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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein induktive Klemmschaltungen und insbesondere eine induktive Klemmschaltung zum Absorbieren von Flussenergie bei Ausschaltung einer induktiven Last.
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Viele Maschinen mit elektrischen Systemen, etwa Flugzeuge, verwenden ein Leistungsverteilungssystem, um AC-Leistung (im Folgenden: AC = Wechselstrom bzw. Wechselspannung) an ein oder mehrere elektronische Systeme in der Maschine zu verteilen. Wenigstens eines bzw. einige der elektronischen Systeme wirken als eine induktive Last. Eine induktive Last erzeugt eine Phasenverzögerung am Strom und speichert Energie in dem induktiven Fluss an der Last. Wenn die induktive Last ausgeschaltet wird, muss Energie, die zum Zeitpunkt des Ausschaltens in dem induktiven Fluss gespeichert ist, abgeführt werden, wenn der Fluss zusammenbricht. Wenn die induktive Last genau dann ausgeschaltet wird, wenn der Wechselstrom seine Polarität umkehrt (was als Nulldurchgang bezeichnet wird), ist minimale oder gar keine Energie in der induktiven Last gespeichert, wodurch die benötigte Schaltabführmenge niedrig ist. Wenn die induktive Last nicht am Nulldurchgang umgeschaltet wird, kann beträchtliche Energie in der induktiven Last gespeichert sein und muss abgeführt werden.
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In Systemen, die mechanische Schalter und Umschalter verwenden, wird der Großteil der Energie durch Lichtbogenbildung abgeführt, die an dem Schalter oder Umschalter auftritt, wenn die physische Trennung stattfindet. Moderne Systeme verwenden jedoch häufig Festkörperleistungssteuereinrichtungen anstelle der bisherigen mechanischen Schalter und Umschalter. Wenn eine Festkörperleistungssteuereinrichtung zum Öffnen (Ausschalten) einer induktiven Last benutzt wird, wird die Energie bei Abwesenheit anderer Schutzeinrichtungen innerhalb der Halbleitervorrichtung abgeführt, bei der es sich um einen oder mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) handeln kann, die im Festkörperleistungssteuereinrichtungsschalter enthalten ist bzw. sind. Die Abführung der gespeicherten Energie in den MOSFETs kann bewirken, dass Übergangstemperaturen in den MOSFETs rasch ansteigen und die Temperaturauslegungsgrenze des MOSFET überschreiten und so den MOSFET belasten und möglicherweise beschädigen.
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Existierende Produkte, die Halbleiterschaltvorgänge nutzen, schalten die Last normalerweise ungefähr am Stromnulldurchgang aus, damit die Halbleiter keine großen gespeicherten Energiemengen aufnehmen müssen. Existierende Steuerverfahren zum Verfolgen des Nulldurchgangs führen jedoch zu einem gewissen Fehler hinsichtlich der optimalen Zeit zum Ausschalten der Vorrichtungen, und es bleibt Restenergie in der induktiven Last zurück, die nach wie vor von den Halbleiterschaltern abgeführt werden muss. Unterschiedliche Schaltkonfigurationen führen zu unterschiedlichen Fehlerbedingungen und unterschiedlichen Energie- und Erwärmungsauswirkungen auf die Halbleiterschalter.
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Ein Beispielverfahren zum Ausschalten einer induktiven Last beinhaltet das Ausschalten einer ersten Schaltvorrichtung mit einer Diode, die mit einer Strompolarität eines Wechselstromflusses übereinstimmt, vor einem ersten Nulldurchgang, das Verzögern des Ausschaltens einer zweiten Schaltvorrichtung bis nach dem ersten Nulldurchgang und das Ausschalten der zweiten Schaltvorrichtung nach der Verzögerung und vor einem zweiten Nulldurchgang.
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Besondere Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden existierenden Merkmale aufweisen, die jeweils für sich stehen können, aber auch miteinander kombiniert werden können, sofern nicht anders angegeben:
Jede von der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung kann ein MOSFET sein.
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Zwischen dem zweiten Nulldurchgang und dem ersten Nulldurchgang liegen insbesondere keine weiteren Nulldurchgänge dazwischen.
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Das Ausschalten einer ersten Schaltvorrichtung mit einer Diode, die mit einer Strompolarität eines Wechselstromflusses übereinstimmt, vor einem ersten Nulldurchgang kann es umfassen, eine Diode der ersten Schaltvorrichtung zu veranlassen, als eine Freilaufdiode zu wirken und dadurch zuzulassen, dass Strom weiter in der induktiven Last fließt.
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Das Ausschalten der zweiten Schaltvorrichtung kann der Verzögerung und vor einem zweiten Nulldurchgang stattfinden, wenn ein Halbzyklus des Wechselstroms etwa 90 Grad nach dem ersten Nulldurchgang ist.
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Das Verfahren kann ferner Bestimmen einer Strompolarität eines Wechselstroms, eines Wechselstroms, der in eine induktive Last fließt, vor dem Ausschalten der ersten Schaltvorrichtung umfassen.
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Das Bestimmen einer Strompolarität eines Wechselstroms, der in eine induktive Last fließt, vor dem Ausschalten der ersten Schaltvorrichtung kann ferner das Bestimmen einer entsprechenden Schaltvorrichtung mit einer übereinstimmenden Diode umfassen.
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Das Verzögern eines Ausschaltens einer zweiten Schaltvorrichtung bis nach dem ersten Nulldurchgang kann das Verzögern des Schaltens der zweiten Schaltvorrichtung für eine vorgegebene Zeitperiode oder für eine Zeitperiode, die als verstricen definiert ist, wenn der Strom vollständig aufgehört hat zu fließen, umfassen.
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Das Verzögern eines Ausschaltens einer zweiten Schaltvorrichtung bis nach dem ersten Nulldurchgang kann das Bestimmen einer erforderlichen Verzögerungsdauer umfassen, derart, dass das Ausschalten der zweiten Schaltvorrichtung nach der Verzögerung und vor einem zweiten Nulldurchgang zwischen dem ersten Nulldurchgang und dem zweiten Nulldurchgang stattfindet.
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Das Ausschalten einer ersten Schaltvorrichtung mit einer Diode, die mit einer Strompolarität eines Wechselstromflusses übereinstimmt, vor einem ersten Nulldurchgang kann ferner das Ausschalten einer zweiten Schaltvorrichtung mit einer Diode umfassen, die nicht mit einer Strompolarität eines Wechselstromflusses übereinstimmt, wenn ein Lastfehler erkannt wird, wodurch die Schritte des Verzögerns eines Ausschaltens einer zweiten Schaltvorrichtung bis nach dem ersten Nulldurchgang und des Ausschaltens der zweiten Schaltvorrichtung nach der Verzögerung und vor einem zweiten Nulldurchgang umgangen werden.
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In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Leistungssteuerschaltung eine Festkörperleistungssteuereinrichtung, die dazu angelegt ist, eine AC-Leistungsquelle mit einer Last zu verbinden. Die Festkörperleistungssteuereinrichtung beinhaltet eine erste Schaltvorrichtung und eine zweite Schaltvorrichtung, die in Reihe angeordnet sind. Jede der Schaltvorrichtungen beinhaltet eine Diode, eine Steuereinrichtung, die steuerbar an jede von der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung gekoppelt ist, derart, dass die Steuereinrichtung einen Ein-/Aus-Zustand der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung steuern kann. Die Steuereinrichtung beinhaltet ferner einen nicht flüchtigen Speicher, der Anweisungen speichert, die die Steuereinrichtung veranlassen, folgende Schritte auszuführen: Ausschalten einer ersten Schaltvorrichtung, die eine Diode aufweist, die mit einer Strompolarität eines Wechselstromflusses (eines vom Wechselstrom herrührenden möglichen Flusses) übereinstimmt, vor einem ersten Nulldurchgang, Verzögern eines Ausschaltens einer zweiten Schaltvorrichtung bis nach dem ersten Nulldurchgang und Ausschalten der zweiten Schaltvorrichtung nach der Verzögerung und vor einem zweiten Nulldurchgang.
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Besondere Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden existierenden Merkmale aufweisen, die jeweils für sich stehen können, aber auch miteinander kombiniert werden können, sofern nicht anders angegeben: Die Steuereinrichtung kann Baustein der Festkörperleistungssteuereinrichtung sein.
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Die Steuereinrichtung kann eine unabhängige Steuereinrichtung sein.
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Die erste Schaltvorrichtung kann ein MOSFET sein und die zweite Schaltvorrichtung kann ein MOSFET sein.
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Die erste Schaltvorrichtung kann ein MOSFET-Transistornetz sein und die zweite Schaltvorrichtung kann ein MOSFET-Transistornetz sein.
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Die Leistungssteuerschaltung kann ferner eine AC-Leistungsquelle umfassen, die mit der Festkörperleistungssteuereinrichtung verbunden ist, derart, dass die Festkörperleistungssteuereinrichtung betriebsfähig ist, um einen Fluss von AC-Leistung von der AC-Leistungsquelle an eine Last zu steuern, die mit der Festkörperleistungssteuereinrichtung verbunden ist.
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnungen nachvollziehen, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
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1 stellt schematisch ein beispielhaftes Flugzeug dar.
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2 stellt schematisch eine beispielhafte Schaltung zum Steuern einer DC-Leistungsversorgung (DC = Gleichtstrom bzw. Gleichspannung) an eine induktive Last dar.
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3 stellt schematisch eine beispielhafte Schaltung zum Steuern einer AC-Leistungsquelle (AC = Wechselstrom bzw. Wechselspannung) an eine induktive Last dar.
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4 stellt schematisch ein Schalttaktungsdiagramm für die beispielhafte Schaltung aus 3 dar.
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5 stellt schematisch ein Ablaufdiagramm dar, das einen Schaltvorgang einer Festkörperleistungssteuereinrichtung aus der Perspektive einer Steuereinrichtung demonstriert.
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1 stellt schematisch ein beispielhaftes Flugzeug 10 mit AC-Leistungsgeneratoren 20 dar. Jeder der AC-Leistungsgeneratoren 20 nutzt Drehbewegung in einem Gasturbinentriebwerk 22, um AC-Leistung zu erzeugen. In alternativen Beispielen kann die AC-Leistung von einer beliebigen anderen Bordquelle stammen oder bezogen werden. Die AC-Leistung wird an ein Leistungsverteilungsmodul 30 bereitgestellt. Das Leistungsverteilungsmodul 30 verteilt Leistung im Flugzeug an verschiedene Flugzeugsysteme 40, die mit AC-Leistung arbeiten. Der Leistungsfluss von der Leistungsverteilungseinheit 30 zu den einzelnen Flugzeugsystemen 40 wird über Leistungssteuereinrichtungen 50 gesteuert, etwa über Festkörperleistungssteuereinrichtungen.
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Wenigstens eines bzw. einige der Flugzeugsysteme 50 wirken als induktiven Lasten am Leistungsverteilungssystem. Daher muss Energie, die in dem induktiven Fluss gespeichert ist, entweder in die Festkörperleistungssteuereinrichtung oder in die induktive Last abgeführt werden, wenn die induktive Last ausgeschaltet wird.
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2 stellt schematisch eine beispielhafte Schaltung 100 zum Steuern einer DC-Leistungsversorgung 110 an eine induktive Last 120 dar. Eine Festkörperleistungssteuereinrichtung 130 zum Ein- und Ausschalten der DC-Leistungsquelle ist als ein MOSFET 140 mit einer Body-Diode 150 dargestellt. Eine Klemmdiode 160 ist parallel mit der induktiven Last 120 verbunden, und die induktive Last 120 und die Klemmdiode 160 verbinden die Festkörperleistungssteuereinrichtung 130 mit einer Masse 170 oder Stromrücklaufleitung.
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Wenn die Festkörperleistungssteuereinrichtung 130 in einer DC-Festkörperleistungssteuereinrichtung ausgeschaltet wird, wird die Energie, die im induktiven Flussfeld gespeichert ist, aufgrund der Anwesenheit der Klemmdiode 160 (alternativ auch als Freilaufdiode bezeichnet) in die induktive Last 120 und die zugehörige Verdrahtung reflektiert. Die Klemmdiode erlaubt es dem Strom, weiter zu fließen, nachdem die Festkörperleistungssteuereinrichtung 130 geöffnet wurde und die Leistungsquelle 110 von der induktiven Last 120 genommen wurde. Aufgrund dessen wird die Energie, die im Flussfeld gespeichert ist, in der Verdrahtung und in der induktiven Last 120 abgeführt und bewirkt keine übermäßigen Übergangtemperaturen im MOSFET 140 der Festkörperleistungssteuereinrichtung 130.
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In einer Festkörperleistungssteuereinrichtung, die eine AC-Leistungsverteilung steuert, würde ein ähnliches Energieabführschema jedoch erfordern, dass die Klemmdiode 160 in einer Polarität für einen ersten Halbzyklus des AC-Signals und sodann einer zweiten Polarität für den zweiten Halbzyklus des AC-Signals verbunden ist. Während eines positiven Halbzyklus beispielsweise wäre die Klemmdiode 160 in der richtigen Ausrichtung, doch für den negativen Halbzyklus müssten die Verbindungen der Klemmdiode 160 umgekehrt sein. Es existiert keine feste Anordnung von Dioden, die die beschriebene DC-Klemmfunktion für eine AC-Schaltung ausüben kann.
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3 stellt schematisch eine beispielhafte Schaltung 200 zum Steuern einer AC-Leistungsquelle 210 an eine induktive Last 220 dar. Eine Festkörperleistungssteuereinrichtung 230 verbindet die AC-Leistungsquelle 210 mit der induktiven Last 220. In der Festkörperleistungssteuereinrichtung 230 existieren zwei sequenziell angeordnete Transistoren 240, 242 wie etwa MOSFETs. Jeder der Transistoren 240, 242 beinhaltet eine Body-Diode 250, 252. Die Body-Dioden 250, 252 von jedem der Transistoren 240, 242 sind in umgekehrter Polarität zueinander ausgerichtet, wobei die erste Body-Diode 250 mit einem ersten Halbzyklus des AC-Signals übereinstimmt und die zweite Body-Diode 252 mit dem zweiten Halbzyklus des AC-Signals übereinstimmt. Eine Steuereinrichtung 260 stellt individuelle Ein-/Aussteuerungen unter Verwendung unabhängiger Steuersignale 262, 264 an jeden der Transistoren 240, 242 in der Festkörperleistungssteuereinrichtung 230 bereit. Mithilfe der unabhängigen Steuersignale 262, 264 kann die Steuereinrichtung 260 die Transistoren 240, 242 unabhängig ein- und ausschalten, ohne den jeweils anderen der Transistoren 240, 242 zu beeinflussen. Die Steuereinrichtung 260 kann eine digitale Steuereinrichtung, ein hardwarebasierter Stromgenerator oder eine beliebige andere geeignete Transistorsteuereinrichtung sein.
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Um zu verhindern, dass Flussenergie an den Übergängen der Transistoren 240, 242 dissipiert wird, schaltet die Steuereinrichtung 260 denjenigen Transistor 240, 242 aus, dessen Body-Diode mit der gerade anliegenden Strompolarität übereinstimmt, und lässt den anderen Transistor 240, 242 während einer Verzögerungsperiode eingeschaltet. Während der Verzögerungsperiode wirkt die Body-Diode 250, 252 des eingeschalteten Transistors 240, 242 als eine Freilaufdiode und erlaubt es der Flussenergie, auf natürliche Weise in der Verdrahtung und in der induktiven Last 220 dissipiert zu werden.
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Der Transistor 240, 242, der anfänglich ausgeschaltet wird, wird von der Steuereinrichtung 260 abhängig von der zu dem Zeitpunkt, an dem die Schaltung ausgeschaltet werden soll, gerade anliegenden Polarität der AC-Leitung 210 ausgewählt. Deshalb ist die wirksame Freilaufdiode vom derzeitigen Halbzyklus abhängig. Dies wiederum erlaubt es, dass die oben hinsichtlich der DC-Schaltung 100 (dargestellt in 2) beschriebene Klemmfähigkeit aufrechterhalten wird, indem selektiv nur diejenige Body-Diode 250, 252 verbunden wird, die bei Ausschaltung die richtige Polarität für die jeweilige Phase des AC-Zyklus aufweist.
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4 stellt ein beispielhaftes Schalttaktungsdiagramm 300 dar, dessen x-Achse die Zeit und dessen y-Achse die Stromstärke darstellt. In dem Beispiel aus 4 wird, wie oben beschrieben, sequenzielles Schalten erzielt, indem zuerst derjenige MOSFET 240, 242 ausgeschaltet wird, der eine Body-Diode 250, 252 aufweist, die mit der Strompolarität des Wechselstroms an einem Zeitpunkt 310 vor einem Nulldurchgang 320 übereinstimmt. Der andere MOSFET 240, 242 wird für eine Verzögerungsperiode eingeschaltet gelassen, die den Nulldurchgang 320 einschließt. Wenn die Verzögerungsperiode verstrichen ist und nachdem der erste Nulldurchgang 320 stattgefunden hat, wird der andere MOSFET 240, 242 zu einem zweiten Schaltzeitpunkt 330 ausgeschaltet.
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Der zweite Schaltzeitpunkt 330 findet wesentlich später als der erste Nulldurchgang und wesentlich früher als ein zweiter Nulldurchgang 340 statt, der unmittelbar auf den ersten Nulldurchgang 320 folgt. In einigen Beispielen findet der zweite Schaltzeitpunkt 330 bei 90 Grad in der Phase des Wechselstroms statt. Durch die sequenzielle Schalttaktung kann der gerade anliegende Strom mithilfe der Body-Diode 250, 252 des ausgeschalteten MOSFET 240, 242 weiter bis zum Ende des derzeitigen Halbzyklus 304 des Wechselstroms durch die induktive Last fließen. Der Stromfluss hört dann genau am ersten Nulldurchgang 320 von selbst auf. Da der MOSFET 240, 242, der die Polarität des zweiten Halbzyklus normalerweise fließen lassen würde, bereits vor dem ersten Nulldurchgang 320 ausgeschaltet wird, beginnt der Strom im zweiten Halbzyklus 306 zu keinem Zeitpunkt während des zweiten Halbzyklus 306 zu fließen.
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In einigen alternativen Beispielen des AC-Schalterstromkreises 200 und des oben unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschriebenen Schaltvorgangs beinhaltet die Steuereinrichtung 260 auch ein Fehlererkennungselement. Bei dem Fehlererkennungselement kann es sich um ein beliebiges geeignetes Fehlererkennungssystem handeln. Das Fehlererkennungselement kann einen Kurzschluss oder eine andere Art von Fehler in der Last oder der Verbindung mit der Last erkennen und darauf ansprechen. In der Regel sprechen Fehlererkennungselemente an, indem sie die Wechselstromquelle von der induktiven Last trennen. In einem solchen Fall wird der oben beschriebene sequenzielle Schaltvorgang umgangen, und beide Transistoren 240, 242 werden gleichzeitig geschaltet, um zu verhindern, dass der Fehlerstrom durch die Last 220 übertragen wird.
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Weiter unter Bezugnahme auf 1 bis 4 stellt 5 schematisch ein Ablaufdiagramm dar, das einen Schaltvorgang einer Festkörperleistungssteuereinrichtung 400 aus der Perspektive einer Steuereinrichtung 260 demonstriert. Wenn eine anfängliche Bestimmung durch die Steuereinrichtung 260 erfolgt, eine entsprechende induktive Last auszuschalten, bestimmt die Steuereinrichtung 260 die Strompolarität des Wechselstroms in einem Schritt „Polarität des derzeitigen Halbzyklus bestimmen” 410. Basierend auf der Strompolarität des derzeitigen Halbzyklus bestimmt die Steuereinrichtung 260 dann, welcher Transistor 240, 242 eine Body-Diode 250, 252 beinhaltet, die mit der Strompolarität übereinstimmt, und schaltet den übereinstimmenden Transistor 240, 242 in einem Schritt „Übereinstimmenden Transistor ausschalten” 420 aus.
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Wenn der übereinstimmende Transistor 240, 242 ausgeschaltet wurde, verzögert die Steuereinrichtung 260 ein Ausschalten des nicht übereinstimmenden Transistors 240, 242 für eine vorgegebene Zeit in einem Schritt „Verzögern” 430. In einigen Beispielen ist die Verzögerungsdauer eine feste Verzögerungsdauer, um zu gewährleisten, dass der folgende Schritt wesentlich später als der nächste Nulldurchgang 320 und wesentlich früher als der Nulldurchgang 340 durchgeführt wird, der unmittelbar auf den nächsten Nulldurchgang 320 folgt. In alternativen Beispielen kann die Steuereinrichtung 260 dynamisch die erforderliche Dauer der Verzögerung bestimmen, derart, dass der Prozess 400 den zweiten Transistor 240, 242 an einem gewünschten Punkt im zweiten Halbzyklus 306 ausschaltet. Als Beispiel ist der Punkt im zweiten Halbzyklus 306 in einigen Systemen neunzig Grad. In einem alternativen Beispiel kann die Steuereinrichtung 260 bestimmen, warm der Strom aufgehört hat, in die Last zu fließen. Die Steuereinrichtung 260 schaltet dann den zweiten Transistor 240, 242 aus, und zwar relativ kurz nachdem der Strom zu fließen aufgehört hat. Wenn die Verzögerung verstrichen ist, schaltet die Steuereinrichtung 260 den verbleibenden Transistor 240, 242 in einem Schritt „Verbleibenden Transistor ausschalten” 440 aus.
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Wie oben beschrieben, kann der Strom bis zum ersten Nulldurchgang 320 weiter durch die Body-Diode 250, 252 des übereinstimmenden Transistors 240, 242 fließen, woraufhin der Strom von der Body-Diode 250, 252 und dem Ausschalten des Transistors 240, 242 blockiert wird. Diese Wirkung veranlasst, dass die Leistung an die induktive Last 220 beim Nulldurchgang 320 leistungsmäßig abgekoppelt wird, wodurch die Spitzengröße der elektrischen Energie, die an den Übergängen der Transistoren 240, 242 zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Last dissipiert, dramatisch reduziert oder minimiert wird.
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Obwohl oben als einzelne Transistoren in einer Festkörperleistungssteuereinrichtung dargestellt, werden Fachleute, die den Vorteil dieser Offenbarung haben, erkennen, dass die beschriebenen Transistoren Transistornetze sein können, die mehrere in ähnlicher Weise geschaltete Transistoren beinhalten, und dass das Ausschalten eines Transistors das Ausschalten aller in ähnlicher Weise geschalteter Transistoren in den Transistornetzen nach sich zieht.
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In weiteren alternativen Beispielen können Nicht-MOSFET-Transistoren oder andere Schaltvorrichtungen einschließlich eines bipolaren Transistors anstelle der oben beschriebenen MOSFET-Transistoren 240, 242 benutzt werden. Darüber hinaus wird ein Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung erkennen, dass die Klemmdioden in einigen Beispielen externe Dioden sein können, die einer jeweiligen Schaltvorrichtung entsprechen, und keine Body-Dioden eines Transistor oder einer anderen Schaltvorrichtung sein müssen.
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Es versteht sich ferner, dass beliebige der oben beschriebenen Konzepte allein oder in Kombination mit beliebigen oder allen anderen oben beschriebenen Konzepten benutzt werden können. Obwohl eine Ausführungsform dieser Erfindung offenbart wurde, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang dieser Erfindung fallen würden. Aus diesem Grund sind die folgenden Ansprüche heranzuziehen, um den tatsächlichen Umfang und Inhalt dieser Erfindung zu ermitteln.
