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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für ein Leistungselektroniksystem.
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Halbleitertransistoren werden in vielen Bereichen als elektronische Schalter eingesetzt und als Halbleiterschalter bezeichnet. Dies ist möglich, da ein Halbleiterschalter zwischen zwei Zuständen hin und her schalten kann. Ein erster Zustand ist ein eingeschalteter Zustand. In diesem Zustand kann der Halbleiterschalter Strom führen und sich analog wie ein niedriger Widerstand oder eine Diode in Durchlassrichtung verhalten. Der andere Zustand ist der Sperrzustand. In diesem Zustand ist der Halbleiterschalter in der Lage, eine anliegende Spannung z.B. 400V oder 800V aufzunehmen.
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Ein Halbleiterschalter zeichnet sich dadurch aus, dass dieser zwischen den beiden genannten Zuständen sehr schnell und effizient hin und her wechseln kann. Dieses hin und her schalten zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand des Halbleiterschalters ist die Grundlage für viele elektronische Schaltungen wie Netzteile, Wechselrichter, Gleichrichter, Antriebsinverter.
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Damit der Halbleiterschalter zwischen diesen beiden Zuständen hin und her wechseln kann, verfügt dieser über einen Ansteueranschluss, den sogenannten Gate-Treiber, über den der Halbleiterschalter angesteuert wird. Bei der Ansteuerung des Halbleiterschalters unterscheidet man allgemein zwei Ansteuertypen. Spannungsgesteuerte Halbleiterschalter und stromgesteuerte Halbleiterschalter. Bei den spannungsgesteuerten Halbleiterschaltern muss die Ansteuerspannung über oder unter einem definierten Pegel, z.B. +5V oder -3V, liegen, damit der Halbleiterschalter seinen Zustand (leitend oder sperrend) wechselt. Bei stromgesteuerten Halbleiterschaltern muss ein definierter Steuerstrom über- oder unterschritten werden, damit der Halbleiterschalter seinen Zustand ändert.
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Für beide Varianten wird eine Ansteuerschaltung benötigt, welche die Ansteuerung des Halbleiterschalters realisiert.
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Bisher bekannte Ansteuerschaltungen oder Ansteueranordnungen verfügen über eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite. Die Eingangsseite verfügt über mindestens eine Signalgröße, welche die Information trägt, ob der Halbleiterschalter eingeschaltet (leitender Zustand) oder ausgeschaltet (sperrender Zustand) werden soll. Des Weiteren kann die Ansteueranordnung eine Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite aufweisen. Die Ausgangsseite weist mindestens ein Ausgangssignal auf, welches durch die Ansteueranordnung so in Bezug auf Spannungspegel, Stromstärke, etc. aufbereitet ist, dass der Halbleiterschalter mit diesem Signal direkt angesteuert werden kann.
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Darüber hinaus wurde von der Anmelderin bereits eine Anordnung für einen topologischen Schalter vorgeschlagen, die wenigstens zwei Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, aufweist, deren topologischer Halbleiterschalter wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist.
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Allerdings können diese Ansteueranordnungen nur für topologische Halbleiterschalter eingesetzt werden, die aus gleichartigen Halbleiterschaltern bestehen. Im Falle eines topologischen Schalters, der aus einer Parallelschaltung unterschiedlicher Halbleiterschaltermaterialen mit großer Bandlücke wie z.B. SiC, GaN, Si, etc. und oder unterschiedlicher Halbleitertypen wie MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode bzw. Insulated Gate Bipolar Transistor),JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor bzw. Junction FET) etc. besteht, ist es nicht möglich, die unterschiedlichen Halbleitertypen mit dieser Anordnung separat anzusteuern, da jeder Halbleitertyp über ein separates Ansteuersignal verfügen muss.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, dieses Problem zu überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zur Lösung wird ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für ein Leistungselektroniksystem bereitgestellt, wobei der topologische Halbleiterschalter in mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern unterteilt ist, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet sind. Ferner wird eine Umschaltschwelle vorgegeben, ab der ein Umschalten von einer der Gruppen auf eine andere der Gruppen oder ein Dazuschalten mindestens einer anderen Gruppe zu der aktiven Gruppe des topologischen Halbleiterschalters erfolgt, um die Ausgangsleistung zu führen. Außerdem werden Daten mindestens einer physikalischen Größe, welche den Betriebszustand des Systems beschreibt, als Eingangsdaten erfasst und gemittelt. Basierend auf diesen Daten und der Umschaltschwelle wird bestimmt, welche der mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern angesteuert wird, um die Ausgangsleistung zu führen.
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Durch Verwenden von für das zu betreibende System, also z.B. einen Elektromotor eines Fahrzeugs, betriebsrelevanten physikalischen Größen, einer Mittelung der erfassten Werte und Festlegen einer Umschaltschwelle kann eine verbesserte Bestimmung erfolgen, welcher Leistungshalbleiter für die angeforderte Leistung angesteuert werden soll und ein entsprechendes Ansteuersignal ausgegeben werden. Somit können unterschiedliche Leistungshalbleiter, die unabhängig voneinander angesteuert werden, und auch aus unterschiedlichen Materialien und/oder Typen bestehen können, einen einzigen topologischen Halbleiterschalter darstellen. Damit wird eine Optimierung der Ansteuerung der verwendeten Leistungshalbleiter zur besseren Ausnutzung deren Eigenschaften erreicht werden.
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Somit können die Eigenschaften unterschiedlicher Gruppen an Leistungshalbleitern kombiniert werden, so dass sich die Gruppen gegenseitig unterstützen. Es kann eine höhere Effizienz erreicht werden.
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In einer Ausführung wird die Umschaltschwelle in Abhängigkeit des Betriebspunkts des Systems vorgegeben. In einer alternativen Ausführung wird die Umschaltschwelle durch Verwenden einer Entscheidungsmatrix vorgegeben. Vorteilhaft basiert die Entscheidungsmatrix auf einem Motorleistungskennfeld eines Elektromotors eines Fahrzeugs.
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In einer Ausführung ist eine Hysterese im Bereich der vorgegebenen Umschaltschwelle vorgesehen, um ein Toggeln der Ansteuerung zwischen zwei Gruppen an Leistungshalbleitern zu verhindern.
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In einer Ausführung sind die Halbleitermaterialien gewählt aus einem Material, mindestens umfassend eines aus Si, SiC, GaN. In einer Ausführung sind die Halbleitertypen mindestens gewählt aus aktiv schaltbaren Transistoren wie MOSFET, IGBT, JFET.
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Ferner wird ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, sowie ein Leistungselektroniksystem mit einem Prozessor, auf dem das Computerprogramm ausführbar ist.
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Ferner wird ein Leistungselektroniksystem vorgeschlagen, wobei das Leistungselektroniksystem einen Inverter aufweist. Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem Leistungselektroniksystem sowie ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb vorgeschlagen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine abstrahierte Darstellung des Verfahrens zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen einer Umsetzung des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halbleiterpackage, damit der aus einer Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist topologische Schalter mit Halbleitertransistoren als Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, sogenannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere Halbleitermaterial sein. Bevorzugt sind Materialien mit einer großen Bandlücke (engl: wide bandgap).
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Im Bereich der Elektromobilität ist es zur Einhaltung strenger (durch Gesetzgeber vorgegebener) Flotteneffizienzziele nötig, die Effizienz des Inverters durch den Einsatz neuartiger Halbleitertechnologien, wie z.B. SiC MOSFETs, zu erhöhen. Die Halbleiterfläche für einen normalen, d.h. durchschnittlichen, Fahrbetrieb ist überdimensioniert, da der auslegungsrelevante Betriebspunkt nur selten erreicht wird. Problematisch ist, dass die Halbleiterfläche neuerer Technologien (Wide-Bandgab-Halbleiter = WBG), die eine höhere inhärente Effizienz aufweisen (wie z.B. SiC oder GaN), teuer ist im Vergleich zu herkömmlichem Silizium. Bei herkömmlichen Systemen mit Halbleitern, die aus einem kostengünstigeren Material (wie z.B. Silizium) bestehen, kann in Bezug auf den auslegungsrelevanten Betriebspunkt mit Sicherheitsmargen dimensioniert werden, da die Kosten pro Halbleiterfläche gering sind im Vergleich zu WBG-Materialien. Beim Einsatz von WBG Halbleitern in einer herkömmlichen Auslegung wird nicht nur Platz vergeudet, es tritt auch ein preislicher Nachteil auf. Deshalb ist es nötig, ein Optimum zwischen bestmöglicher Technologie und geringstmöglichen Kosten zu finden.
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Hierfür erfolgt die Auslegung der anzusteuernden Halbleiter, indem die Auswahl des Halbleitertyps und des Halbleitermaterials entsprechend der Anwendung, d.h. der Zielvorgabe, erfolgt. Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise bei größeren Strömen eine bessere Leitfähigkeit auf, während Halbleitertransistoren mit Siliziumcarbid diese Eigenschaft bei kleineren Strömen aufweisen. Somit kann z.B. die Stromversorgung verbrauchsoptimiert realisiert werden.
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Bisher ist es nicht möglich, unterschiedliche, parallel geschaltete Leistungshalbleiter, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet sind, durch einen einzigen topologischen Halbleiterschalter anzusteuern. Dies würde aber zu einer Optimierung der Verwendung der geschalteten Leistungshalbleiter beitragen. Um dies zu ändern, wird das nachfolgend beschriebene Verfahren vorgeschlagen.
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Bereitgestellt wird ein in 1 abstrahiert dargestelltes Verfahren zur betriebspunktabhängigen Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für ein Leistungselektroniksystem. Der topologische Halbleiterschalter weist wenigstens zwei parallel geschaltete Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, auf. Der topologische Halbleiterschalter wird in mindestens zwei Gruppen A, B, ... N aufgeteilt. Diese Gruppen sind aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen gebildet. Verwendete Halbleitermaterialien können Si, SiC, GaN etc. sein. Vorteilhaft werden Halbleitermaterialien mit einer großen Bandlücke verwendet. Als Halbleitertypen können aktiv schaltbare Transistoren wie MOSFET, IGBT (mit Freilaufdiode), RC-IGBT, JFET etc. verwendet werden. Auch können Gruppen A, B... N als Kaskoden-Schaltung ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine der Gruppen A, B... N als SiC-MOSFET und eine andere der Gruppen A, B... N als Silizium-IGBT mit antiparalleler Freilaufdiode ausgeführt sein.
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Ziel ist es, jede der Gruppen A, B, ... N separat ansteuern zu können. Hierfür wird eine Umschaltschwelle 100 vorgegeben, ab der ein Umschalten von einer der Gruppen A, B.... N auf eine andere der Gruppen A, B.... N oder ein Dazuschalten mindestens einer anderen Gruppe A, B.... N des topologischen Halbleiterschalters erfolgt, um die Ausgangsleistung zu führen.
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Die Umschaltschwelle 100 kann unterschiedlich vorgegeben werden. In einer Ausführung wird sie in Abhängigkeit des Betriebspunkts des Systems vorgegeben.
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In einer alternativen Ausführung wird sie durch Verwenden einer Entscheidungsmatrix vorgegeben. Diese Entscheidungsmatrix, welche der Gruppen A, B, ... N angesteuert werden soll, kann auf einem Motorleistungskennfeld eines Elektromotors eines Fahrzeugs basieren. Hier kann z.B. ein Grenzwert bestimmt werden, ab dem eine Gruppe A, B, ... N die Ausgangsleistung stellt, wenn eine geringe Ausgangsleistung nötig ist, und die andere Gruppe A, B, ... N die Ausgangsleistung stellt, wenn eine höhere Ausgangsleistung gefordert wird, also der Grenzwert bzw. die Umschaltschwelle 100 überschritten wird.
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Um zu bestimmen, auf welche der Gruppen A, B, ... N umgeschaltet wird bzw. welche angesteuert wird, werden Daten mindestens einer physikalischen Größe S, welche den Betriebszustand des Systems beschreibt, als Eingangsdaten erfasst. Diese werden gemittelt, d.h. es wird ein Mittelwert der erfassten Eingangsdaten über einen vorgegebenen Zeitraum gebildet (in 2 und 3 als P_out gekennzeichnet).
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Basierend auf diesen Daten und der Umschaltschwelle 100 wird bestimmt, welche der mindestens zwei Gruppen A, B.... N an Leistungshalbleitern angesteuert wird, um die Ausgangsleistung zu führen. Dabei kann lediglich eine der Gruppen A, B.... N angesteuert werden. Es können aber auch eine oder mehrere weitere Gruppen A, B.... N zusätzlich angesteuert werden, also dazugeschaltet werden, um die ausgewählte Gruppe zu unterstützen.
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Die physikalischen Größen S, die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter herangezogen werden, sind vorteilhaft Größen für die Steuerung oder Regelung und/oder die Überwachung des Leistungselektroniksystems.
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Eine solche Größe S ist z.B. der Strom I, der effektive Wert des Stroms I oder die Temperatur, wobei die Größen weiter unterteilt werden können. Beispielsweise können Kühlwassereinlauftemperatur oder Kühlwasserauslauftemperatur und/oder Halbleitertemperaturen als Temperatur herangezogen werden. Ferner können Phasenströme oder Batterieströme, der Batterieladzustand, die Spannung im Zwischenkreis, die Gaspedalstellung und damit die aktuelle Leistungsanforderung herangezogen werden.
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Die Verarbeitung des bzw. der Eingangssignale S bis hin zur Entscheidung, welche der Gruppen A, B... N angesteuert werden soll, erfolgt softwaregestützt und ist in 1 als Verarbeitungsblock 1 dargestellt.
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In 2 und 3 ist eine Steuerung der Umschaltung anhand eines Beispiels für eine Unterschreitung (2) und eine Überschreitung (3) einer vorgegebenen Umschaltschwelle 100 durch das aus dem Eingangssignal S ermittelte und gemittelte Signal P_out prinzipiell gezeigt. Gezeigt ist ein Diagramm Strom I über Zeit t. Hier wird der Effektivwert des Stroms I, der zur (geforderten) Ausgangsleistung proportional ist, verwendet, um Umschaltschwelle 100 zu definieren.
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2 zeigt eine Situation, bei der die gemittelte Ausgangsleistung P_out, welche dem Effektivwert des Phasenstroms I in etwa entspricht, kleiner ist als die vorgegebene Umschaltschwelle 100, also ein vorgegebener Phasenstrom I. Somit wird die komplette Stromwelle, d.h. die gesamte Ausgangsleistung, von einer bestimmten Gruppe, hier Gruppe A, bereitgestellt.
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3 zeigt eine Situation, bei der die gemittelte Ausgangsleistung P_out, welche dem Effektivwert des Phasenstroms I in etwa entspricht, größer ist als die vorgegebene Umschaltschwelle 100, also ein vorgegebener Phasenstrom I. Somit wird die komplette Stromwelle, d.h. die gesamte Ausgangsleistung, von einer bestimmten Gruppe, hier Gruppe B, bereitgestellt.
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Anstatt von einer Gruppe A, B... N auf eine andere Gruppe A, B... N umzuschalten, kann auch ein Dazuschalten mindestens einer weiteren Gruppe A, B... N zu der aktiven Gruppe A, B.... N erfolgen.
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Die Ansteueranordnung kann eine Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite aufweisen (nicht gezeigt). Diese dient z.B. zur galvanischen Trennung eines Hochvolkreises von einem Niedervoltkreis im Fahrzeug.
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Weiterhin kann eine Hysterese im Bereich der vorgegebenen Umschaltschwelle 100 vorgesehen werden. Durch Verwenden einer Hysterese kann ein ständiges Wechseln (Toggeln) zwischen den Gruppen A, B.... N, d.h. ein ständiges An- und Abschalten unterschiedlicher Leistungshalbleiter aufgrund eines kurzzeitigen Über- oder Unterschreitens von Grenzwerten zwischen zwei Ansteuermustern, verhindert werden.
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Vorteilhaft ist ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen. Das Leistungselektroniksystem ist vorteilhaft mit einem Prozessor ausgestattet, auf dem das Computerprogramm ausführbar ist. Das Verfahren kann mittels Software realisiert werden, da die Anforderung an die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit gering ist, d.h. keine Echtzeiterfassung bzw. lediglich eine sogenannte weiche Echtzeiterfassung erfolgen muss.
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Das Verfahren wird also vorteilhaft mittels mindestens einer Recheneinheit wie einer Steuereinheit ausgeführt, die vorteilhaft Teil des Leistungselektroniksystems ist. Diese führt die entsprechenden Rechenoperationen, Vergleiche etc. basierend auf den an sie übermittelten oder von ihr erfassten Eingangssignalen S gemäß des Verfahrens aus.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren können Gruppen A, B.... N unterschiedlicher Leistungshalbleiter mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen eines topologischen Halbleiterschalters separat angesteuert werden. Somit wird die Effizienz der Steuerung bzw. Regelung der Ausgangsleistung des Leistungselektroniksystems verbessert. Anwendung findet das vorgeschlagene Verfahren bei Invertern im Bereich der Elektromobilität, also zur Ansteuerung eines Elektroantriebs.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verarbeitungsblock
- 100
- Umschaltschwelle
- A, B... N
- Gruppen an Leistungshalbleitern
- S
- Eingangssignal
- I
- Strom
- t
- Zeit
- P_out
- gemitteltes Eingangssignal
