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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Resonanzkreises.
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Zur elektrischen Energieübertragung, insbesondere zur Ladung von Energiespeichern, werden immer öfter sogenannte resonante Topologien eingesetzt, die einen Schwingkreis beinhalten. Durch eine Anregung eines solchen Schwingkreises mit einer Frequenz, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt, können die frequenzabhängigen Übertragungseigenschaften des Schwingkreises dazu benutzt werden, um zum Einen über die Variation der Anregungsfrequenz eine Regelung zu ermöglichen, zum Anderen um die Schaltverluste durch sogenanntes Null-Spannungs-Schalten gering zu halten und so die Effizienz zu steigern.
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Eine wesentliche Einschränkung des Betriebs solcher resonanter Topologien mit einer variablen Frequenz ist die minimale Energieübertragung, die aufgrund der Übertragungscharakteristik eines allgemeinen Schwingkreises selbst bei sehr hoher oder sehr niedriger Frequenz bei einem angeschlossenen Verbraucher nie den Wert Null erreicht.
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Daher gibt es einige Lösungen, die diese Einschränkung überwinden.
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Die
US000005159541A beschreibt einen Serien-Schwingkreis, der pulsweitenmoduliert mit einer konstanten Anregungsfrequenz betrieben wird. Dadurch ist eine Reduktion der Energieübertragung bis auf Null möglich. Jedoch ist dieses Verfahren nicht auf den Betrieb eines Resonanzkreises mit einer grundsätzlich variablen Anregungsfrequenz ausgelegt, sodass dadurch ein wesentlicher Effizienzverlust in einem weiten Betriebsbereich im Vergleich zum frequenzvariablen Betrieb eines Resonanzkreises zu erwarten ist.
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In der
US005986895A wird ein Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreises offenbart, in dem während einer Taktperiode ein Schalter bei einem bestimmten Maximalwert des Resonanzstroms ausgeschaltet wird, wodurch eine sogenannte stromgesteuerte Regelung realisiert wird. Hierdurch wird der Resonanzkreis durch eine pulsweitenvariable und zugleich frequenzvariable Wechselspannung angeregt. Da durch die stromgesteuerte Regelung Pulsweite und Frequenz der anregenden Wechselspannung direkt miteinander korreliert sind, können die Vorteile einer reinen Frequenzvariation bei voller Pulsbreite eines Schwingkreises in bestimmten Betriebsbereichen aber nicht ausgenutzt werden.
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Die
KR000101330414B1 beschreibt ein Ansteuerverfahren für eine Vollbrücke eines LLC-Konverters, welches eine Wechselspannung erzeugt, die jeweils gleiche Pulsbreiten für beide Spannungspolaritäten besitzt und zwischen den beiden Pulsen jeweils noch eine Zeitdauer vorhanden ist, in der keine Spannung am Resonanzkreis anliegt, sondern dieser kurzgeschlossen ist. Die Pulsmuster für die einzelnen Schalter sind dabei alle zueinander unterschiedlich, was zu einer erhöhten Komplexität in der Pulsmuster-Erzeugung führt.
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Somit stellt sich die Aufgabe, den Betriebsbereich eines Resonanzkreises so zu erweitern, dass unter Beibehaltung aller Vorteile der Topologie und der bekannten Verfahren zur Energieübertragung sowie einem möglichst geringen Steuer- und Regelaufwand eine auf Null reduzierbare Energieübertragung stattfinden kann sowie weitere Verbesserungen in Teilbetriebsbereichen erreicht werden können.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Weitere günstige Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb eines Resonanzkreises, welches die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch löst, dass eine aktive Brückenschaltung eine asymmetrische Wechselspannung erzeugt, die den Schwingkreis anregt, sobald zumindest eine Anforderung durch eine symmetrische Anregung nicht erfüllt werden kann. Unter Asymmetrie ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass die Zeitdauern, während der ein positiver beziehungsweise ein negativer Spannungswert durch die aktive Brückenschaltung auf den Schwingkreis geschaltet werden, innerhalb einer Schaltzeitperiode zueinander unterschiedlich lang sind. Im Besonderen betrifft dieses Verfahren Resonanzwandler, deren Energieübertragung grundsätzlich durch eine symmetrische Ansteuerung mit einer variablen Anregungsfrequenz geregelt oder gesteuert wird. Eine aktive Brückenschaltung besteht dabei zumindest aus zwei Halbleiter-Schaltelementen, die durch eines oder mehrere Steuersignale ein- und ausgeschaltet werden können.
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Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass ein gegebener, mit einer symmetrischen Anregung betriebener Resonanzkreis mit seiner entsprechend notwendigen schaltungstechnischen Ausstattung ohne weitere Bauteile-Änderungen durch die Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinem Betriebsbereich erweitert werden kann. Durch eine sehr kleine, im Idealfall bis auf Null reduzierbare Pulsbreite der anregenden Wechselspannung, wodurch am Schwingkreis nur noch eine Gleichspannung anliegt, kann die übertragene Energie bis auf Null gesenkt werden. Damit erschließen sich diesen Topologien auch neue Anwendungsgebiete, in denen ein sehr weiter Betriebsbereich gefordert ist wie beispielsweise eine Ladeaufgabe für elektrische Energiespeicher mit einem sehr großen Betriebsspannungsbereich, wie etwa Supercaps oder auch innovative Lithium-Ionen Batterie-Packs.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in einer Reduzierung der elektrischen Verluste in dem Gesamtsystem, bestehend aus aktiver Brückenschaltung, Schwingkreis sowie Ausgangs-Gleichrichter. Die Reduktion der Verluste begründet sich darin, dass mit einem frequenzvariablen Ansteuerverfahren bei einer möglichst niedrigen geforderten Energieübertragung die Anregungsfrequenz sehr hoch sein muss, und dadurch Schaltverluste und Stromverdrängungseffekte zunehmen. Durch eine asymmetrische Anregung bei wesentlich niedrigeren Frequenzen werden diese Verluste durch weniger Schaltvorgänge pro Zeiteinheit sowie niedrigeren Leitungswiderständen verringert.
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Dadurch kann bereits bei der Auslegung der elektronischen Komponenten eine geringere Anregungsfrequenz zugrunde gelegt werden, wodurch sich in vorteilhafter Weise Leitungsquerschnitte und Maßnahmen für Wärmemanagement und dadurch letztendlich auch die Materialkosten verringern lassen.
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In einer günstigen Ausführungsform wird die Pulsbreite der einzelnen zueinander asymmetrischen positiven und negativen Pulse als Stellgröße für eine Regelung verwendet, wodurch die Pulsbreite variabel sein muss. Diese Eigenschaft ermöglicht einen stufenlosen Übergang von einer symmetrischen zu einer asymmetrischen Betriebsstrategie.
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Bevorzugt wird eine asymmetrische Wechselspannung in einer Ausführung mit einer konstanten Frequenz erzeugt. Dadurch werden die Anforderungen an eine Regelstruktur klein gehalten, da nur das Verhältnis der beiden Schaltzeiten zueinander als Regelgröße wirkt. Insbesondere kann die Anregungsfrequenz für unterschiedliche Betriebspunkte unterschiedliche Werte besitzen. Diese Ausgestaltung erweitert den Betriebsbereich zusätzlich und gibt zugleich die Möglichkeit zu einer Erhöhung der Effizienz.
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Weiterhin werden bei Einsatz einer Vollbrücke für die jeweils diagonalen Schalter ein gemeinsames oder mehrere identische Steuersignale bereitgestellt. Dadurch ergeben sich in vorteilhafter Weise Vereinfachungen in der Signalerzeugung, da dann für eine Vollbrücke nur eine Signalform erzeugt werden muss, und die andere Signalform durch logische Invertierung daraus abgeleitet werden kann. Dieses Verfahren hat zudem den Vorteil, dass es auch bei symmetrischer Ansteuerung im herkömmlichen Betrieb mit Frequenzvariation eingesetzt werden kann und somit durch die Erweiterung des Betriebsbereiches mit dem vorgeschlagenen Verfahren dieselbe Signalerzeugungslogik verwendet werden kann.
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In einer weiteren günstigen Ausführungsform des Verfahrens wird bei Einsatz einer aktiven Vollbrücke, welche bipolare Spannungsblöcke erzeugen kann, durch ein dauerhaftes Schließen eines Low-Side-Schalters sowie gleichzeitigem dauerhaften Öffnen des komplementären High-Side-Schalters eine Reduzierung der Energieübertragung erreicht, da nun der Schwingkreis nur noch mit unipolaren Spannungsblöcken angeregt werden kann. Als Low-Side-Schalter werden dabei die beiden, mit einem ihrer Leistungsanschlüsse mit dem primären Massepotenzial verbundenen Schalter bezeichnet. Als High-Side-Schalter werden die beiden anderen, mit einem ihrer Leistungsanschlüsse mit dem primären Versorgungspotenzial verbundenen Schalter bezeichnet. Somit kann bereits ohne asymmetrische Anregung die Energieübertragung wesentlich reduziert und damit der Betriebsbereich erheblich erweitert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 besteht aus dem Vertauschen der beiden zueinander logisch invertierten Steuersignale, sowohl im Betrieb mit einer Halbbrücke als auch mit einer Vollbrücke. Insbesondere bei einer sehr geringen Pulsbreite einer Polarität der anregenden Wechselspannung ergeben sich negative Beeinflussungen auf die elektromagnetische Störemission (EMI). Bei einer sehr geringen Pulsbreite können insbesondere Treiberbausteine, welche für ein schnelles Schalten von Leistungshalbleitern wie MOSFETs oder IGBTs notwendig sind, nicht oder nur für eine begrenzte Zeitdauer versorgt werden. Ferner ist eine endliche Zeit erforderlich, um einen Leistungshalbleiter gänzlich leitend oder sperrend zu schalten. Die Folge daraus ist, dass diese Treiber-Bausteine keine oder zu wenig Energie für die Schaltvorgänge zur Verfügung stellen, wodurch die Leistungshalbleiter nicht oder nur teilweise eingeschaltet werden. Wird hingegen die Pulsbreite durch Invertieren beziehungsweise Vertauschen der Steuersignale erheblich vergrößert, kann wieder genügend Schaltenergie zur Verfügung gestellt werden. Bedingt durch die Übertragungskennlinie eines Resonanzkreises in Abhängigkeit des Pulsbreiten-Verhältnisses, welche spiegelsymmetrisch zur Pulsbreite mit dem Wert 0,5 ist, ändert eine Invertierung oder ein Vertauschen der Ansteuersignale nichts an dem statischen Übertragungsverhalten eines solchen Resonanzkreises. Insbesondere ist es bei dieser Ausführungsform von Vorteil, wenn die Steuersignale periodisch miteinander vertauscht werden, wobei die Wiederholrate grundsätzlich beliebig gewählt werden kann. Damit kann beispielsweise bei Verwendung einer sogenannten Bootstrap-Versorgung für die High-Side-Schalter einer Vollbrücke ein fehlerhaftes Treiberverhalten aufgrund mehrerer aufeinanderfolgender zu niedriger Pulsbreiten vermieden werden.
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Wird die Wiederholrate derart gewählt, dass die Anregungsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches davon ist, kann vorteilhafterweise eine Regelungsaufgabe einfach gehalten und zusätzliche störende Interferenzen minimiert werden.
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Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann als Kriterium für die Applikation des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 gewählt werden, dass die durch eine symmetrische, frequenzvariable und pulsweitenkonstante Anregung erzeugte Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom höher als ein vorgegebener Wert, beispielsweise aus einer Steuerung, sind. Insbesondere bei Erreichen der maximal zulässigen Anregungsfrequenz wird das vorgeschlagene Verfahren eine wesentlich bessere Erfüllung der Anforderungen liefern.
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Weiterhin bevorzugt wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Einsatz einer aktiven Gleichrichtung, deren Steuersignale synchron zu den Steuersignalen der aktiven Brückenschaltung generiert werden, jedoch im Vergleich zu den Steuersignalen für eine symmetrische Anregung andere Verzögerungszeiten besitzen. Durch eine andere Pulsbreite ergeben sich andere Stromformen und dementsprechend unterschiedlich lange Kommutierungszeiten zwischen den einzelnen Schaltern. Diese Maßnahme stellt sicher, dass auch bei einer asymmetrischen Ansteuerung die elektrischen Verluste in den Schaltern minimal bleiben. Dabei ist unter Verzögerungszeit die Zeitdauer zu verstehen, in der ein Steuersignal für eine aktive, synchron zu einer eine anregende Wechselspannung erzeugende aktiven Brückenschaltung gesteuerte Gleichrichterschaltung noch nicht aktiviert wird, obwohl das zugehörige Steuersignal der aktiven Brückenschaltung, zu dem das zu verzögernde Steuersignal synchron aktiviert werden soll, bereits aktiviert ist. Die Verzögerungszeit beträgt typischerweise, abhängig von der Art der eingesetzten Halbleiter, 100 Nanosekunden bis 2 Mikrosekunden. Diese Werte sollen aber im Rahmen der Erfindung nur als Beispiele dienen und schließen Werte, die geringer oder größer sind nicht aus.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens besitzt für unterschiedliche Arbeitspunkte oder unterschiedliche Pulsbreiten auch zueinander unterschiedliche Werte für die Verzögerungszeiten der Steuersignale der synchronen Gleichrichtung. Durch diese Ausführung ist eine weitere Effizienzerhöhung in einzelnen Betriebspunkten möglich.
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Die Erfindung wird anhand 1 bis 5 im Folgenden näher erläutert.
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1 zeigt ein Funktionsdiagramm eines ersten bekannten Betriebsverfahrens eines Resonanzkreises
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2 zeigt ein Funktionsdiagramm eines zweiten bekannten Betriebsverfahrens eines Resonanzkreises
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3 zeigt ein Funktionsdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens
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4a stellt eine aktive Brückenschaltung dar
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4b zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ansteuerverfahren
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4c zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ansteuerverfahren
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5 veranschaulicht ein drittes erfindungsgemäßes Ansteuerverfahren
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Nachfolgend sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein erstes bekanntes Betriebsverfahren eines Resonanzkreises (2) dargestellt. Es gibt unterschiedliche Topologien für Resonanzkreise, von denen einige einen derart charakteristischen Frequenzgang aufweisen, dass durch Einstellung der Anregungsfrequenz die Energieübertragung geregelt werden kann. Üblicherweise wird dabei die Pulsbreite konstant gehalten und zudem eine in positiver und negativer Polarität einer anregenden Wechselspannung symmetrische Pulsform (5) erzeugt. Die Pulsbreite ist dabei maximal, und wird nur durch Kommutierungsvorgänge während der Umschaltzeitpunkte zwischen positiver und negativer Polarität eingeschränkt. Die zu regelnde Größe (10) wird einer Regeleinheit (3) zugeführt, welche einen Stellwert (11) für einen Signalgenerator (4) berechnet, der die Pulsform (5) für die aus der Quellen-Gleichspannung (1) zu erzeugende Wechselspannung liefert. Der Stellwert (11) wird dabei vom Signalgenerator (4) als Frequenzwert interpretiert.
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2 zeigt ein zweites Betriebsverfahren eines speziellen Resonanzkreises (6), der in Topologie und Bauteilwerten auf eine feste Betriebsfrequenz optimiert ist. Aus einer Gleichspannungsquelle (1) wird wiederum eine den Resonanzkreis (6) anregende Wechselspannung einer festen Frequenz, dafür aber variablen Pulsbreite in positiver und negativer Polarität erzeugt (8). Die Energieübertragung wird hierbei durch Variation der Pulsbreite geregelt. Üblicherweise hat die dafür gewählte Topologie einen möglichst konstanten Frequenzgang, damit Bauteil-Toleranzen keinen Einfluss auf die Energieübertragung haben. Die zu regelnde Größe (10) wird einer Regeleinheit (3) zugeführt, welche als Stellwert (11) eine vom Signalgenerator (4) als Pulsbreite interpretierte Größe liefert.
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In 3 ist die erfindungsgemäße Verfahrensweise zum Betrieb eines Resonanzkreises mit grundsätzlich variabler Anregungsfrequenz (2) dargestellt. Die zu regelnde Größe (10) wird einer Regeleinheit (3) zugeführt, welche dann als Stellgröße (11) einen Wert für die Frequenz oder einen Wert für die Pulsbreite liefert. Die Stellgröße (11) kann auch beide Werte gleichzeitig enthalten. Der Signalgenerator (4) erzeugt dann bei Über- oder Unterschreiten von festgelegten Werten für Frequenz und Pulsbreite entweder pulsbreiten-konstante, frequenzvariable oder pulsbreiten-variable, frequenz-konstante Pulsformen (9), welche zur Erzeugung der anregenden Wechselspannung benutzt werden. Die Schaltfrequenz muss dabei aber nicht konstant sein, jedoch erhöht dies die Komplexität einer Regelung. Die Detektion einer Über- oder Unterschreitung der festgelegten Werte erfordert dabei eine Erfassung und Rückführung (7) der Stellgröße (11) zur Regeleinheit (3).
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4a zeigt beispielhaft eine Verschaltung von 4 Schaltelementen zu einer Vollbrücke, während die 4b und 4c zwei unterschiedliche erfindungsgemäße Ansteuerverfahren darstellen. Eine Vollbrücke besteht aus 4 Schaltelementen (2a, 2b, 2c, 2d), welche aus einer Gleichspannungsquelle (1) eine bipolare Wechselspannung erzeugen können. Dabei sind die Schalter (2a) und (2c) jeweils an die primäre Versorgungsspannung angeschlossen und werden als High-Side-Schalter bezeichnet, und die Schalter (2b) und (2d) jeweils an das primäre Massepotenzial angeschlossen, weshalb diese Low-Side-Schalter genannt werden. Die Schalter (2a) und (2b) sind an deren jeweiligen anderen Anschlüssen miteinander verbunden, ebenso wie die Schalter (2c) und (2d). Diese Verbindungsstellen werden als Mittelpunkt bezeichnet. Zwischen den beiden Mittelpunkten wird ein Resonanzkreis angeschlossen. Zwischen den beiden Mittelpunkten liegt dann die bipolare Wechselspannung an, welche den Resonanzkreis anregt.
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In 4b ist ein erfindungsgemäßes Ansteuerverfahren dargestellt. Für die jeweils miteinander verbundenen Schalter (2a, 2b) bzw. (2c, 2d) werden komplementäre Signale erzeugt, wobei für die Schalter einer Diagonale (2a, 2d) bzw. (2b, 2c) jeweils identische Signale bereitgestellt werden. Dadurch wird durch Aktivierung der Diagonale (2a, 2d) beispielsweise eine positive, durch Aktivierung der Diagonale (2b, 2c) eine negative Spannung an den Resonanzkreis geschaltet. Durch unterschiedlich lange Pulsbreiten der Ansteuersignale wird eine asymmetrische, bipolare Wechselspannung erzeugt.
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4c zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ansteuerverfahren. Durch dauerhaftes Einschalten von Schalter 2d und gleichzeitiges dauerhaftes Ausschalten von Schalter 2c wird der Resonanzkreis dauerhaft auf das primäre Massepotenzial geschaltet, wodurch sich eine Halbbrückenkonfiguration ergibt. Die beiden Schalter (2a) und (2b) werden weiterhin komplementär angesteuert, wodurch nur noch eine unipolare Wechselspannung erzeugt wird. Wird der Schalter 2a eingeschaltet, liegt am Resonanzkreis eine positive Spannung an, wird der Schalter 2b eingeschaltet, liegt am Resonanzkreis keine Spannung an; er ist kurzgeschlossen. Durch dieses Ansteuerverfahren wird nur Energie übertragen, während der Schalter 2a eingeschaltet ist. Dadurch reduziert sich die übertragene Leistung.
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5 verdeutlicht die Signalform der Ausgestaltung nach Anspruch 6 oder 7. Die vier Schalter einer Vollbrücke (2a, 2b, 2c, 2d) werden zuerst wie nach Anspruch 3 oder 4 gesteuert. Nach einer bestimmten Anzahl an Schaltperioden (12) werden die Pulsmuster von 2a und 2b beziehungsweise 2c und 2d miteinander vertauscht. Die Periodendauer der Wiederholrate (13) ist dabei ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Schaltfrequenz (12), im gezeigten Beispiel beträgt das Vielfache den Wert zwei. Die Schaltfrequenz kann dabei von Periode zu Periode zusätzlich variieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Quellen-Gleichspannung
- 2
- Resonanzkreis zum Betrieb mit variabler Frequenz
- 2a, 2b, 2c, 2d
- Schaltelemente einer aktiven Brücke
- 3
- Regeleinheit
- 4
- Signalgenerator
- 5
- Qualitative Signalform symmetrischer Betrieb
- 6
- Resonanzkreis zum Betrieb mit fester Frequenz
- 7
- Rückführung Frequenz und Pulsbreite
- 8
- Qualitative Signalform asymmetrischer Betrieb
- 9
- Qualitative Signalform vorgeschlagener Betrieb
- 10
- Regelgröße
- 11
- Stellgröße
- 12
- Pulsmuster-Periodendauer
- 13
- Periodendauer der Wiederholrate des Pulsmuster-Vertauschens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 000005159541 A [0005]
- US 005986895 A [0006]
- KR 000101330414 B1 [0007]
