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Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung, insbesondere für einen Mehrpunktwechselrichter.
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Verwendet man einen Dreipunktwechselrichter oder einen Wechselrichter einer anderen Mehrpunkt-Topologie für Zwischenkreisspannungen oberhalb von 600 V, werden insbesondere für hart schaltende Anwendungen typischerweise IGBT-Module verwendet, da der halbleiterbedingte Widerspruch zwischen schneller parasitärer Diode und geringem Durchlasswiderstand bisher für das harte Schalten nicht optimal aufzulösen ist. Die große Speicherladung der parasitären Elemente eines MOSFETs führt zu hohen Schaltverlusten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung für einen Wechselrichter anzugeben, bei der das eingangs genannte Problem vermindert ist. Insbesondere soll ein MOSFETbasierter Mehrpunktwechselrichter mit erhöhter Effizienz angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung für einen Mehrpunktwechselrichter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Schaltung für einen Mehrpunktwechselrichter umfasst wenigstens vier in Reihe zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss eines Gleichspannungs-Zwischenkreises angeordneten Schaltelementen. Eine erste Anzahl der Schaltelemente bilden einen oberen Arm aus und eine verbleibende zweite Anzahl einen unteren Arm. Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden inneren Schaltelemente der beiden Arme bildet den Lastanschluss. Wenigstens ein Teil der Verbindungspunkte von zwei aufeinanderfolgenden der Schaltelemente innerhalb der Arme ist mit einem oder mehreren Zwischenpotentialen des Gleichspannungs-Zwischenkreises verbunden.
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Weiterhin sind eine erste Diode zwischen dem positiven Anschluss und dem äußeren Schaltelement des oberen Arms und eine zweite Diode parallel zu der Serie aus der ersten Diode und dem äußeren Schaltelement des oberen Arms vorhanden. Schließlich sind eine dritte Diode zwischen dem äußeren Schaltelement des unteren Arms und dem nächstinneren, d.h. benachbarten Schaltelement des unteren Arms und eine vierte Diode parallel zu der Serie aus der dritten Diode und dem äußeren Schaltelement des unteren Arms angeordnet.
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Die Erfindung schafft eine Schaltung für einen Mehrpunktwechselrichter, mit der der eingangs genannte Nachteil bzgl. der Schaltverluste vermindert wird, indem gezielt zusätzliche Elemente in Form von Dioden speziell an den schaltintensiven Stellen eingesetzt werden.
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Beim Dreipunktwechselrichter entstehen Schaltverluste unter anderem durch die Speicherladung der beiden äußeren Schaltelemente, wobei die Speicherladung zusätzlich auch zu Schaltverlusten in den beiden inneren Schaltelementen beiträgt.
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Gemäß der Erfindung werden daher die beiden äußeren Schaltelemente in der Beschaltung verändert. Dabei wird ihnen je eine in Durchlassrichtung geschaltete Seriendiode, nämlich die erste und dritte Diode, vorgeschaltet. Weiterhin wird der dem Schaltelement und der jeweiligen Seriendiode zusammen eine in Sperrrichtung orientierte parallele Diode zugefügt. Die parallele Diode ist so gestaltet, dass sie eine geringe Speicherladung aufweist.
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Der Stromfluss in Rückwärtsrichtung durch die Body-Diode wird durch die Seriendiode verhindert und so durch die parallele Diode gezwungen. Anstelle der Body-Diode des Schaltelements führt also in dem erfindungsgemäßen Mehrpunktwechselrichter in der Rückwärtsrichtung stets die parallele Diode den Strom. Durch ihre geringere Speicherladung im Vergleich zur parasitären Diode werden die Schaltverluste deutlich verringert. Dadurch wird es möglich, beispielsweise einen hart schaltenden Dreipunktwechselrichter mit MOSFETs als Schaltelementen aufzubauen. Dieser Dreipunktwechselrichter kann mit einer hohen Schaltfrequenz von mehr als 16 kHz betrieben werden.
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Typischerweise ist die Anzahl der in Reihe zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss eines Gleichspannungs-Zwischenkreises angeordneten Schaltelemente eine gerade Anzahl, beispielsweise 4 oder 6 oder 8. Diese teilen sich üblicherweise zu gleichen Anteilen in den oberen und in den unteren Arm auf, d.h. der Lastanschluss, also der Wechselspannungsausgang befindet sich in der Mitte der Reihe aus Schaltelementen. Die Arme umfassen dann je 2, 3, 4 oder mehr der Schaltelemente.
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Bei den Zwischenpotentialen des Gleichspannungs-Zwischenkreises handelt es sich typischerweise um Potentiale, die gleichmäßig zwischen dem Potential des positiven und negativen Anschlusses verteilt liegen. Ist nur ein Zwischenpotential vorhanden, beispielsweise für einen Dreipunktwechselrichter, handelt es sich üblicherweise um das arithmetische Mittel der Spannungen der Anschlüsse, der Abstand zu einem der Anschlüsse beträgt also die Hälfte der Zwischenkreis-Spannung. Sind beispielsweise drei Zwischenpotentiale vorhanden, beträgt deren Abstand voneinander typischerweise jeweils ein Viertel der Zwischenkreis-Spannung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- - Die Schaltelemente und die Dioden können besonders vorteilhaft auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein. Der gemeinsame Schaltungsträger kann beispielsweise ein IMS-Substrat (Insulated Metal Substrate), ein FR4-Substrat oder eine DCB-Keramik (Direct Copper Bond) aufweist. Herkömmliche leistungselektronische Schaltungen verwenden die am Markt erhältlichen Module, die jeweils ein oder mehrere Schaltelemente umfassen. Diese Module sind wenig variabel aufgebaut und eine Beschaltung mit einer Steuerung muss außerhalb eines jeweiligen Moduls angeordnet werden. Nachteilig ist daran, dass Beschaltungen der Leistungshalbleiterschalter mit kurzen Leitungslängen kaum realisierbar sind, wodurch Schaltungen, bei denen eine sehr niedrige Induktivität erforderlich ist, mit den erhältlichem Modulen oft nicht aufgebaut werden können. Werden hingegen die Schaltelemente als individuelle Bauteile, beispielsweise als SMD-Bauteile, direkt mit den Dioden zusammen auf dem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet, kommt der Aufbau ohne die bekannten Module aus und alle Verbindungen können kurz und niederinduktiv ausgeführt werden.
- - Die erste und/oder dritte Diode können Schottkydioden sein. Diese Dioden müssen nicht die Sperrspannung des jeweiligen Schaltelements übernehmen. Schottkydioden sind vorteilhaft, da sie geringe Durchlassverluste aufweisen.
- - Die zweite und/oder vierte Diode können beispielsweise schnelle Silizium-pin-Dioden oder schnelle SiC-Schottkydioden sein.
- - Die Schaltung kann auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise ein IMS (Insulated Metal Substrat), FR4 oder eine DCB-Keramik sein. Der gemeinsame Schaltungsträger trägt somit direkt die einzelnen Schaltelemente, die beispielsweise als SMD-Bauteile auf dem Schaltungsträger angeordnet sind. Mit anderen Worten verwendet die Schaltung keines der bekannten Module, die typischerweise für den Aufbau leistungselektronischer Schaltungen verwendet werden und beispielsweise ihrerseits vier gleichartige Schalter umfassen. Gewerbliche leistungselektronische Module werden, um wirtschaftlich herstellbar zu sein - umfassend mit solchen Modulen aufgebaut. Die Module wiederum engen die Flexibilität beim Aufbau der Schaltungen deutlich ein, da einerseits weitgehend nur Module mit gleichen Schaltern verfügbar sind, beispielsweise Module mit IGBTs, andererseits aber eine Mischung verschieden bestückter Module zu zu langen Verbindungsleitungen mit zu hoher Induktivität zwischen den Modulen führen würden. Werden die Bauteile aber direkt auf einem Schaltungsträger angeordnet, also ohne Module, können zusätzliche Funktionalitäten erzeugt werden. Beispielsweise können die Schalter mit den Dioden beschaltet werden, wobei gleichzeitig sehr kurze Leitungslängen realisiert werden.
- - Die Steuerung des Dreipunktwechselrichters kann ausgestaltet sein, eine Frequenz von mehr als 16 kHz für die Schaltung der Schaltelemente zu verwenden, insbesondere 50 kHz, 100 kHz oder mehr als 100 kHz.
- - Die inneren Schaltelemente der beiden Halbbrücken können für geringe Durchlassverluste optimiert sein. Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Leistungshalbleitern auftreten. Dabei spielen die Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten und mit der verwendeten Schaltfrequenz ansteigen, sowie die Durchlassverluste, die im leitenden Zustand des Schalters auftreten, eine Rolle. Die Leistungshalbleiter wie beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder GaN-HEMT-Schalter weisen bezüglich der Schaltverluste und Durchlassverluste verschiedene Eigenschaften auf. Darüber hinaus gibt es auch innerhalb jedes Typs von Leistungshalbleiter verschiedene Ausprägungen, die sich bezüglich der genannten Eigenschaften unterscheiden. Dabei ist typischerweise eine Optimierung der Schaltverluste nicht gleichzeitig mit einer Optimierung der Durchlassverluste zu erreichen, vielmehr stehen die Ziele im Widerstreit miteinander. Bei bekannten Topologien ist die Auswahl der Leistungshalbleiter daher ein Kompromiss. Hingegen können bei der erfindungsgemäßen Schaltung vorteilhaft die inneren Schaltelemente hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein. Damit ist trotz des Konflikts zwischen Schaltverlusten und Durchlassverlusten eine optimale Auswahl der Leistungshalbleiter möglich.
- - Die inneren Schaltelemente können IGBTs sein oder MOSFETs. Werden IGBTs verwendet, ergibt sich eine Schaltungstopologie mit MOSFETs und IGBTs. Diese kann nicht aus erhältlichen Leistungshalbleiter-Modulen aufgebaut werden, da diese niemals mit verschiedenen Schaltertypen ausgestattet werden.
- - Die äußeren Schaltelemente können MOSFETs sein. In bekannten Mehrpunkt-Schaltungen können MOSFETs aufgrund der Eigenschaften ihrer parasitären Dioden nicht verwendet werden, da die auftretenden Schaltverluste zu hoch sind. Auf ihre Vorteile wie beispielsweise hohe Schaltgeschwindigkeiten kann daher nicht zurückgegriffen werden. In der beschriebenen Schaltung können jedoch gerade bei den äußeren Schaltelementen, die mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben werden als die inneren Schaltelemente, MOSFETs verwendet werden.
- - Die Schaltelement außer den äußeren Schaltelementen können ebenfalls MOSFETs sein. Diese brauchen keine zusätzliche Beschaltung mit Dioden, da ihre Schaltfrequenz in Mehrpunktwechselrichtern geringer ist als die der äußeren Schaltelemente.
- - Die Schaltelemente außer den äußeren Schaltelementen können auch IGBTs sein.
- - Die Schaltung kann ein Dreipunktwechselrichter sein, bei dem genau vier in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss angeordnete Schaltelemente vorhanden sind. Bei dem Dreipunktwechselrichter bilden diese eine obere und untere Halbbrücke aus, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden inneren Schaltelemente der Halbbrücken den Lastanschluss bildet und der jeweilige Verbindungspunkt der Schaltelemente innerhalb der beiden Halbbrücken mit einem Mittelpunktspotential des Gleichspannungs-Zwischenkreises verbunden ist.
- - In der Verbindung, die zwischen Verbindungspunkten von zwei aufeinanderfolgenden der Schaltelemente mit einem oder mehreren Zwischenpotentialen des Gleichspannungs-Zwischenkreises vorhanden ist, kann je eine Diode vorgesehen sein.
- - Vorteilhaft kann mit drei parallel geschalteten Schaltungen ein dreiphasiger Wechselrichter aufgebaut werden, wobei die Lastanschlüsse der Schaltungen die drei Ausgangsanschlüsse für die Wechselspannung bilden. Dabei können die Schaltelemente und Dioden jeder der drei Schaltungen auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein, wobei der Schaltungsträger wiederum ein IMS-Substrat, ein FR4-Substrat oder eine DCB-Keramik aufweist.
- - Besonders vorteilhaft lässt sich die Schaltung auf einem gemeinsamen Schaltungsträger, insbesondere IMS-Substrat, ein FR4-Substrat oder eine DCB-Keramik, aufbauen. Dabei werden für einen Anschluss des Gleichspannungs-Zwischenkreises und für den Lastanschluss Schraubanschlüsse, insbesondere SMD-Schraubanschlüsse verwendet. Die Schaltelemente und Dioden sind als diskrete Bauteile auf dem Schaltungsträger aufgebracht, insbesondere als SMD-Bauteile. Mit anderen Worten wird die Schaltung ohne die Verwendung von Leistungshalbleiter-Modulen bekannter Art aufgebaut.
- - Vorteilhaft ist es, wenn Gate-Treiberschaltungen für die Schaltelemente ebenfalls auf dem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind. Dadurch können diese mit besonders kurzen Verbindungsleitungen zum jeweiligen Schaltelement versehen werden, was für eine niedrige Induktivität und damit hohe Schaltgeschwindigkeiten sorgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Stromwandlers gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter Form
- 1 eine Schalteranordnung zur Verringerung von Schaltverlusten,
- 2 eine Schaltung für einen Dreipunktwechselrichter,
- 3 eine Schaltung für einen Fünfpunktwechselrichter.
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1 zeigt eine Schalteranordnung S1, S2 mit einem leistungselektronischen Schaltelement 14, 17, bevorzugt einem MOSFET. Das leistungselektronische Schaltelement 14, 17 ist dabei zusammen mit seiner parasitären Diode dargestellt. Die parasitäre Diode hat eine hohe Speicherladung, was der möglichen Schaltfrequenz eine obere Grenze setzt. Um diese Limitierung zu verringern, ist in Serie zum leistungselektronischen Schaltelement 14, 17 eine Seriendiode 22, 24 vorgesehen. Die Seriendiode 22, 24 ist gegensinnig zur parasitären Diode angeordnet, sperrt also möglichen Stromfluss durch die parasitäre Diode.
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Parallel zu der Seriendiode 22, 24 und dem leistungselektronischen Schaltelement 14, 17 ist eine parallele Diode 23, 25 angeordnet. Diese übernimmt nun - anstelle der parasitären Diode - einen möglichen Stromfluss in Rückwärtsrichtung. Die parallele Diode 23, 25 ist so gewählt, dass sie eine geringere Speicherladung aufweist als die parasitäre Diode. Da die parasitäre Diode also keinen Strom führt, kann sie bei zu schnellen Schaltvorgängen auch nicht mehr zu hohen Verlusten bzw. zur Zerstörung des leistungselektronischen Schaltelements 14, 17 führen. Daher kann bei Verwendung einer Schalteranordnung S1, S2 gemäß 1 die Schaltfrequenz gegenüber einem Betrieb ohne die parallele Diode 23, 25 deutlich erhöht werden. Auch kann vorteilhaft ein MOSFET verwendet werden, der wegen seiner hohen Verluste nicht in Frage käme, wenn herkömmliche Leistungsmodule mit MOSFETs verwendet würden.
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2 zeigt eine Schaltung 10 für einen Dreipunktwechselrichter, in der die Schalteranordnung S1, S2 gemäß 1 verwendet wird.
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Die Schaltung 10 umfasst einen geteilten Zwischenkreis ZK, in dem durch zwei serielle Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 ein Potential-Mittelpunkt 13 zwischen einem oberen Gleichspannungspol 11 und einem unteren Gleichspannungspol 12 realisiert ist.
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Parallel zum Zwischenkreis ZK ist eine Serienschaltung aus einer ersten Schalteranordnung S1 gemäß 1, einem zweiten leistungselektronischen Schalter 15, einem dritten leistungselektronischen Schalter 16 und einer zweiten Schalteranordnung S2 gemäß 1 geschaltet. Diese Serienschaltung bildet somit eine obere und untere Halbbrücke 18, 19 aus, deren äußere Schalter jeweils durch die Schalteranordnung S1, S2 gemäß der 1 ersetzt sind. Bei dem Schalter 14 der ersten Schalteranordnung S1 sowie bei dem Schalter 17 der zweiten Schalteranordnung S2 handelt es sich um MOSFETs. Bei den beiden inneren Schaltern 15, 16 handelt es sich hingegen um IGBTs.
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Der Mittelpunkt 13 des Zwischenkreises ZK ist über jeweils eine Diode 211, 212 mit dem jeweiligen Mittelpunkt der oberen und der unteren Halbbrücke 18, 19 verbunden. Der Verbindungspunkt 20 der oberen und unteren Halbbrücke 18, 19 bildet den Lastanschluss 20, also den Wechselspannungsausgang der Schaltung 10.
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Die gesamte Schaltung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung von SMD-Bauteilen auf einem gemeinsamen Schaltungsträger in Form eines IMS-Substrats aufgebaut. Die SMD-Bauteile sind auf entsprechenden Bestückplätzen aufgebracht. Module, die separat vorliegen und einen oder mehrere Schalter enthalten und in herkömmlichen leistungselektronischen Aufbauten verwendet werden, werden mit anderen Worten in der Schaltung 10 nicht verwendet.
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Die Schaltung 10 umfasst im gegebenen Beispiel den Zwischenkreis ZK in Form der beiden Kondensatoren C1, C2. Das ist aber beispielhaft und die Schaltung 10 könnte alternativ auch so aufgebaut sein, dass nur Anschlüsse, beispielsweise SMD-Schraubanschlüsse für den Anschluss an drei Zwischenkreis-Potentiale vorhanden sind.
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Im Betrieb als Dreipunktwechselrichter werden die beiden äußeren Schalter 14, 17 mit einer hohen Frequenz geschaltet und verursachen daher durch die parasitären Dioden potentiell den größten Anteil an Schaltverlusten. Dadurch sind MOSFETs normalerweise nicht geeignet zur Verwendung als äußere Schalter 14, 17. Durch die Beschaltung in Form der Schalteranordnungen S1, S2 werden die Schaltverluste aber minimiert und schnell schaltende MOSFETs können eingesetzt werden. Die inneren Schalter 15, 16 wiederum schalten nur mit Netzfrequenz. Hier können daher einerseits MOSFETs verwendet werden, da die Schaltverluste gering bleiben oder aber IGBTs, da ohnehin nicht schnell geschaltet werden muss.
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3 zeigt einen Fünfpunktwechselrichter 30 als weitere Ausführungsform für die Erfindung. Hierbei wird von einem Anschluss an einen Zwischenkreis ZK ausgegangen, der fünf separate Spannungsniveaus aufweist, also beispielsweise durch vier serielle Kondensatoren aufgeteilt ist. Der Zwischenkreis ist aber nicht Teil des Fünfpunktwechselrichters 30. Der Fünfpunktwechselrichter 30 weist stattdessen fünf Anschlüsse 31...35 für die verschiedenen Spannungen des Zwischenkreises ZK auf. Diese können auf einem Schaltungsträger, beispielsweise einem IMS-Substrat als Schraubanschlüsse realisiert sein.
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Zwischen den äußeren Anschlüssen 31, 35 für den Zwischenkreis ZK weist der Fünfpunktwechselrichter 30 eine Serienschaltung aus einer ersten Schalteranordnung S1 nach Art der 1, sechs weiteren Schaltern 371...376 und einer zweiten Schalteranordnung S2 auf. Es sind also im Wesentlichen acht Schalter 14, 17, 371...376 in Reihe geschaltet, wobei die beiden äußeren Schalter 14, 17 wieder mit Dioden 22...25 verschaltet sind, um deren Verlustleistung bei hochfrequentem Schalten zu verringern. Der Verbindungspunkt zwischen viertem und fünftem Schalter 373, 374 bildet den Lastanschluss 20.
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In bekannter Weise sind bei dem Fünfpunktwechselrichter 30 die mittleren Anschlüsse 32...34 für den Zwischenkreis ZK über je zwei Dioden 361...366 mit Verbindungspunkten zwischen den Schaltern 14, 17, 371...376 verbunden, um die verschiedenen Spannungsniveaus schalten zu können.
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Wie beim Dreipunktwechselrichter der 2 liegt die Hauptlast beim Schalten bei den äußeren Schaltern 14, 17, die aber durch die Beschaltung nach Art von 1 entlastet werden, sodass hier MOSFETs eingesetzt werden können. Die verbleibenden Schalter 371...376 können ebenfalls MOSFETs sein oder aber auch IGBTs oder eine Mischung.
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Wie auch die Schaltung 10 gemäß 2 kann der Fünfpunktwechselrichter 30 unter Verwendung von SMD-Bauteilen auf einem Schaltungsträger aufgebaut sein. Die SMD-Bauteile sind auf entsprechenden Bestückplätzen aufgebracht. Module, die separat vorliegen und einen oder mehrere Schalter enthalten und in herkömmlichen leistungselektronischen Aufbauten verwendet werden, werden mit anderen Worten bei dem Fünfpunktwechselrichter 30 nicht verwendet. Dadurch ist auch jede beliebige Mischung von IGBTs und MOSFETs in der Schaltung problemlos erreichbar, während die verfügbaren Module stets nur gleiche Schaltertypen enthalten.
