05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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Publication Type: search.filters.UBSTyp.Abschlussarbeit (Master)Subject: search.filters.subject.621.3

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    Entwicklung einer höchsteffizienten, weichschaltenden Totem-Pole PFC Stufe basierend auf GaN Transistoren
    (2020) Lu, Siyuan
    In der Arbeit wird eine Totem-Pole Power Factor Correction (PFC1)-Stufe vorgestellt, die als die Eingangsstufe für ein zweistufiges Ladegerät für E-Bike mit Nennleistung 180 W arbeitet. Und die Ausgangsspannung ist zwischen 360 V und 400 V einstellbar. Die PFC ist auf GaN2-HEMT3 von TI4 basiert und so aufgebaut, dass sie in zwei unterschiedlichen Modulationsverfahren betreiben kann:Triangular Current Mode(TCM5) und Continuous Current Mode(CCM6). Bei CCM wird die PFC mit konstanter Schaltfrequenz und Hart Switsching betrieben. Dagegen arbeitet sie bei TCM mit variabler Schaltfrequenz und Zero Voltage Switching(ZVS7), die zu besserem Wirkungsgrad und schlechterem Leistungsfaktor(PF8) im Vergleich zu bei CCM führt. Die Hauptaufgabe der Arbeit ist Entwurf, Aufbau und Inbetriebnahme der PFC-Stufe. Und die Messungen für Verläufe der elektrischen Größen, Wirkungsgrad und Temperatur der Bauteile werden bei unterschiedlicher Systemkonfigurationen durchgeführt, um die Entwurf und Aufbau zu validieren und Systemverhalten zu vergleichen. Der maximale Wirkungsgrad des Systems erreicht über 99 % durch die Anwendung von GaN-HEMT und TCM.
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    Auslegung und Inbetriebnahme eines leistungsstarken und kompakten SiC Wechselrichters
    (2021) Volz, Frederic
    Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzipierung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines dreiphasigen Wechselrichters mit Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid, welcher die Lebensdaueruntersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglichen soll. Der SiC Wechselrichter wird hierfür mit einem speziell für Lebensdaueruntersuchungen abgestimmten Kühlsystem ausgestattet. Im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit findet die Integration des SiC Wechselrichters in einen Prüfstand mit einem ein- und ausgangsseitig gekoppelten Wechselrichter statt, welcher künftig als aktiver Power Cycling Prüfstand betrieben wird. Hierdurch wird eine gezielte Bauteilalterung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht.
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    Digital self-interference cancellation using FPGA for in-band full-duplex radios
    (2023) Roge, Swapnil Sunil
    Conventionally, the transmission and the reception of signals in a particular wireless communication system is performed using the half-duplex method, wherein the transmitter and the receiver signals are either time-multiplexed or frequency-multiplexed. However, in case of an in-band full-duplex system, the bidirectional communication of signals is performed simultaneously in the same frequency band, which improves the spectral efficiency of these systems by a factor of two as compared to the traditional half-duplex systems. Therefore, the in-band full-duplex communication systems can double the data rate provided by the half-duplex communication systems, thereby making the former a matter of interest across the wireless research community. However, the in-band full-duplex systems have theirownset of disadvantages. The major challenge is the self-interference imposed by the high-power transmitter signal on the incoming low-power receiver signal, which further degrades the latter and negatively impacts its estimation. Out of the various methodologies to mitigate the self-interference from the receiver signal, this work focuses on the digital self-interference cancellation techniques. In this thesis, the effects of the self-interference signal on the receiver signal are examined. Furthermore, the different digital self-interference cancellation methods employed for suppressing the self-interference are comparatively analysed. Finally, the field-programmable gate array based implementation of the various digital self-interference cancellation algorithms and their respective performance results are presented as well.
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    Evaluation and characterization of a reduced-bandwidth sampling system for predistorting broadband E-Band communication links
    (2021) Bleickert, Simon
    Today’s communication link modulation formats, such as 5G New Radio or wideband Code Division Multiple Access (CDMA), require highly linear Radio Frequency (RF) front-ends to allow for sufficient bandwidth and efficient transmissions. Power Amplifiers (PAs) are the communication link’s predominant nonlinear component. To avoid nonlinear behavior, PAs have to be operated in back-off in terms of PA input power. However, limiting the PA’s input power reduces the available bandwidth and leads to PA inefficiency. If PA’s linear amplification region would be higher, efficiency could be improved. One approach to compensate for PA nonlinearity is Digital Predistortion (DP). However, broadband DP puts high demands on the Analog-to-Digital Converters (ADCs) in terms of sampling rate. Therefore, costly broadband ADCs are required. To address this issue, the Institute of Robust Power Semiconductor Systems (Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme, ILH) developed a low-cost Printed Circuit Board (PCB) that claims to be suitable for sampling 2.5GHz baseband signals and therefore allowing for DP. This is achieved by downconverting and by sampling the broadband input signal in individual and narrowband frequency windows using a frequency mixer. In this study, it was investigated, whether the new PCB is capable of downconverting and sampling of 2.5GHz bandwidths for a satellite communication link. During testing, it was found that the hardware is not capable of sampling broadband signals due to a missing filter. Nevertheless, it was possible to sample a bandwidth of 700MHz by adding filters manually. This implies, that the concept of sampling a broadband signal using low-cost components works. However, in this thesis only the PCB and its sampling capabilities were examined and no DP was performed. Future studies might successfully develop and verify DP using low-cost, broadband downconverting and sampling PCBs. Such PCBs could be beneficial in predistorting broadband satellite communication links.
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    Design of an E-band radar frontend for a novel, self-mixing radar principle
    (2021) Ebeling, Sven
    Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Frontends zur Demonstration eines neuartigen, selbst-mischenden Radarverfahrens im Rahmen des Forschungsprojekts MIRADOR des ILH. Im Gegensatz zu üblichen Prinzipien, bei denen es eine gemeinsame Zeit- oder Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger gibt, sind beim selbstmischenden Radar beide elektrisch unabhängig voneinander. Stattdessen beruht die Bestimmung der Distanz auf der Reflexion von zwei oder mehr Objekten und ist damit eine relative Größe. Der notwendige Mischer im Empfänger unterscheidet sich in der Hinsicht, dass an einem Port sowohl mindestens ein RF als auch das LO zugeführt wird, welche beide von mindestens zwei räumlich getrennten Reflexionsobjekten stammen, weshalb der Mischer kein Dreitor im eigentlichen Sinne mehr ist. Als Komponenten wurden ein Frequenzmultiplizier, zwei Verstärker und ein Mischer, jeweils aus dem Projekt ELiPSe verwendet, welche ebenso am ILH für ein Kommunikationssystem entworfen wurden. Das Frontend besteht aus einem PCB mit Rogers 3003 Substrat auf welchem nicht nur die MMICs platziert und gebondet wurden, sondern auch zwei on-PCB-Hornantennen platziert sind. Der Sender besteht aus einem Frequenz-Verachtfacher, der bei einem Eingangssignal mit −7dBm eine Ausgangsleistung von 8,8dBm erzeugt. Über eine direkte Chip-to-Chip-Bond-Verbindung wird sein Ausgangssignal zu einem Verstärker geleitet, der das Signal um 14,1dB verstärkt. Der Frequenzbereich des X8 reicht von 70GHz bis 86,7GHz und ist nicht durch den Breitbandverstärker begrenzt. Ein weiterer Bonddraht mit 17,5µm Durchmesser verbindet den Ausgang des Verstärkers mit der Speisestruktur, die eine Welle im substratintegrierten Wellenleiter anregt und diese über eine, in der Leiterplatte integrierte, Hornantenne aussendet. Auf der Empfängerseite befindet sich eine identische Hornantenne. Anschließend werden die Eingangssignale durch einen Verstärker verstärkt, der eine simulierte Kleinsignalverstärkung von 24,2dB hat und eine Bandbreite von 60GHz bis 90GHz aufweist. Die Sättigungs-Ausgangsleistung beträgt 22dBm. Ein als resistiver Mischer konzipierter MMIC wird als Transkonduktanzmischer betrieben, wodurch nicht nur LO und RF an einem Eingang, dem Gate, angelegt werden können, sondern auch der Wandlungsgewinn auf −12,8dB erhöht wird. Sein linearer Bereich reicht bis zu einer "LO"-Eingangsleistung von −2,5dBm, wobei der Frequenzbereich von 66,5GHz bis 76,5GHz reicht. Die Realisierung der Schaltung auf einer Hochfrequenz-Leiterplatte folgt auf die theoretischen Überlegungen und zeigt bei der Inbetriebnahme vielversprechende Ergebnisse.
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    Digital pre-distortion of broadband communication links using open-loop architecture
    (2021) Wiewel, Florian
    The ever-increasing demand for higher data rates and lower latency in wireless communications ultimately forces the developers of the underlying systems to use broadband links with higher order modulation formats to meet this demand. The use of these modulation formats results in strict linearity requirements on the system. On top of that power, efficiency is also an important aspect, since it has an impact on the operational costs and ecological compatibility. In a typical macrocell for modern wireless communication systems, the power amplifier (PA) of the base station consumes about 60% of the overall power and it is also the PA, which typically exhibits the strongest nonlinear transfer characteristic in the system. Unfortunately, power efficiency and linearity represent conflicting requirements in PA design. As a result, a compromise between these two requirements has to be made. Usually, the PA is designed for high power efficiency and with moderate nonlinear transfer characteristics. To compensate for the nonlinearity in the PA a technique called digital pre-distortion (DPD) is applied, which estimates the nonlinearity in the PAs transfer characteristic and applies the corresponding inverse transfer function to the complex baseband input signal of the PA in the digital domain. In contrast to many of the DPD experiments found in literature, which are applied to signals with bandwidths in the range of tens of megahertz, the targeted linearization bandwidth in this work is 5 GHz. For this purpose an open-loop DPD architecture based on the Volterra theory of nonlinear systems specifically the p-th order inverse has been implemented in software and applied to different amplifiers including a waveguide E-band transmitter operating around 73 GHz. Up to a signal bandwidth of around 1 GHz significant improvements in terms of signal quality could be observed in the conducted experiments. For signals with higher bandwidths problems with signal integrity caused the DPD to fail. Finally, the various problems are analyzed and potential improvements for increasing the DPD performance for wideband signals are suggested.
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    Fabrication and electrical characterization of ultra-thin substrate IGBT
    (2013) Guhathakurta, Jajnabalkya
    Current topics such as electro-mobility and renewable energy demand the development of power devices with high voltage and current ratings along with minimum switching losses. Amongst the power devices in today’s market, IGBTs have gained a lot of significance in this field over its competitors like Power MOSFETS and Thyristors. Today’s industry has recently taken a huge step in this direction to implement the use of thin-wafer technology for fabrication of IGBTs to reduce the on-resistance. However, this comes with a complexity of handling these thin wafers which demands the need of high end robotics. For research work, accesses to such resources are not feasible and if we are not able to fabricate device which the industry is fabricating today, we cannot add improvements to it and hence the research in this domain becomes restricted. The primary objective of this thesis work is to develop a technology for fabrication of Ultra-Thin substrate IGBT which can be achieved at any standard semiconductor research facility and in the course, reducing the on-resistance of the device wherever possible. The most promising solution was the use of Ultra-Thin Si-membranes as a substrate for fabrication. These Si-membranes were fabricated by anisotropic etching of Si wafers by TMAH. IGBT being a four-layered device, the required layers were deposited on the Si-membrane by MBE to achieve very thin and distinct layers which would minimize the on-resistance. Uniquely the Gate terminal of the device was structured on the sidewall of the mesa structure as opposed to conventional trench gate structures. The device with such dimension and structure was initially simulated by the device simulator ATLAS from Silvaco to verify the working of the device and to have a general idea of what kind of a characteristics to expect from the fabricated device. Thereafter the devices were successfully fabricated at our research facility at IHT. Even though there were numerous technical challenges and difficulties, the technology proved to be robust and we were able to fabricate the first IGBT at IHT even in the first run. The electrical characteristics showed a good forward characteristics of the device with good gate response and high on-current to off-current ratio but the reverse characteristics of the device showed unusual characteristics which is also investigated in this thesis work.