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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pulsweitenmodulations-(PWM)Steuerung, die eingerichtet ist, um Stromanschlüsse oder Signalleitungen gegen Kurzschlüsse zu schützen, die in einer Motorsteuerung auftreten können, ohne dass ein gesondertes Element dazu erforderlich ist, wodurch der Preis der Motorsteuerung verringert und die Zuverlässigkeit der Motorsteuerung verbessert wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Motorsteuerungen, die gegenwärtig für den Gebläsemotor oder dergleichen eines Fahrzeugs verwendet werden, sind vom Typ einer linearen Steuerung und führen typischerweise eine Steuerung unter Verwendung eines einzelnen Feldeffekttransistors (FET) mit großer Kapazität durch. Da diese Motorsteuerungen einen FET mit großer Kapazität aufweisen, sind sie derart ausgelegt, so dass, selbst wenn ein Kurzschluss in der Stromleitung und der Signalleitung einer FET-Steuerung auftritt, der FET nicht unterbrochen wird und das interne Temperaturelement hiervon jedoch unterbrochen wird.
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Da ferner diese Motorsteuerungen nur einen einzelnen FET verwenden, weisen sie einen vereinfachten Aufbau auf und werden auf einfache Weise gesteuert. Allerdings erhöht sich die Verlustleistung in diesen Motorsteuerungen. Wenn die Verlustleistung zunimmt, nimmt die Kraftstoffeffizienz während des Betriebs von z. B. einer Klimaanlage ab. Demzufolge wurde eine Forschung in Hinblick auf ein Objekt durchgeführt, das dazu in der Lage ist, um unter Verwendung eines Pulsweitenmodulations-(PWM)Steuerschemas die Verlustleistung zu verringern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Wenn ein PWM-Steuerschema verwendet wird, steigt jedoch in einer Motorsteuerung der Preis der gesamten Steuerung an, weil eine Kurzschluss-Schutzfunktion unter Verwendung eines FET, der eine geeignete Kapazität aufweist, und einer Logik anstatt eines FET mit großer Kapazität zum Einsatz kommen muss. 2 zeigt einen Graph, der den durch eine PWM-Steuerung fließenden Strom darstellt und 3 zeigt einen Schaltplan, der eine herkömmliche PWM-Steuerung darstellt. Unter Bezugnahme auf 2 kann der Strom einen Normalzustand, einen Überstrom-Zustand und einen Kurzschluss-Zustand aufweisen. Wie aus dem Graph ersichtlich ist, hat der Strom der PMW-Steuerung die Tendenz, sich abhängig von dem Tastverhältnis zu erhöhen. Wie in 3 gezeigt, wenn beide Anschlüsse eines Motors aufgrund eines Arbeitsfehlers oder dergleichen kurzgeschlossen werden, fließt ein Überstrom dort hindurch und dann kann ein niederspannungsseitiger FET L durchbrennen, wenn der niederspannungsseitige FET L eingeschaltet wird. Daher muss, wenn durch einen Stromsensor bestimmt wird, dass ein Überstrom dort hindurch fließt, der niederspannungsseitige FET L während der Zeitdauer, in der der niederspannungsseitige FET L den Überstrom aushalten kann, zwangsweise ausgeschaltet werden. Typischerweise beträgt diese Zeit mehrere zehn Mikrosekunden oder weniger. Demzufolge wird ein Verfahren zum stabilen Implementieren von solch einer Überstromschutzschaltung bei geringen Kosten benötigt.
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Das Vorhergehende wird lediglich dazu vorgesehen, um ein besseres Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung zu unterstützen und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Bereichs des Standes der Technik fällt, der einen Fachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der obigen Probleme gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pulsweitenmodulations-(PWM)Steuerung bereitzustellen, die eine Implementierung einer Funktion zum Schützen von Stromanschlüssen oder Signalleitungen gegen Kurzschlüsse ermöglicht, die in einer Motorsteuerung auftreten können, ohne dass ein separates Element dazu erforderlich ist, wodurch der Preis der Motorsteuerung verringert und die Zuverlässigkeit der Motorsteuerung in dem Prozess verbessert wird.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Pulsweitenmodulations-(PWM)Steuerung bereit, die eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (FETs) und einen FET-Treiber; einen Komparator, der eingerichtet ist, um einen durch die FETs fließenden Strom mit einem Überstrom-Referenzwert zu vergleichen; und einen Mikrocomputer umfasst, der eingerichtet ist, um eine Funktion zum Steuern eines Motors und eine Schaltungsschutzfunktion durchzuführen, und um den FET-Treiber auszuschalten, wenn der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert als Ergebnis eines Vergleichs durch den Komparator ist.
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Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine weitere Pulsweitenmodulations-(PWM)Steuerung bereit, umfassend eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (FETs) und einen FET-Treiber; einen Komparator, der eingerichtet ist, um einen durch die FETs fließenden Strom mit einem Überstrom-Referenzwert zu vergleichen; einen Mikrocomputer, der eingerichtet ist, um einen Motor und eine Schaltungsschutzfunktion zu steuern; und einen Schalter, der eingerichtet ist, um eine Verbindung zwischen dem Mikrocomputer und dem FET-Treiber zu trennen, wenn der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert als Ergebnis eines Vergleichs durch den Komparator ist.
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Vorzugsweise wird der Überstrom-Referenzwert für den Komparator auf der Grundlage eines FET mit einer größten Kapazität eingestellt. Der Komparator kann bestimmen, dass der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist, wenn beide Anschlüsse des Motors kurzgeschlossen sind. Alternativ kann der Komparator bestimmen, dass der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist, wenn ein negativer Anschluss des Motors und ein Vorspannungsanschluss einer Batterie kurzgeschlossen sind.
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Vorzugsweise kann die Mehrzahl von FETs einen niederspannungsseitigen FET (Low-Side-FET) und einen hochspannungsseitigen FET (High-Side-FET) umfassen und der Überstrom-Referenzwert für den Komparator kann auf der Grundlage einer Kapazität des Low-Side-FET eingestellt werden. In diesem Fall kann der Komparator bestimmen, dass der durch den Low-Side-FET fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist, wenn beide Anschlüsse des Motors kurzgeschlossen sind. Der Komparator kann ebenfalls bestimmen, dass der durch den Low-Side-FET fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist, wenn ein negativer Anschluss des Motors und ein Vorspannungsanschluss einer Batterie kurzgeschlossen sind.
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Die oberhalb beschriebene PWM-Steuerung ermöglicht einen Schutz von Stromanschlüssen oder Signalleitungen gegen ein Kurzschließen, das in einer Motorsteuerung auftreten kann, ohne dass ein separates Element dafür erforderlich ist, wodurch der Preis der Motorsteuerung verringert und die Zuverlässigkeit der Motorsteuerung verbessert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, wobei:
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1 zeigt ein Schaltbild, das eine PWM-Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 zeigt einen Graph, der den durch die PWM-Steuerung fließenden Strom darstellt; und
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3 zeigt ein Schaltbild, das eine herkömmliche PWM-Steuerung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird eine PWM-Steuerung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, alle Hybrid-Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie zum Beispiel Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge des Serien- und Parallel-Typs, semi-elektrische Fahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
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Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
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1 zeigt ein Schaltbild, das eine PWM-Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die PWM-Steuerung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (FETs) und einen FET-Treiber 500, einen Komparator 400 und einen Mikrocomputer 200. Der Komparator 400 vergleicht einen durch die FETs fließenden Strom mit einem Überstrom-Referenzwert. Der Mikrocomputer 200 steuert einen Motor M und eine Schaltungsschutzfunktion, und schaltet den FET-Treiber 500 aus, wenn der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert als Ergebnis des Vergleichs durch den Komparator 400 ist.
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Im Allgemeinen ist in dem Fall eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET) ein Diodenbauteil baulich in einer Richtung von einer Source zu einem Drain vorhanden, wenn der MOS-FET mit einer hohen Frequenz betrieben wird. Demzufolge kann, wenn ein Schaltelement als ein MOS-FET implementiert wird, eine Diode, die typischerweise benötigt wird, um an dem Schaltelement parallel angeschlossen zu werden, weggelassen werden, womit der Aufbau der Schaltung vereinfacht wird. Ferner werden, wenn ein FET eingeschaltet wird, der Drain (Last) und die Source davon elektrisch miteinander verbunden, so dass ein Strom bidirektional fließen kann. Wenn jedoch der FET ausgeschaltet wird, kann der Strom nicht von dem Drain zur Source fließen. Der Strom kann jedoch durch eine parasitäre Diode von der Source zu dem Drain fließen.
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Die vorliegende Erfindung kann bei dem MOS-FET verwendet werden und ist dazu vorgesehen, um zu verhindern, dass das Abschalten einer Schaltung auftritt, wenn, wie in der Schaltung, die in den Zeichnungen dargestellt ist, ein Kurzschluss (Fall A) zwischen beiden Anschlüssen M+ und M– des Motors M auftritt und ein Kurzschluss (Fall B) zwischen dem negativen Anschluss M– des Motors M und dem Vorspannungsanschluss VS einer Batterie auftritt.
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Herkömmlich wird typischerweise ein separater FET mit hoher Kapazität bereitgestellt und wird verwendet, um eine Schutzschaltung zu implementieren. Jedoch wird in der vorliegenden Erfindung der Komparator 400 zum Vergleichen des durch die FETs fließenden Stroms mit dem Überstrom-Referenzwert stattdessen eingestellt und der Mikrocomputer 200 steuert den Motor M und die Schaltungsschutzfunktion. In diesem Fall wird ein Vor-FET-Treiber eingestellt, um den FET-Treiber 500 auszuschalten, wenn der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert als Ergebnis des Vergleichs durch den Komparator 400 ist, wodurch eine Schutzfunktion durchgeführt wird.
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Wie in 2 gezeigt, hat jeder FET eine Tendenz, dass ein Strom ansteigt, da das Tastverhältnis des FET ansteigt, und der einem vorbestimmten Level entsprechende Strom weist einen Schwellenwert als einen Überstrom auf. Demzufolge kann, wenn unter Verwendung der Nenndaten des FET solch ein Überstrom anfänglich erfasst wird und ein Signal unterbrochen wird, die Schaltung geschützt werden, wenn Kurzschlüsse entsprechend dem dargestellten Fall auftreten.
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Im Detail kann wie in 1 gezeigt die Mehrzahl von FETs gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Low-Side-FET L und einem High-Side-FET H gebildet werden, und der Motor M kann in Erwiderung auf die EIN-/Aus-Betätigungen des Low-Side-FET L betrieben werden. Da ferner ein Strom durch einen Shunt-Widerstand nur dann fließt, wenn der Low-Side-FET L eingeschaltet ist, fließt der Strom zu dieser Zeit in den Komparator 400. Unterdessen stellt der High-Side-FET H eine FET-Funktion dar, um einen Durchgang zu bilden, durch welchen Energie in den Motor M fließt, wenn der Low-Side-FET L ausgeschaltet wird (das heißt, während einem Intervall, in dem kein Strom in den Motor M eingespeist wird, um die Drehzahl des Motors M zu regeln). In manchen Fällen kann der High-Side-FET H als eine Diode aus Gründen der Kostenreduzierung, einer Vereinfachung der Regelung etc. implementiert werden. Sofern dieser Durchgang gebildet wird, kann eine hohe Sperrspannung in dem Motor M induziert werden und dann kann der Low-Side-FET L unterbrochen werden, wenn der Low-Side-FET L ausgeschaltet wird. Demzufolge kann der Überstrom-Referenzwert für den Komparator 400 auf der Grundlage der Kapazität des Low-Side-FET L eingestellt werden.
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Wenn beide Anschlüsse M+ und M– des Motors M kurzgeschlossen werden, bestimmt der Komparator 400, dass ein durch den Low-Side-FET L fließender Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist. Alternativ, wenn der negative Anschluss M– des Motors M und der Vorspannungsanschluss VS der Batterie kurzgeschlossen werden, bestimmt der Komparator 400 ebenfalls, dass der durch den Low-Side-FET L fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist.
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Die oberhalb beschriebenen Funktionen können ebenfalls durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Eine PWM-Steuerung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von FETs und einen FET-Treiber 500, einen Komparator 400, einen Mikrocomputer 200 und einen Schalter 300. Der Komparator 400 vergleicht einen durch die FETs fließenden Strom mit einem Überstrom-Referenzwert. Der Mikrocomputer 200 führt eine Motor-Steuerungsfunktion und eine Schaltungsschutzfunktion durch. Am Ende trennt der Schalter 300 eine Verbindung zwischen dem Mikrocomputer und dem FET-Treiber, wenn der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert als Ergebnis des Vergleichs durch den Komparator ist.
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In diesem Fall ist der Schalter 300 eingerichtet, um die Verbindung zwischen dem Mikrocomputer und dem FET-Treiber zu trennen, wenn der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert als Ergebnis des Vergleichs durch den Komparator ist, womit die Schaltung durch Abtrennen des Mikrocomputers von dem FET-Treiber geschützt wird.
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Ferner kann die PWM-Steuerung der vorliegenden Erfindung den Überstrom-Referenzwert für den Komparator 400 auf der Grundlage basierend darauf einstellen, welcher FET die größte Kapazität aufweist, womit ermöglicht wird, dass die Schutzfunktion stabiler und konservativer implementiert wird.
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Darüber hinaus kann der Komparator 400 ermöglichen, dass ein separater FET mit hoher Kapazität weggelassen werden kann, indem bestimmt wird, dass der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist, wenn beide Anschlüsse M+ und M– des Motors M kurzgeschlossen werden, oder indem bestimmt wird, dass der durch die FETs fließende Strom größer als der Überstrom-Referenzwert ist, wenn der negative Anschluss M- des Motors M und der Vorspannungsanschluss VS der Batterie kurzgeschlossen werden.
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Unterdessen kann die PWM-Steuerung der vorliegenden Erfindung im Übrigen selbst dann eine Schutzfunktion implementieren, wenn eines der folgenden Kurzschluss-Ereignisse auftritt:
- (1) Ein PWM/Diagnose Kurzschluss: ein PWM/Diagnose-Kurzschluss tritt auf, wenn ein PWM-Signal von einer Hauptsteuerung als eine Diagnosesignal in die Hauptsteuerung eingegeben wird, so dass die Hauptsteuerung bestimmen kann, dass eine PWM-Signalleitung kurzgeschlossen worden ist.
- (2) Ein PWM/Vbatt(VS) Kurzschluss: wenn eine PWM-Signalleitung und einen Vbatt-Leitung kurzgeschlossen werden, weist der Eingang der PWM-Steuerung immer ein Tastverhältnis von 0% auf. In diesem Fall, da das Tastverhältnis immer 0% beträgt, wird die PWM-Steuerung nicht beschädigt, und es kann erfasst werden, dass eine Abnormalität in dem Motor aufgetreten ist.
- (3) Ein PWM/GND Kurzschluss: in diesem Fall weist der Eingang der PWM-Steuerung immer ein Tastverhältnis von 100% auf, die PWM-Steuerung wird nicht beschädigt und der Motor läuft immer bei der höchsten Drehzahl, und somit kann es erfasst werden, dass eine Abnormalität in dem Motor aufgetreten ist.
- (4) Ein PWM/M+ Kurzschluss: dieser Fall ist mit dem des PWM/Vbatt Kurzschlusses identisch.
- (5) Ein Diagnose/Vbatt Kurzschluss: in diesem Fall weist ein Diagnose-Signal ein Tastverhältnis von 0% auf. Wenn die Schutzfunktion der PWM-Steuerung, so wie ein Schutz gegen Überspannung, Überstrom, niedrige Spannung oder hohe Temperatur, betrieben wird, kann die Hauptsteuerung kein Diagnose-Signal empfangen und somit kann die Hauptsteuerung nicht bestimmen, ob die PWM-Steuerung defekt ist. Da jedoch der Motor aufgrund des Betriebs der Schutzfunktion der PWM-Steuerung nicht läuft, kann erfasst werden, ob eine Abnormalität aufgetreten ist. Infolgedessen tritt keine Beschädigung in der PWM-Steuerung auf.
- (6) Ein Diagnose/GND Kurzschluss: in diesem Fall, da ein Diagnose-Signal immer ein Tastverhältnis von 100% aufweist (low), kann die Hauptsteuerung erfassen, ob eine Abnormalität aufgetreten ist, und dann die PWM-Steuerung demzufolge stoppen.
- (7) Ein Diagnose/M+ Kurzschluss: dieser Fall ist mit dem des Diagnose/Vbatt Kurzschlusses identisch.
- (8) Ein Diagnose/M– Kurzschluss: in diesem Fall ist der Spannungspegel des M-Anschlusses das Inverse eines PWM-Eingangssignals. Wenn die Spannung des M-Anschlusses als ein Diagnose-Signal in die Hauptsteuerung eingegeben wird, kann die Hauptsteuerung bestimmen, dass eine Abnormalität in der PWM-Steuerung aufgetreten ist. In diesem Fall wird die PWM-Steuerung nicht beschädigt und es kann bestimmt werden, ob eine Abnormalität in dem Motor aufgetreten ist.
- (9) Ein Vbatt/GND Kurzschluss: in diesem Fall wird die PWM-Steuerung nicht beschädigt, aber aufgrund des Kurzschlusses, der an dem Stromanschluss auftrat, schmilzt eine Sicherung.
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Daher schützt/schützen die oberhalb beschriebene(n) PWM-Steuerung(en) mit dem oberhalb beschriebenen Aufbau die Stromanschlüsse oder Signalleitungen gegen das Kurzschließen, das in einer Motorsteuerung auftreten kann, ohne dass ein separates Element dafür erforderlich ist, wodurch der Preis der Motorsteuerung verringert und die Zuverlässigkeit der Motorsteuerung verbessert wird.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedenste Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und dem Geist der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
