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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens zwei angeschlossenen Wechselrichtern. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit der elektrischen Maschine, ein Fahrzeug mit dem Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit mehreren Wechselrichtern sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Bereitstellung eines skalierbaren elektrischen Antriebs ist es bekannt, elektrische Maschine je nach Anforderung mit mehreren Wechselrichtern zu betreiben. Hierzu werden beispielsweise mehrere Wechselrichter parallel geschaltet. Es besteht das Bedürfnis, noch effizientere Antriebe mit elektrischen Maschinen und mindestens zwei Wechselrichtern bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine elektrische Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einem daran angeschlossenen ersten Wechselrichter und mindestens einer zweiten Wicklung und einem daran angeschlossenen zweiten Wechselrichter bereitgestellt. Ein Wechselrichter umfasst dabei mindestens ein Schaltelement. Der erste Wechselrichter umfasst ein erstes Schaltelement aus einem ersten Halbleitermaterial. Der zweite Wechselrichter umfasst ein zweites Schaltelement aus einem zweiten Halbleitermaterial.
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Es wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, welche mindestens zwei Wicklungen umfasst. An jede Wicklung ist jeweils mindestens ein Wechselrichter angeschlossen. Die mindestens zwei Wechselrichter umfassen jeweils mindestens ein Schaltelement. Ein erstes Schaltelement aus dem ersten Wechselrichter ist aus einem ersten Halbleitermaterial gefertigt. Ein zweites Schaltelement aus dem zweiten Wechselrichter ist aus einem zweiten Halbleitermaterial hergestellt. Insbesondere unterscheiden sich die elektrischen oder chemischen Eigenschaften der zwei Halbleitermaterialien. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften beziehen sich insbesondere auf die elektrische Leitfähigkeit des Materials in Abhängigkeit von angelegten elektrischen Feldern, elektrischen Spannungen, oder elektrischen Strömen. Die unterschiedlichen chemischen Eigenschaften beziehen sich insbesondere auf die unterschiedlichen chemischen Elemente, aus denen die Materialien zusammengesetzt sind. Vorteilhaft wird eine elektrische Maschine mit mindestens zwei daran angeschlossenen Wechselrichtern bereitgestellt, wobei die Wechselrichter unterschiedliche elektrische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Schaltelement größere Leitungs- und/oder Schaltverluste auf als das zweite Schaltelement.
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Aufgrund der unterschiedlichen Halbleitermaterialien aus denen die Schaltelemente des ersten und des zweiten Wechselrichters hergestellt sind, weist das erste Schaltelement größere Leitungsverluste oder Schaltverluste auf als das zweite Schaltelement. Vorteilhaft wird eine elektrische Maschine mit zwei Wechselrichtern bereitgestellt, wobei die Wechselrichter unterschiedliche Leitungsund/oder Schaltverluste aufweisen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Halbleitermaterial einen geringeren Bandabstand auf als das zweite Halbleitermaterial. Insbesondere ist das erste Halbleitermaterial ein Elementhalbleiter, beispielsweise Silizium und insbesondere das zweite Halbleitermaterial ein Verbindungshalbleiter, insbesondere Siliziumcarbid oder Galliumnitrid.
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Unterschiedliche Halbleitermaterialien weisen unterschiedliche Bandabstände auf, so dass beispielsweise für das erste Schaltelement ein Halbleitermaterial mit einem geringeren Bandabstand verwendet wird, als für das zweite Schaltelement. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung unterscheiden sich auch bei unterschiedlichen Elementhalbleitern oder Verbindungshalbleitern untereinander die Bandabstände. Bei der Verwendung eines Elementhalbleiters in einem Wechselrichter und eines Verbindungshalbleiters in einem anderen Wechselrichter können noch größere Bandabstandsunterschiede entstehen. Je größer die Unterschiede der Bandabstände zueinander, desto größer auch die Unterschiede der elektrischen und chemischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien und damit auch der einzelnen Schaltelemente und der Wechselrichter. Vorteilhaft wird somit ein elektrischer Antrieb oder eine elektrische Maschine mit angeschlossenen Wechselrichtern bereitgestellt, wobei die Wechselrichter unterschiedliche elektrische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrischen Leistungen der Wechselrichter unterschiedlich groß. Insbesondere weisen sie ein Verhältnis von ungefähr 55% zu 45%, 60% zu 40%, 70% zu 30%, oder 80% zu 20%, 90% zu 10%, oder jeweils umgekehrt auf.
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Die Wechselrichter der elektrischen Maschine weisen unterschiedliche elektrische Leistungen auf. Ein einzelner Wechselrichter kann in einem Leistungsbereich bis zu einer maximalen Leistung betrieben werden. Innerhalb dieses Leistungsbereichs gibt es mindestens einen Betriebspunkt, in dem der einzelnen Wechselrichter am effizientesten betrieben werden kann. Es ist anzustreben, diesen Wechselrichter möglichst in diesem Betriebspunkt zu betreiben. Es ist anzustreben, diesen Wechselrichter möglichst in diesem Betriebspunkt zu betreiben. Da an die elektrische Maschine mindestens zwei Wechselrichter unterschiedlicher großer Leistung angeschlossen sind, ergeben sich mindestens zwei unterschiedliche Betriebspunkte, bei denen jeweils einer der beiden Wechselrichter am effizientesten betrieben wird. Ein dritter effizienter Betriebspunkt ergibt sich aus dem gemeinsamen Betrieb beider Wechselrichter in ihrem jeweiligen effizientesten Betriebspunkt. Vorteilhaft wird ein elektrischer Antrieb bereitgestellt, also eine elektrische Maschine mit daran angeschlossenen Wechselrichtern, der aufgrund der Zu- und Abschaltbarkeit der einzelnen Wechselrichter und derer unterschiedlich großen Nennleistung in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung sehr effizient in der Nähe von mindestens einem der drei effizientesten Betriebspunkte betrieben werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung, ist die elektrische Maschine als ein Rotationsmotor ausgebildet. Dies bedeutet, die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei sich im Betrieb der elektrischen Maschine der Rotor konzentrisch zum Stator bewegt. Vorteilhaft wird eine effizient betreibbare elektrische Maschine bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die zwei an die elektrische Maschine angeschlossenen Wechselrichter als zwei Einzelzahnansteuerungen der elektrischen Maschine ausgestaltet. Bei der Integration der Leistungselektronik in die elektrische Maschine wird je vorgesehener Einzelwicklung oder Einzelspule innerhalb der elektrischen Maschine jeweils eine separate Elektronik und damit eine separate Ansteuerung für die einzelne Spule vorgesehen. Vorteilhaft entfallen bei dieser Technologie verlustbehaftete Leitungsverbindungen zwischen der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und der zweite Wechselrichter zur Wandlung elektrischer Energie mindestens einer Energiequelle zur Versorgung jeweils mindestens einer Wicklung eingerichtet.
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Die an die elektrische Maschine angeschlossenen Wechselrichter dienen der Umwandung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Wicklungen der elektrischen Maschine. Hierzu sind die Wechselrichter mit mindestens einer Energiequelle elektrisch verbunden. Eine Energiequelle ist eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie, ein Akkumulator, eine Brennstoffzelle, ein Stromnetz oder ein anders geartetes Energiemodul. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Wechselrichter nicht an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind, sondern mehrere Energiequellen vorhanden sind, die jeweils einzeln oder auch gemeinsamen an einen oder auch mehre Wechselrichter angeschlossen werden. Vorteilhaft wird eine elektrische Maschine mit daran angeschlossenen Wechselrichtern bereitgestellt, die sehr vielfältig mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
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Ferner umfasst die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine. Ein derartiger Antriebsstrang dient beispielsweise dem Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs. Er umfasst insbesondere eine Energiequelle oder Batterie und/ oder einen DC/DC Wandler zur Versorgung der elektrischen Maschine. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine bereitgestellt, der effizient betrieben werden kann.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug mit einem beschriebenen Antriebsstrang. Das Fahrzeug umfasst insbesondere Antriebsräder zum Antrieb des Fahrzeugs. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine bereitgestellt, welches effizient betrieben werden kann.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einem daran angeschlossenen ersten Wechselrichter und mindestens einer zweiten Wicklung und einem daran angeschlossenen zweiten Wechselrichter. Ein Wechselrichter umfasst mindestens ein Schaltelement. Der erste Wechselrichter umfasst ein erstes Schaltelement aus einem ersten Halbleitermaterial und der zweite Wechselrichter ein zweites Schaltelement aus einem zweiten Halbleitermaterial. Im Betrieb der elektrischen Maschine werden das erste Schaltelement mit einer ersten Betriebsart und das zweite Schaltelement mit einer zweiten Betriebsart betrieben.
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Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, das eine Schaltelement mit einer anderen Betriebsart zu betreiben als das andere, ohne dass dadurch eine Schädigung der Wechselrichter oder Schaltelemente aufgrund von Überspannung oder Überhitzung entsteht. Unter Betriebsart sind beispielsweise unterschiedliche Ansteuermethoden, Signalpfade, Modulationsarten oder Schaltfrequenzen zu verstehen. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitgestellt, bei dem die einzelnen Schaltelemente in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert betrieben werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird im Betrieb der elektrischen Maschine das erste Schaltelement mit einer geringeren Schaltfrequenz betrieben als das zweite Schaltelement.
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Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, das eine Schaltelement mit einer deutlich höheren Frequenz zu betreiben als das andere, ohne dass dadurch eine Schädigung der Wechselrichter oder Schaltelemente aufgrund von Überspannung oder Überhitzung entsteht. Das bedeutet, dass für den Betrieb des ersten Moduls eine wesentlich geringere Schaltfrequenz vorgegeben wird als für den Betrieb des zweiten Moduls. Insbesondere wird für den Betrieb des ersten Moduls eine Schaltfrequenz vorgegeben, die mindestens 10% geringer ist als die Schaltfrequenz, die für den Betrieb des zweiten Moduls vorgegeben wird. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitgestellt, bei dem die einzelnen Schaltelemente in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert betrieben werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird im Betrieb der elektrischen Maschine das erste Schaltelement mit einem ersten Ansteuerverfahren, insbesondere pulsweitenmoduliert, und das zweite Schaltelement mit einem zweiten Ansteuerverfahren, insbesondere im Blockbetrieb, betrieben.
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Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, das eine Schaltelement mit einem ersten Ansteuerverfahren und das zweite Schaltelement mit einem zweiten Ansteuerverfahren zu betreiben, ohne dass dadurch eine Schädigung der Schaltelemente oder Wechselrichter aufgrund von unterschiedlichen Belastungen, also Überspannung oder Überhitzung, entsteht. Als unterschiedliche Ansteuerverfahren können je nach Anwendung beispielsweise die Pulsweiten-Modulation (PWM), die space-vector Pulsweiten-Modulation (SVPWM) oder der Blockbetrieb verwendet werden. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitgestellt, bei dem die einzelnen Schaltelemente in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert betrieben werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, die bisher beschriebenen Verfahren auszuführen.
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Ferner umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von einigen Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
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1 ein schematisch dargestellter elektrischer Antrieb mit einer elektrischen Maschine und zwei daran angeschlossenen Wechselrichtern,
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2 eine schematisch dargestellte elektrische Maschine mit Einzelzahnansteuerungen.
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3 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang
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4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des elektrischen Systems
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 100, welche eine erste Wicklung 110 und eine zweite Wicklung 160 aufweist. Die erste Wicklung 110 ist dreiphasig 110_1, 110_2, 110_3 und die zweite Wicklung 160, 160_1, 160_2, 160_3 ist dreiphasig ausgelegt. An die erste Wicklung 110 der elektrischen Maschine 100, ist ein erster Wechselrichter 120 angeschlossen.
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Der erste Wechselrichter 120 weist mindestens ein erstes Schaltelement 130 auf. Beispielhaft ist in der 1 ein Wechselrichter 120 dargestellt, der eine Eingangsgleichspannung aus einer Energiequelle 700 mittels drei Halbbrücken in drei Wechselspannungen zur Versorgung der drei Phasen der ersten Wicklung 110 der elektrischen Maschine 100 wandelt. Beispielhaft weist eine Halbbrücke hierzu beispielsweise zwei erste Schaltelemente 130_1, 130_2 auf. Ein erstes Schaltelement 130_1 ist einerseits mit dem positiven Pol der Energiequelle 700 verbunden und andererseits mit einem zweiten ersten Schaltelement 130_2, dessen zweiter Anschluss mit dem negativen Pol der Energiequelle 700 verbunden ist. An einem Zwischenabgriff zwischen den beiden Schaltelementen 130_1 und 130_2 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente 130_1 und 130_2, eine Wechselspannung abgreifbar, die der Versorgung einer Phase der Wicklung 110 der elektrischen Maschine 100 dient. Analog dazu, sind die zweite Halbbrücke mit den Schaltelementen 130_3 und 130_4, sowie die dritte Halbbrücke mit den Schaltelementen 130_5 und 130_6 aufgebaut. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist die elektrische Maschine entsprechend mit einer zweiten Wicklung 160 mit den Phasen 160_1, 160_2 und 160_3 ausgestattet, und wird von einem zweiten Wechselrichter 170 mit den Schaltelementen 180_1..180_6...versorgt. Der zweite Wechselrichter 170 ist analog zu dem ersten Wechselrichter 120 an den Eingangsanschlüssen mit der Energiequelle 700 verbunden. Die Schaltelemente 130 des ersten Wechselrichters sind beispielsweise aus einem ersten Halbleitermaterial und die Schaltelemente 180 des zweiten Wechselrichters sind beispielsweise aus einem zweiten Halbleitermaterial gefertigt. Daraus ergeben sich je nach gewähltem Betriebspunkt oder Betriebsart unterschiedliche Wirkungsgrade für die beiden Wechselrichter 120 und 170. Weiter zeigt 1 einen Antriebsstrang 300, der die elektrische Maschine 100 mit den zwei Wechselrichtern 120, 170 umfasst. Insbesondere kann der Antriebsstrang die angeschlossene beziehungsweise anschließbare elektrische Energiequelle 700 umfassen.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbespiel der Erfindung. Insbesondere zeigt die 2 eine elektrische Maschine 100 mit einem Rotor 190 und einem konzentrischen Stator 195. Die elektrische Maschine ist mit sogenannten Einzelzahnansteuerungen 120_1...120_4 und 170_1...170_8 ausgestattet ist. Diese Einzelzahnansteuerungen umfassen jeweils einen Wechselrichter, der eine Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt, zur Versorgung der Einzelzahnwicklungen 110_4...110_7 und 160_4...160_11. Erfindungsgemäß sind die Wechselrichter der Einzelzahnansteuerungen 120_1...120_4 mit einem ersten Schaltelement 130 aus einem ersten Halbleitermaterial ausgestattet. Die Einzelzahnansteuerungen 170 umfassen Wechselrichter, die mit einem zweiten Schaltelement 180 aus einem zweiten Halbleitermaterial ausgestattet sind. Beispielsweise ist diese elektrische Maschine 100 mit vier Einzelzahnansteuerungen für die Einzelzahnwicklungen 110_4...110_7 mit beispielsweise Halbleiterelementen aus Siliziumcarbid oder Galliumnitrid ausgestattet und mit acht Einzelzahnansteuerungen für die Einzelzahnwicklungen 160_4...160_11 mit beispielsweise Halbleiterelementen aus Silizium ausgestattet. Insbesondere wird die elektrische Maschine 100 bei lang andauernder Grundlast mit den verlustarmen Einzelzahnansteuerungen aus Siliziumcarbid betrieben. Falls eine besonders hohe Leistung erforderlich ist werden beispielsweise die acht zusätzlichen Einzelzahnansteuerungen, die Schaltelemente aus günstigerem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium umfassen, zusätzlich angesteuert. Insgesamt ergibt sich eine kostenreduzierte Mischtopologie im Vergleich zu einer Topologie bei der beispielsweise sämtliche Schaltelemente aus einem Verbindungshalbleiter oder Siliziumcarbid hergestellt sind.
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3 zeigt ein Fahrzeug 400 mit einem Antriebsstrang 300. Das Fahrzeug 400 umfasst den Antriebsstrang 300 mit der elektrischen Maschine 100 mit den zwei Wechselrichtern 120, 170. Insbesondere kann das Fahrzeug 400 die angeschlossene beziehungsweise anschließbare elektrische Energiequelle 700 oder mindestens ein Antriebsrad 410 umfassen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm 950 eines Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Maschine 100 mit mindestens zwei Wechselrichtern 120 und 170, wobei der erste Wechselrichter 120 ein erstes Schaltelement 130 aus einem ersten Halbleitermaterial umfasst und der zweite Wechselrichter 170 ein zweites Schaltelement 180 aus einem zweiten Halbleitermaterial umfasst. Mit Schritt 960 startet das Verfahren. In Schritt 970 wird die elektrische Maschine 100 betrieben, wobei das erste Schaltelement 130 mit einer ersten Betriebsart und das zweite Schaltelement 180 mit einer zweiten Betriebsart betrieben wird. Beispielsweise können sich die Schaltfrequenzen, mit denen die Schaltelemente 130, 180 angesteuert werden, signifikant unterscheiden, bspw. 2 kHz bis 10 kHz und 50 kHz oder je nach Einsatz, beispielsweise bei Gleichspannungswandlern, 10 kHz und 300 kHz. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Modulationsarten zur Ansteuerung der Schaltelemente 130, 180 angewendet werden. Mit Schritt 980 endet das Verfahren.
