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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Übertragen eines Steuersignals von einem Eingang der Schaltungsanordnung an ein Funktionselement der Schaltungsanordnung, umfassend eine erste Versorgungsleitung für ein erstes Potential, eine zweite Versorgungsleitung für ein vom ersten Potential unterschiedliches zweites Potential, eine Schaltleitung, die wechselweise mit der ersten Versorgungsleitung und der zweiten Versorgungsleitung verbindbar ist, wobei das Funktionselement einen Steuereingang und eine Kapazität zwischen dem Steuereingang und der Schaltleitung aufweist.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Stromrichter und ein Fahrzeug.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind beispielsweise bei Gatetreibern für Stromrichter bekannt, wobei ein Gate eines Leistungshalbleiterschaltelements des Stromrichters mit der Schaltleitung der Schaltungsanordnung verbunden ist. Um unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten des Leistungshalbleiterschaltelements zu ermöglichen, ist parallel zu einem Gatevorwiderstand in der Schaltleitung eine Reihenschaltung aus einem Funktionselement in Form eines eine Gate-Source-Kapazität aufweisenden MOSFET und einem weiteren Widerstand geschaltet. Beim Aktivieren des Funktionselements in Abhängigkeit eines Steuersignals ergeben der Gatevorwiderstand und der weitere Widerstand einen niedrigeren Gesamtwiderstand, was die Schaltgeschwindigkeit des Leistungshalbleiterschaltelements gegenüber einem deaktivierten Schaltzustand des Funktionselements, in dem nur der Gatevorwiderstand wirksam ist, erhöht.
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Da die Schaltleitung wechselweise mit dem ersten und dem zweiten Potential verbunden ist und auch ein Sourceanschluss des MOSFET bzw. des Funktionselements auf diesem wechselnden Potential liegt, ist herkömmlicherweise eine zusätzliche Spannungsquelle vorgesehen, die eine für beide Potentiale ausreichend hohe Schaltspannungen für ein Aktivieren und Deaktivieren des Funktionselements unabhängig vom Potential der Schaltleitung am Steuereingang bereitstellt und in Abhängigkeit des Steuersignals auf den Steuereingang geschaltet wird. Die zusätzliche Spannungsquelle verursacht jedoch einen hohen Schaltungs- und Bauteilaufwand bei einer solchen Schaltungsanordnung.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine aufwandsärmere Möglichkeit zum Steuern eines Funktionselements auf einer Schaltleitung mit wechselnden Potentialen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, welche dazu eingerichtet ist,
- - die Kapazität bei Vorliegen eines ersten Signalzustands des Steuersignals über die erste Versorgungsleitung mittels eines Ladestromflusses auf eine Zielspannung aufzuladen, wenn die Schaltleitung auf dem zweiten Potential liegt, und einen dem Ladestromfluss entgegengesetzten Entladestromfluss aus der Kapazität zu einer der Versorgungsleitungen zu begrenzen, wenn die Schaltleitung auf dem ersten Potential liegt, um eine über der Kapazität abfallende Spannung außerhalb eines durch einen ersten Spannungsschwellwert und einen zweiten Spannungsschwellwert für Funktionen des Funktionselements begrenzten Spannungsintervalls jenseits des ersten Schwellwerts zu halten, und
- - die Kapazität bei Vorliegen eines zweiten Signalzustands des Steuersignals über die zweite Versorgungsleitung mittels eines Ladestromflusses auf eine zur Zielspannung im ersten Signalzustand komplementäre Zielspannung aufzuladen, wenn die Schaltleitung auf dem ersten Potential liegt, und einen dem Ladestromfluss entgegengesetzten Entladestromfluss aus der Kapazität zu einer der Versorgungsleitungen zu begrenzen, wenn die Schaltleitung auf dem zweiten Potential liegt, um die über der Kapazität abfallende Spannung außerhalb des Spannungsintervalls jenseits des zweiten Schwellwerts zu halten.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Kapazität immer dann auf eine der Zielspannungen gemäß dem Signalzustand des Steuersignals aufzuladen, wenn die Schaltleitung auf einem für ein Erreichen der Zielspannung geeigneten der beiden Potentiale liegt. Dies erfolgt beim Vorliegen des ersten Signalzustand über die auf dem ersten Potential liegende erste Versorgungsleitung, wenn die Schaltleitung auf dem zweiten Potential liegt, und beim Vorliegen des zweiten Signalzustands über die auf dem zweiten Potential liegende zweite Versorgungsleitung, wenn die Schaltleitung auf dem ersten Potential liegt. Liegt die Schaltleitung auf dem jeweils anderen Potential erfolgt zumindest eine Begrenzung des Entladestromflusses, so dass die über der Kapazität abfallende Spannung nicht in das Spannungsintervall gelangt. Die Kapazität kann so auf die jeweilige Zielspannung gebracht werden, um am Steuereingang des Funktionselements eine Spannung bereitzustellen, die unabhängig davon, welche Versorgungsleitung mit der Schaltleitung verbunden ist, dem Signalzustand am Eingang wohlunterscheidbar folgen kann.
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Vorteilhafterweise wird so eine Übertragung des eingangsseitigen Steuersignals an das Funktionselement erreicht, ohne eine zusätzliche Spannungsquelle bereitstellen zu müssen. Dies senkt den Schaltungs- und Bauteilaufwand der Schaltungsanordnung im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungsanordnungen und reduziert deren Herstellungskosten.
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Typischerweise ist das erste Potential höher als das zweite Potential. Die Schaltleitung kann mit einer Treibereinheit zum Umschalten der Versorgungsleitungen auf die Schaltleitung verbindbar oder verbunden sein. Das Funktionselement kann dazu eingerichtet sein, die Funktionen in Abhängigkeit der über der Kapazität bzw. zwischen dem Steuereingang und der Schaltleitung abfallenden Spannung durchzuführen. Die Funktionen des Funktionselements können Schaltfunktionen, also ein Einschalten und ein Ausschalten des Funktionselements, sein. Typischerweise ist der erste Spannungsschwellwert höher als der zweite Spannungsschwellwert.
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Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dazu ausgebildet, während des Anliegens eines jeweiligen Signalzustands den Entladestromfluss zu unterdrücken. Es wird mithin während des Vorliegens eines jeweiligen Signalzustands eine besonders stabile Spannung über der Kapazität erreicht. Dadurch können die Zielspannungen besonders stabil oder „sauber“ am Steuereingang des Funktionselements bereitgestellt werden. Dadurch kann die Spannung über Kapazität länger gehalten werden, was insbesondere zweckmäßig ist, wenn ein Betriebszustand vorliegt, in dem ein Potentialwechsel auf der Schaltleitung für längere Zeit - beispielsweise in der Größenordnung von einigen Sekunden - unterbleibt und die Kapazität dementsprechend lange nicht nachgeladen wird. Außerdem ermöglicht dies die Verwendung einfacher Transistoren als Funktionselemente, die nicht speziell auf bei einer bloßen Begrenzung entstehende Spannungshübe an ihrem Steuereingang ausgelegt und daher kostengünstig sind. So können vorteilhafterweise der Bauteilaufwand und die Kosten der Schaltungsanordnung weiter reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird, eine oder mehrere Schalteinrichtung aufweisen. Die oder eine jeweilige Schalteinrichtung kann einen Steueranschluss und eine Schaltstrecke zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss der Schalteinrichtung aufweisen. Typischerweise ist die Schaltstrecke in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Anschluss steuerbar. Die Schalteinrichtung ist beispielsweise durch einen mit geeigneten Widerständen beschalteten Transistor gebildet. Typischerweise sind dabei der erste Anschluss der Schalteinrichtung mit einem Kollektor- oder Drainanschluss des Transistors und/oder der zweite Anschluss der Schalteinrichtung mit einem Emitter- oder Sourceanschluss und/oder der Steueranschluss der Schalteinrichtung mit einem Basis- oder Gateanschluss des Transistors verbunden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann eine Schalteinrichtung aufweisen, die in Abhängigkeit des Steuersignals steuerbar, zwischen der ersten Versorgungsleitung und dem Steuereingang verschaltet und dazu eingerichtet ist, beim Vorliegen des ersten Signalzustands zu leiten, wenn die Schaltleitung auf dem zweiten Potential liegt. Diese - auch als erste Schalteinrichtung zu bezeichnende - Schalteinrichtung kann mithin den Ladestromfluss von der ersten Versorgungsleitung zur Schaltleitung bereitstellen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit der ersten Schalteinrichtung ist diese dazu eingerichtet, während der gesamten Dauer des Vorliegens des zweiten Signalzustands zu sperren. Die erste Schalteinrichtung kann so den Entladestromfluss beim Vorliegen des zweiten Signalzustands unterdrücken. Dazu ist der zweite Anschluss der ersten Schalteinrichtung bevorzugt an die erste Versorgungsleitung angeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann ferner eine Schalteinrichtung aufweisen, die in Abhängigkeit des Steuersignals steuerbar ist, zwischen dem Steuereingang und der zweiten Versorgungsleitung verschaltet ist und dazu eingerichtet ist, beim Vorliegen des zweiten Signalzustands zu leiten, wenn die Schaltleitung auf dem ersten Potential liegt. Diese - auch als zweite Schalteinrichtung zu bezeichnende - Schalteinrichtung kann mithin den Ladestromfluss von der zweiten Versorgungsleitung zur Schaltleitung bereitstellen.
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Dabei ist es, insbesondere bei der besonders bevorzugten ersten Ausführungsform, vorteilhaft, dass die zweite Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, während der gesamten Dauer des Vorliegens des ersten Signalzustands zu sperren. Die zweite Schalteinrichtung kann so den Entladestromfluss bei Vorliegen des ersten Signalzustands unterdrücken. Dazu ist der zweite Anschluss der zweiten Schalteinrichtung bevorzugt an die zweite Versorgungsleitung angeschlossen. Die Transistoren der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung sind bevorzugt von unterschiedlichem Typ, also beispielsweise npn- bzw. pnp-Bipolartransistoren oder n- bzw. p-Kanal-Feldeffekttransistoren.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit einer der Schalteinrichtungen oder beiden Schalteinrichtungen ist die oder eine jeweilige Schalteinrichtung in zusätzlicher Abhängigkeit eines Potentials am Steuereingang des Funktionselements steuerbar. In diesem Fall ist typischerweise der erste Anschluss der oder einer jeweiligen Schalteinrichtung mit der Versorgungsleitung verbunden. Bei der zweiten Ausführungsform reduziert sich der Schaltungsaufwand im Vergleich zur ersten Ausführungsform, wobei die erste Schalteinrichtung bei Vorliegen des zweiten Signalzustands bzw. die zweite Schalteinrichtung bei Vorliegen des ersten Signalzustands allerdings einen geringen Entladestromfluss verursachen. Dies führt im Vergleich zur ersten Ausführungsform zu einer etwas weniger stabilen, außerhalb des Spannungsintervalls liegen Spannung über der Kapazität, die aber je nach Einsatzzweck der Schaltungsanordnung oder der Auslegung des Funktionselements tolerierbar sein kann.
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Es ist ferner zweckmäßig, wenn zwischen einer jeweiligen Schalteinrichtung und dem Steuereingang jeweils eine Diode verschaltet ist, wobei die Dioden entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Diese dienen insbesondere bei der ersten Ausführungsform zur Unterdrückung des Entladestromflusses.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn mit einer jeweiligen Diode ein Widerstand in Reihe geschaltet ist, wobei die Widerstände unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Bei der zweiten Ausführungsform können Stromflüsse zu den jeweiligen Versorgungleitungen durch Wahl der Widerstandswerte unterschiedlich eingestellt werden. Bei der ersten Ausführungsform dienen die Wiederstände hingegen primär der Einstellung einer Zeitkonstante für das Laden der Kapazität.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann ferner vorgesehen sein, dass sie ein oder zwei eingangsseitige Schaltelemente aufweist, wobei das oder ein jeweiliges Schaltelement die Versorgungsleitungen über einen Widerstand verbindet. Insbesondere kann ein Steueranschluss des oder eines jeweiligen Schaltelements den Eingang bilden. Insbesondere im Hinblick auf die erste und zweite Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Steueranschluss der oder einer jeweiligen Schalteinrichtung zwischen dem oder einem Schaltelement und dem Widerstand angeschlossen ist.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist sie eine Widerstandseinheit auf, die das Schaltelement und den Steuereingang miteinander verbindet. Die dritte Ausführungsform kommt insbesondere ohne Schalteinrichtungen aus und ist folglich besonders einfach zu realisieren. Wie die zweite Ausführungsform weist sie aber auch eine im Vergleich zur ersten Ausführungsform geringere Spannungsstabilität auf.
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Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn ein Widerstandswert der Widerstandseinheit von einer Stromrichtung durch die Widerstandseinheit abhängig ist. Auch hier können Stromflüsse zu den jeweiligen Versorgungleitungen durch Wahl der Widerstandswerte unterschiedlich eingestellt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist das Funktionselement bevorzugt ein elektronisch gesteuerter Schalter, insbesondere ein Feldeffekttransistor. Die Kapazität ist dann durch die Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistors realisiert.
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Die Schaltungsanordnung kann ferner einen Widerstand in der Schaltleitung aufweisen, wobei der elektronisch gesteuerte Schalter mit einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet ist, um beide Widerstände in Abhängigkeit des Steuersignals parallel zu schalten. Durch die Schaltungsanordnung kann folglich der Gesamtwiderstand in der Schaltleitung auch bei wechselnden Potentialen auf der Schaltleitung in Abhängigkeit des Steuersignals variiert werden.
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Zweckmäßigerweise ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ferner vorgesehen, dass sie einen parallel zur Kapazität geschalteten Kondensator aufweist. Die Kapazität des Kondensators addiert sich mithin zur Kapazität des Funktionselements.
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Außerdem kann die Schaltungsanordnung eine parallel zur Kapazität des Funktionselements geschaltete, insbesondere aus zwei gegengerichtet in Reihe geschalteten Zener-Dioden gebildete, Spannungsbegrenzungseinheit umfassen. Die Zielspannungen können so an eine zulässige Maximalspannung und/oder Minimalspannung am Steuereingang der Funktionseinheit angepasst werden.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Stromrichter umfassend wenigstens zwei Halbbrücken, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Leistungsschaltelemente aufweisen, eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, eine Treibereinheit, die dazu eingerichtet ist, über die Schaltleitung einen Steueranschluss eines der Leistungsschaltelemente anzusteuern, und eine Spannungsversorgungseinheit, die zum gemeinsamen Versorgen der Treibereinheit und der Schaltungsanordnung über deren erste Versorgungsleitung und zweite Versorgungsleitung eingerichtet ist.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug, umfassend einen Elektromotor, welcher zum Antreiben des Fahrzeugs eingerichtet ist, und einen erfindungsgemäßen Stromrichter zum Versorgen des Elektromotors.
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Alle Ausführungen zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen sich analog auf den erfindungsgemäßen Stromrichter und das erfindungsgemäße Fahrzeug übertragen, so dass die vorgenannten Vorteile auch mit diesen erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
- 2 ein Diagramm mit Spannungsverläufen über die Zeit während des Betriebs der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung;
- 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä-ßen Schaltungsanordnung;
- 4 ein Diagramm mit Spannungsverläufen über die Zeit während des Betriebs der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung;
- 5 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
- 6 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromrichters.
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1 ist ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 1, die über einen Eingang 2 ein Steuersignal 3 erhält. Die Schaltungsanordnung 1 ist exemplarisch über weitere Eingänge 4, 5 mit einer Spannungsversorgungseinheit 2a, über einen Eingang 6 mit einer Treibereinheit 6a und über einen Ausgang 7 mit einem Steueranschluss 8 eines Leistungsschaltelements 9 in Form eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT) verbunden.
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Die Spannungsversorgungseinheit 2a weist eine erste Spannungsquelle 10, die eine Spannung zum Einschalten des Leistungsschaltelements 9 von beispielsweise +15 Volt gegenüber einem Potential 11, das einem Potential an einem Referenzanschluss 8a (hier dem Emitteranschluss) des Leistungsschaltelements 9 entspricht, bereitstellt, und eine zweite Spannungsquelle 12, die eine Spannung zum Ausschalten des Leistungsschaltelements 9 von beispielsweise -8 Volt bereitstellt, auf. Die Treibereinheit 6a ist ebenfalls mit den Spannungsquellen 10, 12 verbunden und dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines getakteten Signals 14 wechselweise die Spannung der ersten Spannungsquelle 10 oder die Spannung der zweiten Spannungsquelle 12 am Eingang 6 der Schaltungsanordnung bereitzustellen.
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Die Schaltungsanordnung 1 umfasst eine erste Versorgungsleitung 15 für ein erstes Potential, welches über den Eingang 4 von der ersten Spannungsquelle 10 bereitgestellt wird, und eine zweite Versorgungsleitung 16 für ein zweites Potential, welches über den Eingang 5 von der zweiten Spannungsquelle 12 bereitgestellt wird. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 1 eine Schaltleitung 17, welche wechselweise mit der ersten Versorgungsleitung 15 und der zweiten Versorgungsleitung 16 verbindbar ist, was vorliegend mittels der Treibereinheit 6a erfolgt. Die Schaltleitung 17 weist mithin ein gegenüber dem Potential 11 bzw. den Versorgungsleitungen 15, 16 in Abhängigkeit des getakteten Signals 14 wechselndes Potential auf.
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Daneben umfasst die Schaltungsanordnung 1 ein Funktionselement 18 mit einem Steuereingang 19 und einer Kapazität 20 zwischen dem Steuereingang 19 und der Schaltleitung 17 auf. Das Funktionselement 18 führt Funktionen in Abhängigkeit der über der Kapazität 20 abfallenden Spannung durch. Um diese Funktionen abhängig vom Signalzustand des Steuersignals 3 zu machen, wird der Signalzustand des Steuersignals 3 vom Eingang 2 an das Funktionselement 18 übertragen. Dabei wird eine erste Funktion durchgeführt, wenn die Spannung sicher über einem ersten Schwellwert liegt, und eine zweite Funktion durchgeführt, wenn die Spannung sicher unter dem zweiten Schwellwert liegt. Mithin begrenzen die Schwellwerte ein Spannungsintervall, das die Kapazität 20 - bis auf Durchgänge beim Wechsel zwischen den Funktionen - unabhängig vom mit der Schaltleitung 17 verbundenen Potential und vom Signalzustand des Steuersignals 3 nicht einnehmen soll.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Funktionselement 18 als elektrischer Schalter 21 in Form eines Feldeffekttransistors ausgebildet und dient dazu, einen in der Schaltleitung 17 verschalteten Widerstand 22 in Abhängigkeit des Steuersignals 3 parallel zu einem weiteren mit dem Funktionselement 18 in Reihe geschalteten Widerstand 23 zu schalten, um so einen Gatewiderstand mit einem geringeren Wert als dem Wert des Widerstand 22 für das Ausschalten des Leistungsschaltelement 9 bereitzustellen.
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Zum Übertragen des Steuersignals 3 an das Funktionselement 18 ist die Schaltungsanordnung 1 dazu eingerichtet, die Kapazität 20 bei Vorliegen des ersten Signalzustands des Steuersignals 3 über die erste Versorgungsleitung 15 mittels eines Ladestromflusses auf eine erste Zielspannung aufzuladen, wenn die Schaltleitung 17 auf dem zweiten Potential liegt. Dabei unterdrückt die Schaltungsanordnung 1 einen dem Ladestromfluss entgegengesetzten Entladestromfluss aus der Kapazität 20 zur ersten Versorgungsleitung 15, wenn die Schaltleitung 17 auf dem ersten Potential liegt, um eine über der Kapazität 20 abfallende Spannung außerhalb des Spannungsintervalls jenseits des ersten Schwellwerts zu halten. Analog dazu ist die Schaltungsanordnung 1 auch dazu eingerichtet, die Kapazität 20 bei Vorliegen des zweiten Signalzustands des Steuersignals 3 über die zweite Versorgungsleitung 16 mittels eines Ladestromflusses auf eine zur ersten Zielspannung komplementäre zweite Zielspannung aufzuladen, wenn die Schaltleitung 17 auf dem ersten Potential liegt. Dabei unterdrückt die Schaltungsanordnung 1 einen dem Ladestromfluss entgegengesetzten Entladestromfluss aus der Kapazität 20 zur zweiten Versorgungsleitungen 16, wenn die Schaltleitung 17 auf dem zweiten Potential liegt, um die über der Kapazität 20 abfallende Spannung außerhalb des Spannungsintervalls jenseits des zweiten Schwellwerts zu halten. Das heißt, die Schaltungsanordnung 1 lädt die Kapazität 20 bei einem Wechsel des Signalzustands auf einen so hohen Spannungsbetrag um, dass der Steuereingang 19 der Funktionseinheit 18 im ersten Signalzustand gegenüber der Schaltleitung 17 stets auf einem hohen Potential und im zweiten Signalzustand gegenüber der Schaltleitung 17 stets auf einem niedrigen Potential liegt, unabhängig davon, welche Versorgungsleitung 15, 16 gerade mit der Schaltleitung 17 verbunden ist.
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Die Schaltungsanordnung 1 weist dazu eine erste Schalteinrichtung 24 auf, die in Abhängigkeit des Steuersignals 3 steuerbar und zwischen der ersten Versorgungsleitung 15 und dem Steuereingang 19 verschaltet ist. Die erste Schalteinrichtung 24 ist dazu eingerichtet, beim Vorliegen des ersten Signalzustands zu leiten, um den Ladestromfluss von der ersten Versorgungsleitung 15 zur Kapazität 20 zu ermöglichen. Gleichzeitig ist die erste Schalteinrichtung 24 zum Sperren während der zweite Signalzustand vorliegt eingerichtet.
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Analog dazu weist die Schaltungsanordnung 1 eine zweite Schalteinrichtung 25 auf, die in Abhängigkeit des Steuersignals 3 steuerbar sowie zwischen dem Steuereingang 19 und der zweiten Versorgungsleitung 17 verschaltet ist. Die zweite Schalteinrichtung 25 ist dazu eingerichtet, beim Vorliegen des zweiten Signalzustands zu leiten, um den Ladestromfluss von der Kapazität 20 zur zweiten Versorgungsleitung 17 zu ermöglichen. Gleichzeitig ist die zweite Schalteinrichtung 25 zum Sperren während der erste Signalzustand vorliegt eingerichtet.
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Beide Schalteinrichtungen 24, 25 umfassen jeweils einen Transistor 26 und ein Widerstandsnetzwerk 27, welches den Arbeitspunkt des Transistors 26 einstellt. Der Transistor 26 realisiert somit eine Schaltstrecke zwischen einem ersten Anschluss 28 und einem zweiten Anschluss 29 einer jeweiligen Schalteinrichtung 24, 25. Die Schaltstrecke ist mithin in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen einem Steueranschluss 30 und dem zweiten Anschluss 29 steuerbar. Da der zweite Anschluss 29 der ersten Schalteinrichtung 24 mit dem hohen Potential der ersten Versorgungsleitung 15 verbunden ist, ist der Transistor 26 ein pnp-Bipolartransistor oder alternativ ein p-Kanal-Feldeffekttransistor. Analog dazu zu ist der Transistor 26 der zweiten Schalteinrichtung 25 ein npn-Bipolartransistor oder alternativ ein n-Kanal-Feldeffekttransistor, da der zweite Anschluss 29 der zweiten Schalteinrichtung 25 auf dem niedrigen Potential der zweiten Versorgungsleitung 16 liegt.
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Darüber hinaus weist Schaltungsanordnung 1 ein erstes Schaltelement 31 und ein zweites Schaltelement 32 auf, die jeweils eine Schaltstrecke zwischen einem ersten Anschluss 33 und einen zweiten Anschluss 34 realisieren, wobei die Schaltstrecke in Abhängigkeit einer an einem Steueranschluss 35 anliegenden Spannung steuerbar ist. Die Schaltelemente 31, 32 weisen ferner einen Transistor 36 auf. Die Steueranschlüsse 35 sind dabei unmittelbar mit dem Eingang 2 verbunden. Während die zweiten Anschlüsse 34 der Schaltelemente 31, 32 mit der zweiten Versorgungsleitung 16 verbunden sind, sind der erste Anschluss 33 des ersten Schaltelements 31 über einen Widerstand 34 und der erste Anschluss 33 des zweiten Schaltelements 32 über einen Widerstand 35 mit der ersten Versorgungsleitung 15 verbunden. Der Steueranschluss 30 der ersten Schalteinrichtung 24 ist dazu zwischen dem Widerstand 34 und dem ersten Anschluss 33 des ersten Schaltelement 31 angeschlossen. Dementsprechend ist der Steueranschluss 30 der zweiten Schalteinrichtung 25 zwischen dem ersten Anschluss 33 des zweiten Schaltelements 32 und dem Widerstand 35 angeschlossen.
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Liegt mithin am Eingang 2 eine den ersten Signalzustand repräsentierende positive Spannung an, werden die Schaltstrecken bei der Schaltelemente 31, 32 leitend, so dass die Steueranschlüsse 30 beider Schalteinrichtung 24, 25 auf dem Potential der zweiten Versorgungsleitung 16 liegen. Dadurch wird zum einen die Schaltstrecke der ersten Schalteinrichtung 24 leitend, so dass der Ladestromfluss fließen kann. Zum anderen sperrt die zweite Schalteinrichtung 25, um den Entladestromfluss während der gesamten Dauer des Vorliegens des ersten Signalzustands zu unterdrücken. Analog dazu führt eine am Eingang 2 anliegende, den zweiten Signalzustand repräsentierende geringe Spannung dazu, dass die Schaltelemente 31, 32 sperren, so dass die Steueranschlüsse 30 der Schalteinrichtungen 24, 25 auf dem Potential der ersten Versorgungsleitung 15 gezogen werden. Entsprechend wird die Schaltstrecke der zweiten Schalteinrichtung 25 leitend, so dass der Ladestromfluss fließen kann, wohingegen die erste Schalteinrichtung 24 sperrt, um den Entladestromfluss während der gesamten Dauer des Vorliegens des zweiten Signalzustands zu unterdrücken.
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Die Schaltungsanordnung 1 weist ferner eine erste Diode 37, die mit einem ersten Widerstand 38 in Reihe zwischen dem ersten Anschluss 28 der ersten Schalteinrichtung 24 und der Kapazität 20 verschaltet ist, und eine zweite Diode 39, die mit einem zweiten Widerstand 40 in Reihe zwischen dem ersten Anschluss 28 der zweiten Schalteinrichtung 25 und der Kapazität 20 verschaltet ist, auf. Die Durchlassrichtung einer jeweiligen Diode 37, 39 entspricht dabei der Richtung des jeweils gewünschten Ladestromflusses. Dadurch werden unerwünschte Entladestromflüsse, wenn die mit einer jeweiligen Diode 37, 39 verbundene Schalteinrichtung 24, 25 leitet, vermieden. Durch die Widerstände 37, 40 wird eine jeweilige Zeitkonstante des Ladestromflusses eingestellt.
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Daneben weist die Schaltungsanordnung 1 einen Kondensator 41 auf, der parallel zur Kapazität 20 geschaltet ist. Die Kapazität des Kondensator 41 addiert sich zur Kapazität 20, so dass durch geeignete Wahl der Kapazität des Kondensator 41 und der Werte der Widerstände 38, 40 für den Betrieb der Schaltungsanordnung 1 geeignete Zeitkonstanten der Umladevorgänge einstellbar sind.
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Schließlich weist die Schaltungsanordnung 1 eine Spannungsbegrenzungseinheit 42 auf, die parallel zur Kapazität 20 des Funktionselements 18 geschaltet ist und aus zwei zueinander entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zehnerdioden 43, 44 gebildet ist. Die Spannungsbegrenzungseinheit 42 begrenzt dabei die am Steuereingang 19 anliegende Spannung auf zulässige Maximal- und Minimalwerte des Funktionselements 18.
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2 ist ein Diagramm des Verlaufs 45 einer Spannung U, welche über der Kapazität 20 abfällt, über die Zeit t während des Betriebs der Schaltungsanordnung 1. Dabei markieren eine Linie 46 die auf das Potential 11 bezogene Spannung der ersten Versorgungsleitung 15 und eine Linie 47 die auf das Potential 11 bezogene Spannung der zweiten Versorgungsleitung 16. Das Spannungsintervall ist mit einem Bezugszeichen 45a versehen. Die Spannung der Schaltleitung 17 wechselt gegenüber dem Potential 11 in Abhängigkeit des getakteten Signals 14 so oft, dass ihr Einfluss auf den Verlauf 45 der Spannung U in 2 nicht zeitlich aufgelöst darstellbar ist.
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Der Verlauf 45 der Spannung über der Kapazität 20 entspricht dabei qualitativ dem Verlauf des Steuersignals 3, welches seinen Signalzustand wesentlich seltener wechselt als das getaktete Signal 14. Ersichtlich wird dem Steuereingang 19 eine saubere Steuerspannung bereitgestellt, die durch die Spannungsbegrenzungseinheit 42 auf ±17 Volt begrenzt ist. Der Verlauf 45 weist lediglich eine geringe, der Schaltfrequenz des getakteten Signals 14 entsprechende Welligkeit 48 auf, der daher rührt, dass der unerwünschte Entladestromfluss zwar unterdrückt aber nicht vollständig unterbunden wird.
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3 ist ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 1, wobei gleiche oder gleichwirkende Komponenten im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Bei der Erläuterung der Funktion dieses Ausführungsbeispiels wird eine identische äußere Beschaltung wie in 1 dargestellt angenommen.
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Die Schaltungsanordnung 1 ist dazu eingerichtet während des Vorliegens eines jeweiligen Signalzustands den Entladestromfluss aus der Kapazität 20 zu einer der Versorgungsleitungen 15, 16 zu begrenzen, um die über der Kapazität 20 abfallende Spannung außerhalb des Spannungsintervalls zu halten, sodass die Spannung über der Kapazität 20 stets zuverlässig eine der Funktionen des Funktionselements 18 realisiert. Eine Unterdrückung des Entladestromflusses erfolgt im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel hier also nicht. Dafür lässt sich die Schaltungsanordnung 1 einfacher realisieren.
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Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel weist das zweite Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung lediglich ein Schaltelement 31 und einen Widerstand 34 auf. Die Steuereingänge 30 beider Schalteinrichtungen 24, 25 sind zwischen dem ersten Anschluss 33 des Schaltelements 31 und dem Widerstand 34 angeschlossen. Darüber hinaus sind bei der ersten Schalteinrichtung 24 der erste Anschluss 28 mit der ersten Versorgungsleitung 15 und der zweite Anschluss 29 über die erste Diode 37 und den ersten Widerstand 38 mit der Kapazität 20 verbunden. Bei der zweiten Schalteinrichtung 25 sind der erste Anschluss 28 mit der zweiten Versorgungsleitung 16 und der zweite Anschluss 29 über die zweite Diode 39 und den zweiten Widerstand 40 mit der Kapazität 20 verbunden. Dadurch sind die Schalteinrichtungen 24, 25 in zusätzlicher Abhängigkeit eines Potentials am Steuerausgang 19 steuerbar. Die Schalteinrichtungen 24, 25 realisieren mithin jeweils einen Spannungsfolger, bei dem das Potential am zweiten Anschluss 29 dem Potential am Steuereingang 30 folgt. Der Transistor 26 der ersten Schalteinrichtung 24 ist dementsprechend als npn-Bipolartransistor oder alternativ als n-Kanal-Feldeffekttransistor realisiert. Der Transistor 26 der zweiten Schalteinrichtung 25 ist folglich als pnp-Bipolartransistor oder p-Kanal-Feldeffekttransistor realisiert.
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Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel wird das Steuersignal 3 mit einer komplementären Logik zum Funktionselement 18 übertragen. Liegt mithin am Eingang 3 eine den ersten Signalzustand repräsentierende hinreichend geringe Spannung an, so sperrt das Schaltelement 31 und die Steueranschlüsse 30 der Schalteinrichtungen 24, 25 werden auf das Potential der ersten Versorgungsleitung 15 gezogen. Dabei fließt der Ladestromfluss durch die erste Schalteinrichtung 24 und die erste Diode 37 zur Kapazität 20. Durch die zweite Schalteinrichtung 25 fließt jedoch in Abhängigkeit des Potentials auf der Schaltleitung 17 auch zeitweise der begrenzte Entladestromfluss zur zweiten Versorgungsleitung 16, der jedoch kleiner als der Ladestromfluss ist.
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Analog dazu leitet das Schaltelement 31, wenn am Eingang 3 eine den zweiten Signalzustand repräsentierende positive Spannung anliegt. In diesem Fall liegen die Steueranschlüsse 30 der Schalteinrichtungen 24, 25 auf dem Potential der zweiten Versorgungsleitung 16. Dabei fließt der Ladestromfluss von der Kapazität 20 durch die zweite Schalteinrichtung 25 und die zweite Diode 39 zur zweiten Versorgungsleitung. Durch die erste Schalteinrichtung 24 fließt jedoch in Abhängigkeit des Potentials der Schaltleitung 17 auch zeitweise der begrenzte Entladestromfluss zur ersten Versorgungsleitung 15, der jedoch kleiner als der Ladestromfluss ist.
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4 ist ein Diagramm des Verlaufs 49 einer Spannung U, welche über der Kapazität 20 abfällt, über die Zeit t während des Betriebs des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die Darstellung im Übrigen 2 entspricht.
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Der Verlauf 49 der Spannung über der Kapazität 20 entspricht dabei qualitativ dem Verlauf des Steuersignals 3. Ersichtlich wird am Steuereingang 19 eine bezüglich der Signalzustände wohldefinierte Steuerspannung bereitgestellt, die durch die Spannungsbegrenzungseinheit 42 auf -17 Volt begrenzt ist. Der Verlauf 49 weist eine der Schaltfrequenz des getakteten Signals 14 entsprechende Welligkeit 50 auf, die größer als die Welligkeit 48 im ersten Ausführungsbeispiel ist. Folglich ist auch das Spannungsintervall 45a kleiner als im ersten Ausführungsbeispiel. Die Welligkeit resultiert daraus, dass der Entladestromfluss lediglich begrenzt und nicht unterdrückt wird. Für eine Vielzahl von möglichen Funktionselementen 19 ist die höhere Welligkeit 50 jedoch tolerierbar.
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5 ist ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 1, wobei gleiche oder gleichwirkende Komponenten im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Bei der Erläuterung der Funktion dieses Ausführungsbeispiels wird eine identische äußere Beschaltung wie in 1 dargestellt angenommen.
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Die Schaltungsanordnung 1 ist dazu eingerichtet während des Vorliegens eines jeweiligen Signalzustands den Entladestromfluss aus der Kapazität 20 zu einer der Versorgungsleitungen 15, 16 zu begrenzen. Eine Unterdrückung des Entladestromflusses erfolgt im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel auch hier nicht. Dafür lässt sich das dritte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 einfacher als das erste Ausführungsbeispiel und als das zweite Ausführungsbeispiel realisieren.
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Im Vergleich zu 1 weist das dritte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 lediglich ein Schaltelement 31 und einen Widerstand 34 auf. Auf die Schalteinrichtungen 24, 25 (vgl. 1) wird verzichtet. Das Schaltelement 31 dazu eingerichtet, einen Entladestromfluss zur zweiten Versorgungsleitung 17 während des Vorliegens des ersten Signalzustands zu unterdrücken und einen Entladestromfluss zur ersten Versorgungsleitung 15 während des Vorliegens des zweiten Signalzustands zu unterdrücken.
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Außerdem ist eine den Steuereingang 19 mit dem Schaltelement 31 verbindende Widerstandseinheit 51 vorgesehen, deren Widerstandswert von einer Stromrichtung eines durch sie fließenden Stroms abhängig ist. Dazu weist die Widerstandseinheit 51 eine Reihenschaltung aus einer ersten Diode 52 und einem ersten Widerstand 53 und eine dazu parallel geschaltete Reihenschaltung aus einer zweiten Diode 54 und einem zweiten Widerstand 55 auf. Dabei weisen die Dioden 52, 54 eine entgegengesetzte Durchlassrichtung auf und die Widerstände 53, 55 unterschiedliche Widerstandswerte auf. Alternative Ausgestaltungen der Widerstandseinheit 51 umfassen einen ersten Widerstand, der in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer Diode und einem zweiten Widerstand geschaltet ist, oder einen ersten Widerstand, der parallel zu einer Reihenschaltung aus einer Diode und einem zweiten Widerstand geschaltet ist.
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Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel wird das Steuersignal 3 mit der komplementären Logik zum Funktionselement 18 übertragen. Liegt mithin am Eingang 2 eine den ersten Signalzustand repräsentierende hinreichend geringe Spannung an, so sperrt das Schaltelement 31 und die Widerstandseinheit 51 ist mit der ersten Versorgungsleitung 15 verbunden. Dabei fließt ein Ladestromfluss durch die erste Diode 52 zur Kapazität 20. Durch die zweite Diode 54 fließt jedoch in Abhängigkeit des Potentials auf der Schaltleitung 17 auch zeitweise der Entladestromfluss zur ersten Versorgungsleitung 15, der jedoch kleiner als der Ladestromfluss ist.
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Analog dazu leitet das Schaltelement 31, wenn am Eingang 3 eine den zweiten Signalzustand repräsentierende positive Spannung anliegt. In diesem Fall ist die Widerstandseinheit 51 mit der zweiten Versorgungsleitung 16 verbunden. Dabei fließt der Ladestromfluss von der Kapazität 20 durch die zweite Diode 54 zur zweiten Versorgungsleitung 16. Durch erste Diode 52 fließt jedoch in Abhängigkeit des Potentials der Schaltleitung 17 auch zeitweise der Entladestromfluss zur zweiten Versorgungsleitung 16, der jedoch kleiner als der Ladestromfluss ist.
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Der Verlauf einer Spannung, welche über der Kapazität 20 abfällt, entspricht im dritten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem in 4 gezeigten Verlauf 49.
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6 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 56 mit einem Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 57.
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Der Stromrichter 57 umfasst drei Halbbrücken 58, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Leistungsschaltelemente 9 aufweisen, wobei ein Steueranschluss 8 eines jeweiligen Leistungsschaltelements 9 mit einer Schaltungsanordnung 1 nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verbunden ist. Für jedes Leistungsschaltelement 9 sind ferner eine Spannungsversorgungeinheit 2a und eine Treibereinheit 6a vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, über die Schaltleitung 17 den Steueranschluss 8 des Leistungsschaltelements 9 anzusteuern. Die Spannungsversorgungseinheit 2a ist dabei zum gemeinsamen Versorgen der Treibereinheit 6a und der Schaltungsanordnung 1 über deren erste Versorgungsleitung 15 und zweite Versorgungsleitung 16 eingerichtet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Schaltungsanordnung 1, die Spannungsversorgungseinheit 2a und die Treibereinheit 6a in 6 nur für ein Leistungsschaltelement 9 dargestellt.
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Der Stromrichter 57 weist ferner eine Steuereinheit 59 auf, die dazu eingerichtet ist, das Steuersignal 3 für alle Schaltungsanordnungen 1 und ein getaktetes Signal 14 für eine jeweilige Treibereinheit 6a bereitzustellen.
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Das Fahrzeug 56 ist ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug, umfassend einen Elektromotor 60, welcher zum Antreiben des Fahrzeugs eingerichtet ist und durch den Stromrichter 57 versorgbar ist. Dieser wandelt dazu eine von einer Hochvoltbatterie 61 bereitgestellt Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor 60.
