichen bezeichnet wurden, bei denen die beiden rechten Ziffern gleich sind.
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Abgesehen von der identischen Struktur des Wechselrichters 300 selbst im Vergleich zum Wechselrichter 100 in 1 zeigt das Ausführungsbeispiel von 3 ferner das erste, obere Paar von p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334, welche jeweils die p-Kanal-Transistoren 311 und 314 mit der niedrigeren Bemessungsspannung des Wechselrichters 300 ansteuern können, und das zweite, untere Paar von n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333, welche jeweils die n-Kanal-Transistoren 312 und 313 mit der niedrigeren Bemessungsspannung des Wechselrichters 300 ansteuern können. Wie gezeigt, kann ein erster Spannungsregler 351 die p-Kanal-Treiber 331 und 334 mit einer ersten geregelten Versorgungsspannung versorgen. Auf ähnliche Weise kann ein zweiter Spannungsregler 352 die n-Kanal-Treiber 332 und 333 mit einer zweiten geregelten Versorgungsspannung versorgen. Das unabhängige Regeln der ersten und der zweiten Versorgungsspannung kann geeignete Laufzeitverzögerungen über die p-Kanal-Treiber 331 und 334 im Vergleich zu den n-Kanal-Treibern 332 und 333 vorsehen, um letztendlich synchrone Schaltvorgänge der p-Kanal-Transistoren 311 und 314 im Vergleich zu den n-Kanal-Transistoren 313 bzw. 312 zu erreichen.
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Bei Ausführungsbeispielen können die Versorgungsleitungen für die p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 und für die n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333 für den Fall, dass die Spannungen zum Ansteuern der Transistoren 311, 314, 312 und 313 mit der niedrigeren Bemessungsspannung niedriger sind als die Hälfte der Versorgungsspannung des Wechselrichters 300, in Reihe gekoppelt sein. In der Regel weisen die p-Kanal-Transistoren 311 und 314 größere Gatterbereiche auf, sodass der Laststrom des ersten Spannungsreglers 351 für die p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 typischerweise größer ist als der Laststrom des zweiten Spannungsreglers 352 für die n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333.
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Dementsprechend kann, wie bei dem Ausführungsbeispiel in 3, der zweite Spannungsregler 352 für die n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333 mit seinem Eingang mit einem Versorgungsknoten 353 für die p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 gekoppelt sein und folglich die p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 mit seinem Laststrom mitversorgen. In diesem Fall kann es sein, dass nur die Differenz zwischen dem Laststrom der p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 und dem der n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333 mittels des ersten Spannungsreglers 351 für die p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 geliefert werden muss.
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Anders ausgedrückt kann der zweite Spannungsregler 352 zwischen einem Versorgungsknoten 353 der p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 und einem Versorgungsknoten 354 der n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333 gekoppelt sein, um nicht nur die n-Kanal-Ansteuerungen 332 und 333, sondern teilweise auch die p-Kanal-Ansteuerungen 331 und 334 mit seinem Laststrom zu versorgen. Auf der Grundlage dieses Typs des Zusammenschaltens des ersten Spannungsreglers 351 und des zweiten Spannungsreglers 352 kann der Gesamtstromverbrauch des Wechselrichters 300 verringert werden, was sich in einem weiter erhöhten Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters 300 widerspiegelt.
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In einigen Beispielen kann zweckmäßigerweise ein Hochfrequenz-Vollbrücken-Wechselrichter so betrieben werden, dass seine Brückenabschnitte in Fällen eingeschaltet werden, in denen die Spannung über diesem jeweiligen Brückenabschnitt niedrig ist. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Halbbrücke 405 eines Vollbrücken-Wechselrichters 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zum Betreiben des Wechselrichters 400 auf eine Weise, dass ein beliebiger Brückenabschnitt in Augenblicken eingeschaltet wird, in denen die Spannung über diesem jeweiligen Brückenabschnitt niedrig ist. Diese Art des Betreibens eines Wechselrichters wird in der Regel als Schalten nahe der Nullspannung bezeichnet.
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Wie in 4 gezeigt, kann die Struktur der ersten Halbbrücke 405 des Wechselrichters 400 der Struktur der ersten Halbbrücke 105 des Wechselrichters 100 in 1 entsprechen, wobei sich entsprechende Elemente mit Bezugszeichen bezeichnet wurden, bei denen die beiden rechten Ziffern gleich sind.
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Zum Zweck des Betreibens des Wechselrichters 400 in der Betriebsart des Schaltens nahe der Nullspannung kann jeder der Brückenabschnitte 401 und 402 jeder Halbbrücke des Wechselrichters 400 mit einem von einer Vielzahl von Spannungsdetektoren 461 bzw. 462 gekoppelt werden, der das Einschalten des jeweiligen einen der Brückenabschnitte 401 und 402 nur in dem Fall ermöglicht, in dem die Spannung über dem jeweiligen der Brückenabschnitte 401 und 402 unter eine vorbestimmte Schwellenspannung gefallen ist.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel in 4 kann ein erster Spannungsdetektor 461 mit einem Reihenkopplungsknoten 463 zwischen dem p-Kanal-Transistor 411 mit niedrigerer Bemessungsspannung und dem p-Kanal-Transistor 421 mit höherer Bemessungsspannung des ersten, oberen Brückenabschnitts 401 gekoppelt werden. Demgemäß kann ein zweiter Spannungsdetektor 462 mit einem Reihenkopplungsknoten 464 zwischen dem n-Kanal-Transistor 412 mit niedrigerer Bemessungsspannung und dem n-Kanal-Transistor 422 mit höherer Bemessungsspannung des zweiten, unteren Brückenabschnitts 402 gekoppelt werden.
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Bei Ausführungsbeispielen mit der oben erwähnten Kopplung der Spannungsdetektoren mit dem Wechselrichter kann jeder von der Vielzahl von Spannungsdetektoren 461 und 462, die mit allen Brückenabschnitten verbunden sind, nur Komponenten mit der niedrigeren Bemessungsspannung aufweisen, um beim Aktivieren des Einschaltens des jeweiligen einen von den Brückenabschnitten in Abhängigkeit von den mittels des jeweiligen einen der Vielzahl von Spannungsdetektoren erkannten Spannungen sehr kurze Signalverzögerungen zu erreichen.
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Zweckmäßigerweise kann ein beliebiger der Brückenabschnitte des Vollbrücken-Wechselrichters 400 nach einer vorbestimmten Verzögerung eingeschaltet werden, unabhängig davon, ob die Spannung über dem jeweiligen Brückenabschnitt unter die vorbestimmte Schwellenspannung gefallen ist, um den Beginn des Betriebs des Wechselrichters 400 in dem Fall, dass kein Laststrom vorhanden ist, zu ermöglichen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 4 kann die oben erwähnte Funktionalität mit komplexen Logikgattern 471 und 472 erreicht werden, die eine Vielzahl von Eingangssignalen für jeden Brückenabschnitt kombinieren können, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das tatsächlich regeln kann, ob der jeweilige Brückenabschnitt über die jeweilige Ansteuerung eingeschaltet wird.
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In dem Fall des oberen Brückenabschnitts 401 in 4 kombiniert das entsprechende erste komplexe Logikgatter 471 das Schaltsignal A mit einem Schaltsignal B, das dem mittels des Verzögerungselements 481 verzögerten Schaltsignal A entspricht, und mit einem Ausgangssignal C des ersten Spannungsdetektors 461 gemäß der Logikfunktion A ∨ (B ∧ C), um ein Ausgangssignal des ersten komplexen Logikgatters 471 zu ergeben, das den p-Kanal-Treiber 431 ansteuern kann. Diesbezüglich kann das Schaltsignal A aktiviert werden, um die p-Kanal-Ansteuerung 431 in dem Fall anzusteuern, in dem das Signal C wahr ist, wenn der erste Spannungsdetektor 461 erkannt hat, dass die Spannung über dem ersten Brückenabschnitt 401 unter die vorbestimmte Schwellenspannung gefallen ist, oder nachdem das Schaltsignal A das erste Verzögerungselement 481 durchlaufen hat und die Logik-Kombination des Schaltsignals A und seiner verzögerten Instanz B bewirkt, dass ein dem Schaltsignal A entsprechendes Schaltsignal an den Eingang der Ansteuerung 431 weitergegeben wird, unabhängig davon, ob die Spannung über dem ersten Brückenabschnitt 401 unter die vorbestimmte Schwellenspannung gefallen ist.
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Ferner kombiniert in dem Fall des unteren Brückenabschnitts 402 in 4 das entsprechende zweite komplexe Logikgatter 472 das Schaltsignal F mit einem Schaltsignal E, das dem mittels des Verzögerungselements 482 verzögerten Schaltsignal F entspricht, und mit einem Ausgangssignal D des zweiten Spannungsdetektors 462 gemäß der Logikfunktion (D ∨ E) ∧ F, um ein Ausgangssignal des zweiten komplexen Logikgatters 472 zu ergeben, das den n-Kanal-Treiber 432 ansteuern kann. Diesbezüglich kann das Schaltsignal F aktiviert werden, um die n-Kanal-Ansteuerung 432 in dem Fall anzusteuern, in dem das Signal D wahr ist, wenn der zweite Spannungsdetektor 462 erkannt hat, dass die Spannung über dem zweiten Brückenabschnitt 402 unter die vorbestimmte Schwellenspannung gefallen ist, oder nachdem das Schaltsignal F das zweite Verzögerungselement 482 durchlaufen hat und die Logik-Kombination des Schaltsignals F und seiner verzögerten Instanz E bewirkt, dass ein dem Schaltsignal F entsprechendes Schaltsignal an den Eingang der Ansteuerung 432 weitergegeben wird, unabhängig davon, ob die Spannung über dem zweiten Brückenabschnitt 402 unter die vorbestimmte Schwellenspannung gefallen ist.
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Für den Betrieb des Schaltens nahe der Nullspannung eines Hochfrequenz-Wechselrichters sollten jeweils sich gegenüberliegende Brückenabschnitte des Vollbrücken-Wechselrichters so synchron wie möglich abgeschaltet werden. Dies trifft besonders in Verbindung mit Transformatoren mit niedriger Induktivität auf der Basis von Luftkernspulen zu. Ansonsten würde eine der beiden Halbbrücken zuerst kommutieren, und das Magnetfeld in dem Transformator auf Luftkernspulenbasis würde sich verringern, bevor die zweite Halbbrücke vollständig kommutiert ist. In einem derartigen Fall könnte ein Brückenabschnitt schnell seine Vorbedingung einer sehr niedrigen Spannung erreichen, um eingeschaltet zu werden, der andere Brückenabschnitt jedoch erreicht möglicherweise seine Vorbedingung, um eingeschaltet zu werden, überhaupt nicht.
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Aus diesem Grund kann ein erster Pegelumsetzer 493 vorgesehen werden, um ein externes Taktsignal 440 – auf dem das extern geregelte Schalten des Wechselrichters 400 basieren kann – auf Spannungspegel zu wandeln, die symmetrisch im Hinblick auf die Versorgungsspannungspegel VDD und VSS des Wechselrichters 400 liegen, um ein pegelverschobenes Taktsignal 445 zu ergeben. Außerdem kann, wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels in 4, ein zweiter Pegelumsetzer 491 vorgesehen werden, um das pegelverschobene Taktsignal 445 in das Schaltsignal A für den oberen Brückenabschnitt 401 der ersten Halbbrücke 405 umzuwandeln. Des Weiteren kann ein dritter Pegelumsetzer 492 vorgesehen werden, um das pegelverschobene Taktsignal 445 in das Schaltsignal F für den unteren Brückenabschnitt 402 der ersten Halbbrücke 405 umzuwandeln.
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Auf der Grundlage dieser Art von Zusammenschaltung weisen die Signalwege zum Vorsehen externer Schaltsignale, um den oberen Brückenabschnitt 401 und den unteren Brückenabschnitt 402 anzusteuern, dieselbe Anzahl von Pegelumsetzern auf. Als Ergebnis können alle Ungleichgewichte in den Signalwegen zum Ansteuern des oberen Brückenabschnitts 401 und des unteren Brückenabschnitts 402, die zu einem asynchronen Schaltbetrieb von diagonal entgegengesetzten Brückenabschnitten führen könnten, vermieden werden. Zusammengefasst bildet 5 im Hinblick auf die Spannungsdetektoren ein erstes Ausführungsbeispiel ab, das eine erste Menge von Regelschleifenschaltungen und damit verbundenen Schaltungen für eine geeignete zeitliche Synchronisierung von Augenblicken aufweist, in denen die Brückenabschnitte eines Vollbrücken-Wechselrichters in Bezug zueinander abgeschaltet werden.
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Aus Gründen der Klarheit bildet 4 nur die erste Halbbrücke 405 des Vollbrücken-Wechselrichters 400 und der mit ihm verbundenen Schaltungen, wie zum Beispiel die Verzögerungselemente 481 und 482, die komplexen Logikgatter 471 und 472 sowie die Spannungsdetektoren 461 und 462, ab, um letztendlich die Schaltsignale zu generieren, welche die p-Kanal-Ansteuerung 431 bzw. die n-Kanal-Ansteuerung 432 auf der Grundlage des externen Taktsignals 440 ansteuern. Natürlich kann die zweite Halbbrücke (nicht gezeigt) des Vollbrücken-Wechselrichters 400 entsprechende verbundene Schaltungen aufweisen, zum Beispiel entsprechende Verzögerungselemente, entsprechende komplexe Logikgatter sowie entsprechende Spannungsdetektoren für die Generierung der Schaltsignale auf der Grundlage des externen Schaltsignals 440. Bei einem Ausführungsbeispiel können die entsprechenden verbundenen Schaltungen mit den komplementären Ausgängen A und F des zweiten Pegelumsetzers 491 bzw. des dritten Pegelumsetzers 492 verbunden sein.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Systems zum Synchronisieren der Schaltaugenblicke der Brückenabschnitte eines Vollbrücken-Wechselrichters gemäß dem von 1. Wie in 5 gezeigt, kann die Kopplung des Paares von p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 sowie des Paares von n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 mit dem entsprechenden Wechselrichter (nicht gezeigt) der Kopplung wie in 3 gezeigt entsprechen, wobei sich entsprechende Elemente mit Bezugszeichen bezeichnet wurden, bei denen die beiden rechten Ziffern gleich sind.
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Im Allgemeinen können Regelschaltungen und Verfahren implementiert werden, die regeln, dass diagonal entgegengesetzte Brückenabschnitte, wie zum Beispiel der dritte Brückenabschnitt 103 und der erste Brückenabschnitt 101 sowie der zweite Brückenabschnitt 102 und der vierte Brückenabschnitt 104, in dem Vollbrücken-Wechselrichter 100 gleichzeitig abgeschaltet werden.
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Diesbezüglich kann ein Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Synchronisieren von Schaltaugenblicken eines Vollbrücken-Wechselrichters durch Vergleichen eines ersten Schaltaugenblicks des ersten Brückenabschnitts 101 in der ersten Halbbrücke 105 des Vollbrücken-Wechselrichters 100 mit einem zweiten Schaltaugenblick des dritten Brückenabschnitts 103 in der zweiten Halbbrücke 106 des Vollbrücken-Wechselrichters 100 umfassen, um eine beliebige Differenz zwischen dem ersten Schaltaugenblick und dem zweiten Schaltaugenblick als ersten Schaltfehler zu bestimmen. Im Hinblick auf das Ausführungsbeispiel des Vollbrücken-Wechselrichters 100, wie in 1 gezeigt, liegt der dritte Brückenabschnitt 103 in der zweiten Halbbrücke 106 gegenüber dem ersten Brückenabschnitt 101 in der ersten Halbbrücke 105.
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Ein weiterer Schritt des Verfahrens kann das Vergleichen eines dritten Schaltaugenblicks des zweiten Brückenabschnitts 102 in der ersten Halbbrücke 105 des Vollbrücken-Wechselrichters 100 mit einem vierten Schaltaugenblick des vierten Brückenabschnitts 104 in der zweiten Halbbrücke 106 des Vollbrücken-Wechselrichters 100 umfassen, um eine beliebige Differenz zwischen dem dritten Schaltaugenblick und dem vierten Schaltaugenblick als zweiten Schaltfehler zu bestimmen. Erneut im Hinblick auf 1 liegt der vierte Brückenabschnitt 104 der zweiten Halbbrücke 106 gegenüber dem zweiten Brückenabschnitt 102 in der ersten Halbbrücke 105.
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In einem weiteren Schritt kann das Ausführungsbeispiel abhängig von einem Betrag und einem Vorzeichen des ersten Schaltfehlers und des zweiten Schaltfehlers das Ändern einer Verzögerung der ersten Ansteuerung 531, die ein externes Schalten des ersten Brückenabschnitts 101 ansteuert, im Hinblick auf eine Verzögerung einer dritten Ansteuerung 533, die ein externes Schalten des dritten Brückenabschnitts 103 ansteuert, und das Ändern einer Verzögerung einer zweiten Ansteuerung 532, die ein externes Schalten des zweiten Brückenabschnitts 102 ansteuert, im Hinblick auf eine Verzögerung einer vierten Ansteuerung 534, die ein externes Schalten des vierten Brückenabschnitts 104 ansteuert, umfassen, sodass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler verschwinden.
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Folglich kann im Allgemeinen für eine verbesserte Synchronisierung der Schaltaugenblicke, in denen die Brückenabschnitte eines Vollbrücken-Wechselrichters abgeschaltet werden, wenigstens eine Regelschaltung vorgesehen werden, welche die Augenblicke, in denen die Brückenabschnitte des Vollbrücken-Wechselrichters eingeschaltet werden, vergleichen kann und wenigstens eine Versorgungsspannung von wenigstens einer der Ansteuerungen, die einen der Brückenabschnitte ansteuert, im Falle einer Abweichung zwischen den Schaltaugenblicken, dementsprechend ändern kann, um die Abweichung mittels Ändern der Laufzeitverzögerung der wenigstens einen Ansteuerung zu verringern. Diesbezüglich hängt die Laufzeitverzögerung von digitalen Ansteuerungen und Logikschaltungen stark von ihrer Versorgungsspannung ab. Wenn die Ausschaltaugenblicke nicht synchron sind, unterscheiden sich die Übergangszeiten von Q1 und Q2 sehr viel mehr als die Abweichung der Ausschaltaugenblicke beträgt. Daher führt das Vergleichen der Einschaltaugenblicke zu einem vergrößerten Vergleichsergebnis im Hinblick auf das Vergleichen der Ausschaltaugenblicke.
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Auf diese Weise können mittels Erhöhen der Versorgungsspannung einer Ansteuerung und Verringern der Versorgungsspannung einer anderen Ansteuerung die entsprechenden Schaltaugenblicke auf einfache Weise synchronisiert werden, sodass auch die Augenblicke, in denen die entsprechenden Brückenabschnitte eingeschaltet werden, auf einfache Weise synchronisiert werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung für die Synchronisierung ist in 5 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein erster Zeitraum, während dessen die beiden oberen Brückenabschnitte (zum Beispiel die Brückenabschnitte 101 und 104 in 1) gleichzeitig abgeschaltet werden, mit einem zweiten Zeitraum verglichen werden, während dessen die beiden unteren Brückenabschnitte (zum Beispiel die Brückenabschnitte 102 und 103 in 1) gleichzeitig abgeschaltet werden. Dieser erste und dieser zweite Zeitraum entsprechen annähernd den Übergangszeiten der Ausgangsknoten des Vollbrücken-Wechselrichters von ihrem niedrigen Spannungspegel zu ihrem hohen Spannungspegel bzw. den Übergangszeiten der Ausgangsknoten des Vollbrücken-Wechselrichters von ihrem hohen Spannungspegel zu ihrem niedrigen Spannungspegel.
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Abhängig von einem Betrag und einem Vorzeichen einer Differenz zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum wird eine Verzögerung der ersten p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534, die ein externes Schalten der beiden oberen Brückenabschnitte 101 und 104 ansteuern, im Hinblick auf eine Verzögerung der zweiten n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533, die ein externes Schalten der beiden unteren Brückenabschnitte 102 und 103 ansteuern, so angepasst, dass die Differenz zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum verschwindet.
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Zum Zweck des oben erwähnten Vergleichs des ersten Zeitraums mit dem zweiten Zeitraum können der Ausgang des ersten p-Kanal-Treibers 531 und der Ausgang des zweiten p-Kanal-Treibers 534 mit einem logischen UND-Gatter 566 gekoppelt werden. Außerdem können der Ausgang des ersten n-Kanal-Treibers 532 und der Ausgang des zweiten n-Kanal-Treibers 533 mit einem logischen ODER-Gatter 567 gekoppelt werden. Des Weiteren kann an einem Vergleichsknoten 550, an dem ein erster Widerstand 568 an einem Ausgang des UND-Gatters 566 mit einem zweiten Widerstand 569 an einem Ausgang des ODER-Gatters 567 gekoppelt werden kann, eine Vergleichsspannung vorgesehen werden, wobei die Vergleichsspannung die Differenz zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum repräsentiert.
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Außerdem können, wie in 5 gezeigt, Ausführungsbeispiele einen Operationsverstärker 565 aufweisen, um die Vergleichsspannung mit einer Spannung mit mittlerem Pegel in der Mitte zwischen den Pegeln der Versorgungsspannungen VDD und VSS des Wechselrichters 100 an einem mittleren Knoten 560 zu vergleichen, um die Pegel der Referenzspannungen 558 und 559 für die Spannungsregler 551 und 552 zu regeln, welche die Versorgung der p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 bzw. der n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 534 regeln.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Vergleichsspannung, die niedriger ist als die Spannung mit mittlerem Pegel, eine Erhöhung in einem Ausgang eines ersten 551 der die Versorgung der p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 an einem ersten Versorgungsknoten 553 regelnden Spannungsregler bewirken, was eine Signallaufzeitverzögerung durch die p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 verringern kann. Dies kann des Weiteren eine Verringerung in einem Ausgang eines zweiten 552 der die Versorgung der n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 an einem zweiten Versorgungsknoten 554 regelnden Spannungsregler bewirken, was eine Signallaufzeitverzögerung durch die n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 erhöhen kann.
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Außerdem kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Vergleichsspannung, die höher ist als die Spannung mit mittlerem Pegel, eine Verringerung an einem Ausgang des ersten 551 der die Versorgung der p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 an dem ersten Versorgungsknoten 553 regelnden Spannungsregler bewirken, was die Signallaufzeitverzögerung durch die p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 erhöhen kann. Dies kann des Weiteren eine Erhöhung in einem Ausgang eines zweiten 552 der die Versorgung der n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 an dem zweiten Versorgungsknoten 554 regelnden Spannungsregler bewirken, was die Signallaufzeitverzögerung durch die n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 verringern kann.
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Folglich können, da die Signale an dem Ausgang des UND-Gatters 566 und an dem Ausgang des ODER-Gatters 567 zueinander komplementär sind, diese mittels des den ersten Widerstand 568 und den zweiten Widerstand 569 umfassenden Widerstandsnetzes addiert werden. In dem Fall, in dem der oben erwähnte erste Zeitraum und der zweite Zeitraum gleich lange dauern, liegt die Spannung an dem Vergleichsknoten 550 im Wesentlichen genau in der Mitte zwischen den Versorgungsspannungspegeln VDD und VSS. In dem Fall von Abweichungen zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum weicht die Spannung an dem Vergleichsknoten 550 auch von dem mittleren Spannungspegel zwischen den Versorgungsspannungspegeln VDD und VSS ab, und die Referenzspannungspegel 558 und 559 für die Spannungsregler 551 und 552, welche die Versorgung der p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 bzw. der n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 534 regeln, werden mittels des Ausgangssignals des Komparators 565 in entgegengesetzte Richtungen geändert.
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Wenn zum Beispiel die beiden oberen Brückenabschnitte 101 und 104 regelmäßig zu spät abgeschaltet werden, weil die Laufzeitverzögerung der p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 für die p-Kanal-Transistoren 101 und 104 etwas länger sein kann als die der n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 für die n-Kanal-Transistoren 102 und 103, dauert die Umschaltung von den oberen Brückenabschnitten 101 und 104 auf die unteren Brückenabschnitte 102 und 103 länger als in die andere Richtung, zum Beispiel von den unteren auf die oberen Brückenabschnitte 101, 104.
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Dies führt dazu, dass die oberen Brückenabschnitte 101 und 104 über die Spannungsdetektoren früher eingeschaltet werden als die unteren Brückenabschnitte 102 und 103. Deswegen sind die oberen Brückenabschnitte 101 und 104 einen kürzeren Zeitraum lang gleichzeitig abgeschaltet als die unteren Brückenabschnitte 102 und 103. Folglich ist die Spannung an dem Vergleichsknoten 550 etwas geringer. Über den Komparator 565 wird der Absolutwert der Ausgangsspannung des ersten Spannungsreglers 551 für die p-Kanal-Ansteuerungen 531 und 534 erhöht, während der Absolutwert der Ausgangsspannung des zweiten Spannungsreglers 552 für die n-Kanal-Ansteuerungen 532 und 533 verringert wird, bis die oberen Brückenabschnitte 101 und 104 und die unteren Brückenabschnitte 102 und 103 erneut für einen im Wesentlichen gleich langen Zeitraum gleichzeitig abgeschaltet werden.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Synchronisieren der Schaltaugenblicke eines Vollbrücken-Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dieses Verfahren kann das Vergleichen 600 eines Zeitraums, während dessen die beiden oberen Brückenabschnitte des Vollbrücken-Wechselrichters gleichzeitig abgeschaltet sind, mit einem zweiten Zeitraum, während dessen die beiden unteren Brückenabschnitte des Vollbrücken-Wechselrichters gleichzeitig abgeschaltet sind, umfassen.
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Dieses Verfahren kann des Weiteren, abhängig von einem Betrag und einem Vorzeichen einer Differenz zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum, das Ändern 601 einer Verzögerung erster Ansteuerungen, die ein externes Schalten der beiden oberen Brückenabschnitte ansteuern, im Hinblick auf eine Verzögerung zweiter Ansteuerungen, die ein externes Schalten der beiden unteren Brückenabschnitte ansteuern, umfassen, sodass die Differenz zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum verschwindet.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln einer Vollbrückenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vollbrückenvorrichtung weist wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitt auf. Das Verfahren umfasst das Bestimmen 700 eines ersten Schaltfehlers auf der Grundlage des Vergleichens eines ersten Schaltaugenblicks des ersten Brückenabschnitts mit einem zweiten Schaltaugenblick des dritten Brückenabschnitts und das Bestimmen eines zweiten Schaltfehlers auf der Grundlage des Vergleichens eines dritten Schaltaugenblicks des zweiten Brückenabschnitts mit einem vierten Schaltaugenblick des vierten Brückenabschnitts. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ansteuern 701 des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenabschnitts auf eine Weise, dass der erste Schaltfehler und der zweite Schaltfehler mittels Ändern einer Verzögerung des Ansteuerns des ersten Brückenabschnitts im Hinblick auf eine Verzögerung des Ansteuerns des dritten Brückenabschnitts und mittels Ändern einer Verzögerung des Ansteuerns des zweiten Brückenabschnitts im Hinblick auf das Ansteuern des vierten Brückenabschnitts verringert werden.
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Im Hinblick auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, die sich auf die Figuren beziehen, wird betont, dass die genannten Ausführungsbeispiele im Wesentlichen dazu dienten, die Verständlichkeit zu verbessern. Zusätzlich sollen die folgenden weiteren Ausführungsbeispiele ein allgemeineres Konzept veranschaulichen. Die folgenden Ausführungsbeispiele sind jedoch ebenfalls nicht in einem beschränkenden Sinne aufzufassen. Vielmehr ist – wie zuvor schon zum Ausdruck gebracht – der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Obwohl in diesem Dokument spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben wurden, werden es die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet würdigen, dass die gezeigten und beschriebenen, spezifischen Ausführungsbeispiele durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen ersetzt werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Diese Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Variationen der in diesem Dokument erörterten, spezifischen Ausführungsbeispiele umfassen. Daher soll die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt werden.
