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HINTERGRUND
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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Stromrichter. Weitere Ausführungsformen betreffen Stromrichter mit reduzierten Kommutierungsverlusten und elektrischen Belastungen.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Züge weisen gewöhnlich eine Anzahl von Wagen auf, die von einer Lokomotive geschoben oder gezogen werden. Die Lokomotive weist Antriebsräder auf, die mit dem Schienenstrang in Eingriff stehen. In modernen Konstruktionen treiben elektrische Radmotoren die Antriebsräder an. Die elektrischen Radmotoren werden über eine elektrische Verteilungseinrichtung von einem oder mehreren Motor getriebenen Generatoren, die in der Lokomotive aufgenommen sind, mit Energie versorgt. Die Antriebsräder und die Radmotoren können reversibel eingerichtet sein, um auch als Bremsen zur Verlangsamung der Lokomotive zu dienen.
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Ebenso verwenden große geländetaugliche Fahrzeuge („OHVs”, Off-Highway-Vehicles) in der Bergbauindustrie gewöhnlich elektrisch motorisierte Räder zum Antreiben oder Abbremsen des Fahrzeugs. Insbesondere enthalten OHVs gewöhnlich einen Dieselmotor hoher PS-Leistung in Verbindung mit einem Wechselstromgenerator, einem Haupttraktionsumrichter und einem Paar Radantriebsanordnungen, die in den Hinterradreifen des Fahrzeugs untergebracht sind. Der Dieselmotor ist dem Wechselstromgenerator direkt zugeordnet, so dass der Dieselmotor den Generator antreibt. Der Wechselstromgenerator versorgt den Haupttraktionsumrichter, indem Halbleiterleistungsschalter den Ausgangsstrom des Wechselstromgenerators kommutieren, um elektrische Leistung zu elektrischen Antriebsmotoren der beiden Radantriebsanordnungen zu liefern.
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Sowohl in Lokomotivenanwendungen als auch in OHV-Anwendungen werden Festkörper-Stromrichter verwendet, um Starkstrom von den Generatoren oder Wechselstromgeneratoren zu den Radmotoren zu liefern. Derartige Stromrichter enthalten induktive Spulen, um die Spannung abwärts zu wandeln, sowie Halbleiterleistungsschalter, um den Strom zu kommutieren. Obwohl die vorstehend beschriebenen Anwendungen typisch sind, wird anerkannt, dass Stromrichter in vielen anderen Umgebungen eingesetzt werden können.
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Als ein Beispiel kann ein isolierter bidirektionaler H-Brückenstromrichter verwendet werden. Diese Art eines Stromrichters enthält zwei vollständige Halbleiterbrücken, die durch einen galvanisch getrennten Stromtransformator miteinander verbunden sind. Ein derartiger Stromrichter kann Leistung in beide Richtungen übertragen, wobei Spannungen an der primären und der sekundären Seite in einem Bereich variieren.
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Isolierte H-Brückenstromrichter können Leistungselemente, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), enthalten, die durch eine Ansteuerungsschaltung in einer abwechselnden Weise ein- und ausgeschaltet werden, um eine Ausgangswechsel(AC-)spannung oder eine andere Signalform zu erzeugen. Es können auch andere Arten schaltbarer Halbleitervorrichtungen in der H-Brückenschaltung derartiger Stromrichter verwendet werden. Diese umfassen bipolare (BJT-)Leistungstransistoren, Leistungs-MOSFETs, integrierte Gate-kommutierte Thyristoren (IGCTs), abschaltbare Thyristoren (GTOs) oder jede beliebige sonstige Vorrichtung mit ansteuerbaren Halbleiterelementen, die durch ein Signal niedriger Leistung (z. B. ein Gate-Signal) geschaltet werden. Ein Schalten unter Last kann jedoch zu Kommutierungsverlusten und elektrischen Belastungen führen.
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Deshalb ist es erwünscht, die Kommutierungsverluste und elektrischen Belastungen von Stromrichtern zu reduzieren, um die Funktionsweise und den Wirkungsgrad der Stromrichter zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung, die eine primäre Brücke mit mehreren diagonal gegenüberliegenden primären Leistungselementen und eine sekundäre Brücke mit mehreren diagonal gegenüberliegenden sekundären Leistungselementen enthält. Die primäre und die sekundäre Brücke sind durch einen Transformator elektrisch miteinander gekoppelt. Wenigstens eine Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die primären und sekundären Leistungselemente phasenverschoben zu schalten, so dass eines oder mehrere der primären und sekundären Leistungselemente unter Nullstrombedingungen ausgeschaltet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Stromrichter eine primäre Brücke, die mehrere diagonal gegenüberliegende primäre Leistungselemente aufweist; eine sekundäre Brücke, die mehrere diagonal gegenüberliegende sekundäre Leistungselemente aufweist; und einen Transformator, der mit der primären und der sekundären Brücke elektrisch verbunden ist. Wenigstens eine Steuereinheit ist zur phasenverschobenen Umschaltung der primären und sekundären Leistungselemente eingerichtet, so dass eine Brückenphasenverschiebung zwischen der primären und der sekundären Brücke vorhanden ist und eine diagonale Phasenverschiebung innerhalb jeder von der primären Brücke und der sekundären Brücke vorhanden ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters. Das Verfahren enthält wenigstens ein diagonal phasenverschobenes Schalten wenigstens zweier diagonal gegenüberliegender primärer Leistungselemente innerhalb einer primären Brücke oder diagonal phasenverschobenes Schalten wenigstens zwei diagonal gegenüberliegender sekundärer Leistungselemente innerhalb einer sekundären Brücke des Stromrichters, und es enthält ferner ein brückenphasenverschobenes Umschalten wenigstens eines Elementes in der sekundären Brücke relativ zu einem homologen Element in der primären Brücke.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Stromrichter durch phasenverschobenes Schalten primärer Leistungselemente innerhalb einer primären Brücke des Stromrichters und phasenverschobenes Schalten sekundärer Leistungselemente innerhalb einer sekundären Brücke des Stromrichters derart gesteuert, dass ein oder mehrere der primären und sekundären Leistungselemente unter Nullstrombedingungen ausgeschaltet und unter Nullspannungsbedingungen eingeschaltet werden.
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ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird durch Lesen der folgenden Beschreibung nicht beschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, worin nachstehend:
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines isolierten H-Brückenstromrichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein Diagramm, das eine Folge phasenverschobener Gate-Signale zeigt, die Halbleiterleistungselementen des in 1 veranschaulichten Stromrichters zugeführt werden sollen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3(a)–3(j) zeigen schematische Ansichten von Leistungselementzuständen innerhalb eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4(a)–4(b) zeigen Diagramme, die die Spannung und den Strom in Transformatorwicklungen des Stromrichters gemäß den 3(a)–3(j) darstellen.
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5 und 6 zeigen Gleichungen zur Bestimmung gewünschter Phasenverschiebungen der Gate-Signale gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt eine graphische Darstellung, die eine Signalform des primären Spulenstroms während eines vollständigen Zyklus des Stromrichterbetriebs, einschließlich einer Nullstrom-Zeitperiode t0, zeigt, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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8(a) und 8(b) zeigen Diagramme, die Signalformen der Spannung und des Stroms während eines vollständigen Zyklus des Stromrichterbetriebs, einschließlich eines simultan geschalteten Transientvorgangs, zeigen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es wird nachstehend im Einzelnen auf beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wenn es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen überall in den Zeichnungen verwendet, um auf die gleichen oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen. Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf Lokomotiven und andere geländetaugliche Fahrzeuge beschrieben sind, sind Ausführungsformen der Erfindung auch zur Verwendung mit DC-DC-Schaltstromrichtern allgemein anwendbar.
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen bidirektionale Stromrichter, die phasenverschoben geschaltet werden, um Kommutierungsverluste und Spannungs-/Strom-Belastungen innerhalb der Stromrichter zu reduzieren.
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1 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, in der ein einphasiger isolierter bidirektionaler H-Brückenstromrichter 100 mehrere Halbleiterleistungselemente 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 enthält. Jedes Leistungselement 101...etc. weist einen Kollektor C, ein Gate G und einen Emitter E auf. Jedes Leistungselement weist ferner eine zugehörige Freilaufdiode 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 und 118 auf, die über dem Kollektor C und dem Emitter E antiparallel angeschlossen ist.
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In ausgewählten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedes Leistungselement und seine zugehörige Diode gemeinsam ein Schaltmodul bilden, wie dies in einer auf die gemeinsame Anmelderin lautenden parallel anhängigen Anmeldung mit dem internen Aktenzeichen Nr. 256354 erläutert ist, die den Titel „Converter Switch Apparatus and Method” („Stromrichter-Schaltvorrichtung und Verfahren”) trägt und die durch Verweis hierin in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen ist.
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Zurückkehrend zu 1 sind die Leistungselemente 101, 102, 103, 104 und ihre Freilaufdioden 111, 112, 113, 114 angeordnet, um eine primäre Brücke 120 zu bilden, und sie sind (unter Bezugnahme auf die Leistungselemente der primären Brücke) die „primären Leistungselemente”, während die Leistungselemente 105, 106, 107, 108 und ihre Freilaufdioden 115, 116, 117, 118 angeordnet sind, um eine sekundäre Brücke 122 zu bilden, und (bezugnehmend auf die Leistungselemente der sekundären Brücke) die „sekundären Leistungselemente” sind. Die primäre Brücke 120 ist angeschlossen, um eine DC-Versorgungsspannung „Vdc1” zu kommutieren, um AC-Strom „Iph” an einer primären Spule 141 eines Transformators 140 zu liefern. Die sekundäre Brücke 122 ist angeschlossen, um eine DC-Lastspannung „Vdc2” durch Kommutierung des AC-Stroms auf die sekundäre Spule 142 des Transformators 140 zu liefern.
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Es ist bemerkenswert, dass das Leistungselement 105 zu dem Leistungselement 101 insofern „homolog” ist, als das Leistungselement 101 mit dem hohen Anschluss der primären Transformatorspule 141 verbunden ist, während das Leistungselement 105 mit dem hohen Anschluss der sekundären Transformatorspule 142 verbunden ist, so dass jeder der Schalter in seiner eigenen Brücke ähnlich wie der andere Schalter in seiner anderen jeweiligen Brücke funktioniert. Ebenso sind die Schalter 102–106, 103–107 und 104–108 „homolog”.
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Wie weiter nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert, werden die Leistungselemente 101, 102, etc. der primären Brücke 120 durch Gate-Spannungssignale „Vg1”, „Vg2”, „Vg3” und „Vg4” ein- und ausgeschaltet. Die Gate-Spannungen der primären Brücke Vg1...Vg4 sind vorgesehen, um die primäre DC-Spannung Vdc1 zu kommutieren, um den AC-Strom Iph der primären Spule 141 zuzuführen, wie weiter nachstehend erläutert. Die Leistungselemente 105, 106, etc. der sekundären Brücke 122 werden durch Gate-Spannungssignale „Vg5”, „Vg6”, „Vg7” und „Vg8” ein- und ausgeschaltet, die vorgesehen sind, um den AC-Strom der sekundären Spule zu kommutieren, um eine abwärtsgewandelte, aufwärtsgewandelte oder gleiche DC-Spannung Vdc2 zu liefern.
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Wie nachstehend unter besonderer Bezugnahme auf die 2 und 4 näher erläutert, umfasst der Betrieb der primären und sekundären Brücke 120, 122 „Phasenverschiebungen” zwischen den Gate-Signalen für die verschiedenen Halbleiterleistungselemente, so dass der Stromrichter mit minimalen Kommutierungsverlusten entweder als ein Abwärtswandler, um die sekundäre DC-Spannung Vdc2 zu liefern, oder als ein Aufwärtswandler arbeiten kann, um die primäre DC-Spannung Vdc1 zu liefern.
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Somit zeigt 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen isolierten H-Brückenstromrichters 100, der eine primäre und eine sekundäre Brücke 120, 122 enthält, die durch einen Stromtransformator 140 miteinander verbunden sind. Jede Brücke enthält mehrere Halbleiterleistungselemente. Durch geeignete Koordinierung der Kommutierung der Leistungselemente innerhalb der primären und der sekundären Brücke 120, 122 kann der Stromrichter 100 Leistung in jede Richtung über den Transformator 140 übertragen, während die DC-Spannungen Vdc1, Vdc2 innerhalb vorbestimmter Bereiche aufrechterhalten werden. Zum Beispiel kann Vdc2 größer als, gleich oder kleiner als Vdc1 aufrechterhalten werden.
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Obwohl 1 speziell eine beispielhafte Ausführungsform veranschaulicht, in der die Halbleitervorrichtungen, die als Leistungselemente verwendet werden, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) sind, ist die vorliegende Erfindung ebenfalls auf andere Festkörper-Halbleitervorrichtungen anwendbar, zu denen einschließlich, jedoch als nicht beschränkende Beispiele gehören: Bi-Mode-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (BIGT), MOSFETs, JFETs, IGCTs oder auf Siliziumkarbid basierende Leistungshalbleiter.
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Gemäß Aspekte der vorliegenden Erfindung werden die Gate-Spannungssignale Vg1...Vg8 zu den (jeweiligen) Halbleiterleistungselementen 101...108 in einer derartigen Weise gesandt, dass die Gesamtverluste in dem Stromrichter 100 (im Verhältnis zu anderen Steuerungsschemata) reduziert sind. Zusätzlich werden die Spannungs- und Strombelastungen an einigen der Komponenten in der Schaltung verringert, wodurch eine gesamte Verbesserung der Funktionsweise (wiederum im Verhältnis zu anderen Steuerungsschemata) erhalten wird. Zum Beispiel werden die primäre und die sekundäre Brücke 120, 122 in der folgenden Weise gesteuert: wenigstens eine Steuereinheit 130 (z. B. eine primäre Steuereinheit) implementiert eine Brückenphasenverschiebung oder -verzögerung „dsh” zwischen Schaltvorgängen homologer Leistungselemente in der primären und der sekundären Brücke 120, 122. Zusätzlich führt die Steuereinheit 130 primäre und sekundäre diagonale Phasenverschiebungen „tsh1”, „tsh2” zwischen dem Umschalten der Leistungselemente ein, die innerhalb der primären Brücke 120 oder innerhalb der sekundären Brücke 122 einander „diagonal gegenüberliegen”. Zum Beispiel sind die primären Leistungselemente 101 und 104 innerhalb der primären Brücke 120 „diagonal gegenüberliegend”, wie ihre homologen sekundären Leistungselemente 105 und 108 innerhalb der sekundären Brücke 122 „diagonal gegenüberliegend” sind. Auf diese Weise erfolgt das Einschalten und Ausschalten derartiger Vorrichtungen nicht simultan, sondern mit einer Zeitdifferenz. In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise derjenigen, die in 1 veranschaulicht ist, ist wenigstens eine zusätzliche Steuereinheit vorgesehen, um die sekundäre diagonale Phasenverschiebung tsh2 und die Brückenphasenverschiebung dsh gesondert zu implementieren. In anderen Worten gibt es in manchen Ausführungsformen eine „primäre” und eine „sekundäre” Steuereinrichtung.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird die Brückenphasenverschiebung dsh eingestellt, um die Ausgangsspannung Vdc2 in Bezug auf Vdc1 zu steuern. Eine Erhöhung von dsh neigt dazu, Vdc2 und die gesamte Leistung, die über den Transformator 140 übertragen wird, zu erhöhen. Eine Erhöhung von dsh wird jedoch auch dazu neigen, die Blindleistungsverluste und den zirkulierenden Strom in der primären und der sekundären Brücke 120, 122 und in dem Transformator 140 zu erhöhen. Durch Umkehrung der Brückenphasenverschiebung dsh kann der Leistungsfluss durch den Stromrichter 100 derart umgekehrt werden, dass die sekundäre Brücke 122 Leistung zu der primären Brücke 120 sendet. Diese Umkehr kann zum Beispiel beim Bremsen eines Motors, der an Vdc2 angeschlossen ist, oder zum Laden oder Entladen einer Batterie nützlich sein.
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In manchen Ausführungsformen werden die diagonalen Phasenverschiebungen tsh1, tsh2 zwischen den in Reihe verbundenen Leistungselementen in jeder der Brücken 120, 122 eingestellt, um einen Betrieb mit reduzierten Kommutierungsverlusten der Leistungselemente (im Verhältnis zu einem Steuerungsschema, in dem die diagonalen Phasenverschiebungen nicht eingestellt werden) zu erreichen. Die reduzierten Kommutierungsverluste können erreicht werden, indem der Wicklungsstrom des Transformators vor oder während des Ausschaltens eines oder mehrerer der Halbleiterleistungselemente reduziert und schließlich aufgehoben wird („Nullstromschalten”), während die angelegte Spannung während des Einschaltens desselben Schalters gering oder bei null gehalten wird („Nullspannungsschalten”). „Nullstrom”-Bedingungen können ein Ausschalten eines Halbleiterleistungselementes bei einem Strom von weniger als einem speziellen Bruchteil des Nennstroms des Leistungselementes, z. B. weniger als fünf (5) Prozent des Nennstroms, umfassen. Ebenso können „Nullspannungs”-Bedingungen ein Einschalten eines Halbleiterleistungselementes bei einer Spannung umfassen, die kleiner ist als ein spezieller Bruchteil der Nennschaltspannung, z. B. kleiner als fünf (5) Prozent der Nennspannung. Indessen können „Nahezu-Null”-Bedingungen Bedingungen bei weniger als zehn (10) Prozent des Nennstroms oder der Nennspannung, einschließlich der „Nullstrom”- und „Nullspannungs”-Bedingungen, umfassen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein phasenverschobenes Schalten eine minimale Auswirkung auf die Halbleiterleitungsverluste auf, während der gesamte Stromrichterwirkungsgrad verbessert wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können Brücke-zu-Brücke- und diagonal phasenverschobene Gate-Spannungen in Stromrichtern implementiert werden, die innerhalb eines weiten Spannungsbereiches arbeiten. Phasenverschobenes Schalten ergänzt das Übertragungsverhältnis des Leistungstransformators und schafft dabei eine bessere Anpassung zwischen der primären und der sekundären Spannung, so dass dadurch die Blindstromzirkulation durch den gesamten Leistungsbereich hindurch reduziert wird. In einem weiteren Aspekt erzeugt die Einführung von phasenverschobenen Leistungselementen innerhalb jeder einzelnen Brücke Nullvektoren innerhalb der AC-Spannung, die der Transformator sieht. Diese Nullvektoren ermöglichen eine Variation der effektiven Spannungsgrundkomponente und kann somit manipuliert werden, um die Menge der in den Transformator hinein fließenden Blindleistung aktiv zu steuern und zu reduzieren.
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Als ein Beispiel veranschaulicht 2 Gate-Spannungssignale für den Betrieb des Stromrichters 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jede Änderung eines Gate-Spannungssignals Vg1...Vg8 ist durch einen mit Buchstaben bezeichneten Pfeil markiert, der eine entsprechende Schaltkonfiguration anzeigt, die durch dieses Signal eingeleitet wird, wie in 3 veranschaulicht. Wie aus 2 ersehen werden kann, sind innerhalb der primären Brücke 120 die Halbleiterleistungselemente 101 und 102 „gepaart”, um abwechselnd eine Gate-Spannung zu erhalten. Somit ist entweder das Leistungselement 101 oder 102 immer dann an, wenn das andere Leistungselement 102 oder 101 aus ist. Die Leistungselemente 103–104, 105–106 und 107–108 sind ähnlich gepaart. Die Gate-Spannungssignale zu dem Paar 105–106 eilen den Gate-Spannungssignalen für das Paar 101–102 um die Brückenphasenverschiebung dsh nach. Die Gate-Spannungssignale für das Paar 103–104 eilen den Gate-Spannungssignalen für das Paar 101–102 um die primäre diagonale Phasenverschiebung tsh 1 nach. Die Gate-Spannungssignale für das Paar 107–108 eilen den Gate-Spannungssignalen für das Paar 105–106 um die sekundäre diagonale Phasenverschiebung tsh2 voraus. Die Werte für dsh, tsh1 und tsh2 können als Funktionen von Vdc1 und Vdc2 bestimmt werden, um Spannungs- und Strombelastungen zu reduzieren und um Kommutierungsverluste zu reduzieren, wie nachstehend weiter erläutert. Es wird erkannt, dass die Leistungselemente nicht notwendigerweise gepaart sein müssen, dass aber eine derartige Paarung hierin veranschaulicht und beschrieben ist, um die Erläuterung dieser beispielhaften, jedoch keineswegs beschränkenden Ausführungsform der Erfindung zu vereinfachen.
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3(a)–3(j) zeigen eine Betriebsablauffolge von Schaltkonfigurationen innerhalb des Stromrichters 100 als Reaktion auf die Gate-Spannungssignale, wie sie in 2 veranschaulicht sind. In den 3(a)–3(j) sind die zum Einschalten angesteuerten Leistungselemente von einem Rechteck mit gestrichelten Linien umfasst. Die Richtung des Stroms in der Primärwicklung 141 des Transformators ist durch mit Iph bezeichnete Pfeile veranschaulicht. In den 3(d) und 3(i) sind die momentanen Nullstromzustände veranschaulicht.
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4(a) zeigt AC-Spannungssignalformen Vp und Vs an der primären und sekundären Transformatorwicklung 141, 142, während 4(b) Signalformen der äquivalenten Spannung Vlk der Streuinduktivität und für den Primärwicklungsstrom Iph innerhalb des Transformators 140 während eines Betriebs des Stromrichters 100 gemäß den 2 und 3(a)–(j) zeigt. Die Signalform des primären Stroms Iph, wie in 4(b) veranschaulicht, ist mit Buchstaben zwischen vertikalen Linien markiert, die die Zeiträume „a”, „b”, etc. begrenzen, die den mit ähnlichen Buchstaben bezeichneten Gate-Signalen und Schaltkonfigurationen der 2 und der 3(a)–3(j) entsprechen.
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Erneut bezugnehmend auf 2 schaltet das Gate-Signal „a” das Leistungselement 106 aus und das gepaarte Leistungselement 105 innerhalb der sekundären Brücke 122 an. 3(a) zeigt die resultierende Konfiguration der Leistungselemente 101...108 während des Zeitraums „a”, wie in 4 gekennzeichnet. In 3(a) sind die Leistungselemente 101, 104, 105 und 108 durch Rechtecke mit gestrichelter Linie markiert, wie sie durch ihre jeweiligen Gate-Spannungssignale in Durchlassrichtung vorgespannt oder „angesteuert” sind. Somit leitet ein Ausschalten des Leistungselementes 106 den Sekundärspulenstrom zu der hohen Seite von Vdc2 über die Freilaufdiode 115, wodurch die Last mit Energie versorgt wird. Folglich bewirkt die Impedanz der Last Vdc2 während des gesamten Zeitraums „a”, dass der Primärspulenstrom Iph mit einer zu einem stationären Zustand hin abnehmenden Rate von der hohen Seite von Vdc1 durch das Leistungselement 101, die primäre Wicklung 141 und das Leistungselement 104 hindurch fließt, wie in 4(b) veranschaulicht.
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Am Ende des Zeitraums „a” zeigt 2, dass das Leistungselement 101 zum Ausschalten angesteuert wird, während das Leistungselement 102 zum Einschalten angesteuert wird, um die Aufstellung oder Konfiguration zu erreichen, wie sie in 3(b) veranschaulicht ist, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Diese neue Schaltkonfiguration „b” entfernt Vdc1 von der Primärspule 141, so dass, wie in 4(b) veranschaulicht, der Primärspulenstrom Iph rasch gegen null abfällt, während das Induktionsfeld der Primärspule 141 zusammenbricht.
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Bezugnehmend auf 4(b) und auf 2 wird nach einer Verzögerung tsh1, während der der Primärspulenstrom Iph sich dem Nullwert nähert, das Leistungselement 104 zum Ausschalten angesteuert, während das Leistungselement 103 zum Einschalten angesteuert wird, wodurch die in 3(c) gezeigte Konfiguration geschaffen wird. Vdc1 wird nun entgegengesetzt zu der Induktionsspannung an die Primärspule angelegt, wodurch Iph zur Umkehr getrieben wird und dadurch der halbe Betriebszyklus für die positive Polarität für den Stromrichter 100 beendet wird. 3(d) zeigt die gleiche Schaltkonfiguration wie in 3(c), jedoch bei einer Umkehr des Stroms Iph bei dem Nahezu-Nullwert.
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Wie oben erwähnt, kann ein Nullstromschalten wenigstens eines Leistungselementes (der Leistungselemente 103 und 104 in den Zeiträumen „a”–„c”) Kommutierungsverluste des Stromrichters 100 im Ganzen reduzieren. Demgemäß zeigen 2 und 4(b), dass, bevor der Primärspulenstrom Iph in Richtung auf seinen negativen Spitzenwert ansteigt, das Leistungselement 107 zum Einschalten angesteuert wird, während das Leistungselement 108 zum Ausschalten angesteuert wird. Somit geht der Stromrichter 100 durch die Schaltkonfigurationen über, wie sie in den 3(d)–3(e) veranschaulicht sind, bei geringen Werten (Nahezu-Nullwerten) von Iph. Somit können die Leistungselemente 107 und 108 auch als „nullstrom-geschaltet” betrachtet werden.
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Nach einem Zeitraum „e” der Dauer tsh2 erreicht der Primärspulenstrom Iph seinen negativen Spitzenwert, wie in 4(b) veranschaulicht. Die Leistungselemente 105 und 106 werden dann jeweils zum Aus- bzw. Einschalten angesteuert, um die Schaltkonfiguration und den Zeitraum „f” einzuleiten, wie sie in 2 und in den 3(e)–3(f) veranschaulicht sind. Durch richtiges Einstellen der Verzögerung oder der diagonalen Phasenverschiebung tsh2 können die Leistungselemente 105 und 106 ebenfalls als nullstrom-geschaltet betrachtet werden. Folglich ist es möglich, die Polarität des Stromrichters 100 umzukehren, während lediglich zwei Leistungselemente unter beträchtlichem Strom (in diesem Beispiel das Leistungselement 101 in der primären Brücke 120 und das Leistungselement 105 in der sekundären Brücke 122) geschaltet werden. In dieser Hinsicht umgeht die Freilaufdiode 112 das Leistungselement 102, wenn dieses zu Beginn des Zeitraums „b” zum Einschalten angesteuert wird.
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Erneut bezugnehmend auf die 2 und 4 wird die in 3(f) geschaffene Schaltkonfiguration anschließend aufrechterhalten, während die Amplitude des negativen Primärspulenstroms Iph allmählich in Richtung ihres stationären Wertes abnimmt. Am Ende des Zeitraums „f” zeigt 2, dass das Leistungselement 101 zum Einschalten angesteuert ist und das Leistungselement 102 zum Ausschalten angesteuert ist, was die in 3(g) gezeigte Konfiguration ergibt. Der Übergang zu dieser Schaltkonfiguration „g” fällt mit einer scharfen Reduktion der Amplitude des Primärspulenstroms zusammen, wie bei dem Übergang von der Schaltkonfiguration „a” zu der Schaltkonfiguration „b”. Bezugnehmend auf die 2, 3(h)–(j) und 4(b) ist es ersichtlich, dass die restlichen Gate-Signale und Schaltkonfigurationen einen negativen halben Schaltzyklus für den Stromrichter 100 vervollständigen und mit einer Rückkehr zu der in 3(a) veranschaulichten Schaltkonfiguration enden. Erneut ist es durch richtiges Einstellen der diagonalen Phasenverschiebungen tsh1 und tsh2 möglich, den gesamten Schaltzyklus zu vervollständigen, während lediglich vier Leistungselemente unter beträchtlichem Strom ausgeschaltet werden: das Leistungselement 101 und das Leistungselement 102 in der primären Brücke 120 und die Leistungselemente 105 und 106 auf der sekundären Seite. Außerdem ist es möglich, im Wesentlichen über die sekundären Freilaufdioden 115, 116, 117, 118 eine nahezu konstante Vdc2 bereitzustellen, wobei die sekundären Leistungselemente 105, 106, 107, 108 alle unter Nullspannungsbedingungen leitend sind.
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Während die Brückenphasenverschiebung dsh gemäß der gewünschten Leistungsübertragung gewählt werden kann, wird die diagonale Phasenverschiebung tsh1 in Ausführungsformen in Abhängigkeit von der Brückenphasenverschiebung dsh derart gewählt, dass eine gewünschte Folge von Leistungselementkonfigurationen in der primären und der sekundären Brücke erreicht wird. Insbesondere könnten tsh1 und tsh2 entweder positive oder negative Werte aufweisen. Wenn die primäre Seite als Referenz betrachtet wird, entspricht die beschriebene Abfolge einer positiven tsh1 und einer negativen tsh2. Um den Betriebsablauf und die Stromsignalform zu erreichen, wie sie in den 3 und 4 veranschaulicht sind, können vorbestimmte Werte von tsh1 und tsh2 basierend auf dsh gemäß der Gleichung nach 5 festgesetzt werden. In der Praxis kann eine Mehrzahl vorbestimmter Werte für tsh1 und tsh2, die bestimmten Werten von dsh entsprechen, als eine Nachschlagetabelle 900 in einem nichtflüchtigen Speicher 136 gespeichert sein, der mit der wenigstens einen Steuereinheit 130 verbunden ist, wie in 1 veranschaulicht. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Stromrichter 100 dann während des Betriebs in Abhängigkeit von einer oder mehreren Bedienereingaben 138 durch einen Zugriff auf die Nachschlagetabelle gemäß einem Algorithmus 100 angepasst werden, der ebenfalls in dem nicht-flüchtigen Speicher 136 gespeichert und in der einen oder den mehreren Steuereinheiten 130 implementiert ist. Gemäß einem weiteren Aspekt können tsh1 und tsh2 durch die wenigstens eine Steuereinheit 130 in Echtzeit berechnet werden.
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Unter Bezugnahme auf die 6 und 7 können gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung Werte für die Phasenverschiebungen dsh, tsh1, tsh2 gewählt werden, um Null- oder Nahezu-Null-Strombedingungen in dem Transformator 140 während einer bestimmten Dauer t0 (7) zu erzielen. Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können Werte für tsh1 und tsh2 ausgewählt werden, um ein simultanes oder nahezu simultanes Umschalten von der Konfiguration gemäß 3(b) zu derjenigen nach 3(e) zu erreichen (wodurch allgemein Spannungs- und Stromsignalformen geschaffen werden, wie sie in den 8(a) und 8(b) veranschaulicht sind).
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In Ausführungsformen enthält ein Stromrichter eine primäre Brücke, die mehrere diagonal gegenüberliegende primäre Leistungselemente aufweist, und eine sekundäre Brücke, die mehrere diagonal gegenüberliegende sekundäre Leistungselemente aufweist. Die primäre und die sekundäre Brücke sind über einen Transformator elektrisch miteinander gekoppelt. Wenigstens eine Steuereinheit ist konfiguriert, um die primären und sekundären Leistungselemente derart phasenverschoben zu schalten, dass eines oder mehrere von den primären und sekundären Leistungselementen unter Nullstrombedingungen ausgeschaltet werden.
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In manchen Ausführungsformen kann die wenigstens eine Steuereinheit ferner eingerichtet sein, um wenigstens ein sekundäres Leistungselement in der sekundären Brücke relativ zu einem homologen primären Leistungselement in der primären Brücke derart phasenverschoben zu schalten, dass während jedes Arbeitszyklus des Stromrichters eine Nullstrombedingung einer bestimmten Dauer in dem Transformator geschaffen wird. Außerdem kann die Steuereinheit ferner eingerichtet sein, um ein oder mehrere der primären und sekundären Leistungselemente unter Nullspannungsbedingungen einzuschalten. In ausgewählten Ausführungsformen ist die Steuereinheit ferner eingerichtet, um ein oder ein anderes der primären Leistungselemente oder ein oder ein anderes der sekundären Leistungselemente abwechselnd unter Nullspannungsbedingungen zu schalten.
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In Ausführungsformen enthält ein Stromrichter eine primäre Brücke mit mehreren diagonal gegenüberliegenden primären Leistungselementen; eine sekundäre Brücke mit mehreren diagonal gegenüberliegenden sekundären Leistungselementen; und einen Transformator, der mit der primären und der sekundären Brücke elektrisch verbunden ist. Wenigstens eine Steuereinheit ist eingerichtet, um die primären und sekundären Leistungselemente derart phasenverschoben zu schalten, dass eine Brückenphasenverschiebung zwischen der primären und der sekundären Brück vorliegt und diagonale Phasenverschiebungen innerhalb der primären Brücke und innerhalb der sekundären Brücke vorliegen. In ausgewählten Ausführungsformen werden die diagonalen Phasenverschiebungen innerhalb der primären und der sekundären Brücke auf der Basis wenigstens der Brückenphasenverschiebung bestimmt.
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In ausgewählten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Steuereinheit eingerichtet, um eine Ausgangsspannung des Stromrichters durch phasenverschobenes Schalten der sekundären Brücke in Bezug auf die primäre Brücke anzupassen, so dass ein vorauseilendes Element der sekundären Leistungselemente der sekundären Brücke nach einer Verzögerung eingeschaltet oder ausgeschaltet wird, die auf das Einschalten oder Ausschalten eines homologen vorauseilenden Elementes der primären Leistungselemente der primären Brücke folgt. Auch kann die wenigstens eine Steuereinheit ferner eingerichtet sein, um in dem Transformator während jedes Arbeitszyklus des Stromrichters einen Nullstromzustand einer bestimmten Dauer zu schaffen. Der Nullstromzustand des Transformators kann geschaffen werden, indem ein diagonal phasenverschobenes Schalten der primären Brücke derart implementiert wird, dass ein nacheilendes Element der primären Leistungselemente der primären Brücke, das dem vorauseilenden Elemente der primären Brücke diagonal gegenüberliegt, in einem ersten Zeitintervall nach einem Abschalten des vorauseilenden primären Brückenelementes ausgeschaltet wird. In manchen Ausführungsformen wird der Nullstromzustand des Transformators geschaffen, indem ebenfalls eine diagonale phasenverschobene Schaltung der sekundären Brücke implementiert wird, so dass ein nacheilendes Element der sekundären Leistungselemente der sekundären Brücke, das dem vorauseilenden Element der sekundären Brücke diagonal gegenüberliegt, in einem zweiten Zeitintervall nach dem Abschalten des vorauseilenden sekundären Brückenelementes ausgeschaltet wird.
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In Ausführungsformen kann die wenigstens eine Steuereinheit eingerichtet sein, um das erste Zeitintervall als Funktion wenigstens der Brückenphasenverschiebungsverzögerung, einer DC-Spannung der primären Brücke, einer DC-Spannung der sekundären Brücke und einer bestimmten Dauer des Nullstromzustands zu bestimmen. Die wenigstens eine Steuereinheit kann eingerichtet sein, um das zweite Zeitintervall als Funktion von wenigstens der Brückenphasenverschiebungsverzögerung, dem ersten Zeitintervall, einer DC-Spannung der primären Brücke, einer DC-Spannung der sekundären Brücke und einer bestimmten Dauer des Nullstromzustands zu bestimmen.
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Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters wenigstens entweder ein diagonal phasenverschobenes Schalten wenigstens zweier diagonal gegenüberliegender primärer Leistungselemente innerhalb einer primären Brücke und/oder ein diagonal phasenverschobenes Schalten wenigstens zweier diagonal gegenüberliegender sekundärer Leistungselemente innerhalb einer sekundären Brücke des Stromrichters, und es enthält ferner ein brückenphasenverschobenes Schalten wenigstens eines sekundären Leistungselementes relativ zu einem homologen primären Leistungselement.
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Das diagonal phasenverschobene Schalten kann ein Schalten eines nacheilenden Elementes der primären Brücke in einem ersten Zeitintervall nach einem Schalten eines diagonal gegenüberliegenden vorauseilenden Elementes der primären Brücke umfassen, wobei das erste Zeitintervall derart gewählt ist, dass wenigstens das nacheilende Element in einem Nullstromzustand ausgeschaltet wird. Z. B. kann das erste Zeitintervall als Funktion von wenigstens der Brückenphasenverschiebungsverzögerung, einer DC-Spannung der primären Brücke, einer DC-Spannung der sekundären Brücke und einer bestimmten Dauer des Nullstromzustands bestimmt werden.
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Das brückenphasenverschobene Schalten kann ein Einschalten eines vorauseilenden Elementes der sekundären Brücke nach einer Verzögerung umfassen, die auf ein Einschalten oder Ausschalten eines homologen vorauseilenden Elementes der primären Brücke folgt, wobei die Verzögerung auf der Basis einer gewünschten Ausgangsspannung des Stromrichters bestimmt wird.
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In manchen Aspekten wird ein Nullstromzustand des Transformators geschaffen, indem ebenfalls ein diagonal phasenverschobenes Schalten der sekundären Brücke implementiert wird, so dass ein nacheilendes sekundäres Brückenelement diagonal zu dem vorauseilenden sekundären Brückenelement in einem zweiten Zeitintervall nach dem Abschalten des vorauseilenden sekundären Brückenelementes ausgeschaltet wird. Z. B. wird das zweite Zeitintervall als Funktion von wenigstens der Brückenphasenverschiebungsverzögerung, des ersten Zeitintervalls, einer DC-Spannung der primären Brücke, einer DC-Spannung der sekundären Brücke und einer bestimmten Dauer des Nullstromzustands bestimmt.
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Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung wird ein Stromrichter durch phasenverschobenes Schalten primärer Leistungselemente in einer primären Brücke des Stromrichters und durch phasenverschobenes Schalten sekundärer Leistungselemente in einer sekundären Brücke des Stromrichters gesteuert, so dass ein oder mehrere der primären und sekundären Leistungselemente unter Nullstrombedingungen ausgeschaltet und unter Nullspannungsbedingungen eingeschaltet werden. In manchen Aspekten enthält das phasenverschobene Schalten ein brückenphasenverschobenes Schalten, so dass ein vorauseilendes sekundäres Leistungselement nach einer auf das Schalten eines homologen vorauseilenden primären Leistungselementes folgenden Verzögerung geschaltet wird.
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In einigen Aspekten enthält das phasenverschobene Schalten ein diagonal phasenverschobenes Schalten, so dass wenigstens eines von dem vorauseilenden sekundären Leistungselement, dem homologen vorauseilenden primären Leistungselement oder einem anderen vorauseilenden Leistungselement in wenigstens einer von der primären und sekundären Brücke in einem Zeitintervall geschaltet wird, bevor ein diagonal gegenüberliegendes nacheilendes Leistungselement in der gleichen von der primären und sekundären Brücke geschaltet wird. Z. B. kann das diagonal phasenverschobene Schalten in der primären Brücke erfolgen, und das Zeitintervall kann ein erstes Zeitintervall sein, das als Funktion von wenigstens der Brückenphasenverschiebungsverzögerung, einer DC-Spannung der primären Brücke, einer DC-Spannung der sekundären Brücke und einer bestimmten Dauer des Nullstromzustands bestimmt wird. Als weiteres Beispiel kann das diagonal phasenverschobene Schalten in der sekundären Brücke erfolgen, und das Zeitintervall kann ein zweites Zeitintervall sein, das als Funktion von wenigstens der Brückenphasenverschiebungsverzögerung, des ersten Zeitintervalls, einer DC-Spannung der primären Brücke, einer DC-Spannung der sekundären Brücke und einer bestimmten Dauer des Nullstromzustands bestimmt wird.
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In einigen Aspekten des brückenphasenverschobenen Schaltens kann die Verzögerung auf der Basis einer Ausgangsspannung aus dem Stromrichter ausgewählt sein. In einigen Aspekten der phasenverschobenen Schaltung wird die Schaltung basierend wenigstens zum Teil auf einer Bedienereingabe in die Steuereinheit angepasst.
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Somit ist es durch Einstellen der Zeitintervalle der diagonalen Phasenverschiebung möglich, einen Stromrichter, wie den in 1 veranschaulichten beispielhaften Stromrichter, zu betreiben, während lediglich zwei Leistungselemente in der primären Brücke und zwei Leistungselemente in der sekundären Brücke bei Nicht-Nullstrom geschaltet werden. Außerdem ist es möglich, eine nahezu konstante Ausgangsspannung zu liefern, während die sekundären Leistungselemente nur unter Nullstrom- oder Nahezu-Nullstrom-Bedingungen leiten. Somit kann durch Reduktion von Wärmebelastungen an den einzelnen Stromelementen die Dauerhaltbarkeit eines Stromrichters verbessert werden.
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Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Steuereinheit für einen bidirektionalen H-Brückenstromrichter. Die Steuereinheit ist eingerichtet, um mit dem Stromrichter betriebsmäßig verbunden zu sein und um mehrere Ausgangssteuersignale zu erzeugen, um: (i) diagonal gegenüberliegende primäre Leistungselemente einer primären Brücke des Stromrichters und diagonal gegenüberliegende sekundäre Leistungselemente einer sekundären Brücke des Stromrichters phasenverschoben zu schalten, so dass eine Brückenphasenverschiebung zwischen der primären und der sekundären Brücke vorhanden ist und dass diagonale Phasenverschiebungen innerhalb der primären Brücke und der sekundären Brücke vorhanden sind. Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, um die diagonalen Phasenverschiebungen innerhalb der primären und der sekundären Brücke basierend auf wenigstens der Brückenphasenverschiebung zu steuern.
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In Ausführungsformen sind ein erstes und ein zweites Leistungselement 101, 104 diagonal gegenüberliegend, wenn sie sich in unterschiedlichen Zweigen (z. B. einem ersten Zweig, der die Leistungselemente 101, 102 aufweist, und einem zweiten Zweig, der die Leistungselemente 103, 104 aufweist) eines gemeinsamen Stromrichters befinden (z. B. ist jeder Zweig mit der gleichen Energiequelle verbunden und treibt wenigstens in einigen Modi eine gemeinsame Last an) und mit unterschiedlichen Schienen (Vdc+ oder Vdc–) einer gemeinsamen Energiequelle verbunden sind.
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Es sollte verstanden werden, dass die vorstehende Beschreibung dazu vorgesehen ist, veranschaulichend und nicht beschränkend zu sein. Z. B. können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (und/oder Aspekte von diesen) in Kombination miteinander verwendet werden. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Während die Abmessungen und Materialarten, wie sie hierin beschrieben sind, dazu bestimmt sind, die Parameter der Erfindung zu definieren, sind sie keineswegs beschränkend, und sie stellen beispielhafte Ausführungsformen dar. Viele weitere Ausführungsformen erschließen sich Fachleuten auf dem Gebiet bei einer Durchsicht der vorstehenden Beschreibung. Der Umfang der Erfindung sollte folglich unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gemeinsam mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen derartige Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden. In den beigefügten Ansprüchen werden die Ausdrücke „enthalten” und „in der/dem/denen” als die sprachlichen Äquivalente zu den jeweiligen Ausdrücken „aufweisen” und „worin” verwendet. Außerdem werden in den folgenden Ansprüchen Ausdrücke wie beispielsweise „erste”, „zweite”, „dritte”, „obere”, „untere”, „Unterseite”, „Oberseite” etc. lediglich als Bezeichnungen verwendet, und sie sind keinesfalls dazu bestimmt, ihren Objekten nummerische oder positionsbezogene Anforderungen aufzuerlegen. Ferner sind die Merkmale der folgenden Ansprüche nicht in dem Format Mittel-plus-Funktion geschrieben, und sie sollen nicht auf der Basis von 35 U.S.C 122, sechster Absatz, interpretiert werden, sofern und bis nicht derartige Anspruchsmerkmale die Formulierung „Mittel zum”, gefolgt von einer Angabe der Funktion ohne eine weitere Struktur verwenden.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zu offenbaren, wozu die beste Ausführungsart gehört, und auch um einen Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Ausführungsformen der Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die einem Fachmann auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
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Wie hierin verwendet, sollte ein Element oder Schritt, das bzw. der in der Einzahl angegeben ist und dem das Wort „ein” oder „eine” vorangestellt ist, derart verstanden werden, dass es eine Mehrzahl der Elemente oder Schritte nicht ausschließt, sofern ein derartiger Ausschluss nicht explizit angegeben ist. Ferner sollen Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht derart interpretiert werden, als würden sie die Existenz weiterer Ausführungsformen ausschließen, die ebenfalls die angegebenen Merkmale umfassen. Darüber hinaus können, sofern nicht explizit das Gegenteil angegeben ist, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen”, „enthalten” oder „haben”, zusätzlich derartige Elemente enthalten, die diese Eigenschaft nicht aufweisen.
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Da bestimmte Änderungen an dem obigen Stromrichter und Verfahren vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen und Umfang der hierin umfassten Erfindung abzuweichen, besteht die Absicht, dass der gesamte Gegenstand der vorstehenden Beschreibung, oder wie er in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, lediglich als Beispiele, die das erfindungsgemäße Konzept hierin veranschaulichen, interpretiert werden soll und nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden soll.
