05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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End date: 2022Subject: search.filters.subject.621.3

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    Quantitative analysis of the sensitivity of UHF sensor positions on a 420 kV power transformer based on electromagnetic simulation
    (2019) Beura, Chandra Prakash; Beltle, Michael; Tenbohlen, Stefan; Siegel, Martin
    With an increasing interest in ultra-high frequency (UHF) partial discharge (PD) measurements for the continuous monitoring of power transformers, it is necessary to know where to place the UHF sensors on the tank wall. Placing a sensor in an area with many obstructions may lead to a decrease in sensitivity to the UHF signals. In this contribution, a previously validated simulation model of a three-phase 300 MVA, 420 kV power transformer is used to perform a sensitivity analysis to determine the most sensitive sensor positions on the tank wall when PD activity occurs inside the windings. A matrix of UHF sensors located on the transformer tank is used to perform the sensitivity analysis. Some of the windings are designed as layer windings, thus preventing the UHF signals from traveling through them and creating a realistic situation with very indirect propagation from source to sensor. Based on these findings, sensor configurations optimized for UHF signal sensitivity, which is also required for PD source localization, are recommended for localization purposes. Additionally, the propagation and attenuation of the UHF signals inside the windings and the tank are discussed in both oil and air.
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    Precise voltage measurement for power electronics with high switching frequencies
    (2018) Nitzsche, Maximilian; Zehelein, Matthias; Tröster, Nathan; Roth-Stielow, Jörg
    In this paper different approaches in precise measurement of gate voltages as well as drain-source voltages of modern SiC and GaN transistors are compared. An approach to calculate the necessary bandwidth of a voltage probe to reproduce the voltage slope is presented. Furthermore, state-of-the-art voltage probes are compared in means of bandwidth, common mode reduction and response on EMI.
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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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    Effiziente Synthese konsistenter Graphen und ihre Anwendung in der Lokalisierung akustischer Quellen
    (2015) Kreißig, Martin; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)
    In dieser Arbeit wird das Problem der simultanen, akustischen Mehrquellenlokalisierung in echobehafteten Umgebungen genauer betrachtet und daran beispielhaft die Anwendungsmöglichkeit der Synthese konsistenter Graphen gezeigt und analysiert. Dafür werden die Grundlagen der akustischen Lokalisierung eingeführt und unterschiedliche Ansätze vorgestellt. Im Besonderen werden die laufzeitdifferenzbasierten Lokalisierungsverfahren betrachtet, die das Problem der uneindeutigen Zuweisung der Laufzeitdifferenzen zu den Quellen haben. Anhand dieses konkreten Anwendungsbeispiels der Lokalisierung wird die Problematik auf ein graphentheoretisches Problem abstrahiert. Deshalb werden zunächst die graphentheoretischen Grundlagen und bereits bekannte Algorithmen, wie die Tiefen- und Breitensuche eingeführt, die beide einen aufspannenden Baum suchen. Der aufspannende Baum ist notwendig, um die Menge der fundamentalen Maschen zu bestimmen. Die Synthese konsistenter Graphen erfolgt durch das Zusammenführen der konsistenten fundamentalen Maschen. Dabei unterscheidet man folgende Vorgehensweisen: die Synthese voll konsistenter Graphen, die jeder Kante des Eingangsgraphen ein konsistentes Kantengewicht zuweisen und die Synthese partiell konsistenter Graphen, die nur eine Teilmenge von Kanten beinhalten. Beide Vorgehensweisen basieren auf den konsistenten fundamentalen Maschen, welche die Nullsummenbedingung erfüllen. Die Synthese voll konsistenter Graphen wird über ein Backtracking-Verfahren realisiert. Die Synthese partiell konsistenter Graphen wird aus dem Kompatibilitäts-Konflikt-Graph abgeleitet, der ein neuer Typus von Graph ist und die drei unterschiedlichen Zustände zwischen den konsistenten fundamentalen Maschen beschreibt: 1) zwei konsistente Maschen haben keine gemeinsame Kanten, 2) zwei konsistente Maschen haben gemeinsame Kanten und identische Kantengewichte (kompatibel) und 3) zwei konsistente Maschen haben gemeinsame Kanten und unterschiedliche Kantengewichte (Konflikt). Um alle möglichen, partiell konsistenten Graphen zu synthetisieren, wird der neue Algorithmus CCGsearch eingeführt und auf Vollständigkeit bewiesen. Die Berechnungskomplexitäten der beiden Syntheseverfahren werden sowohl analytisch hergeleitet als auch durch Simulationen verifiziert.
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    Equalization and blind signal combining algorithms for mobile television broadcast reception
    (2016) Ahmed, Rana; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)
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    Organische Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Schaltungen und Anzeigen
    (2019) Strecker, Michael; Frühauf, Norbert (Prof. Dr.-Ing.)
    Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung von organischen Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Anwendungen der gedruckten Elektronik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Abscheidung organischer Halbleiterlösungen durch Tintenstrahldruck, während die Abscheidung und Strukturierung der übrigen Metallisierungen auf vorwiegend konventionellen Dünnschichtprozessen basieren. Entsprechend potentieller Einsatzmöglichkeiten gedruckter Elektronik wurde die Entwicklung an einen energiesparenden Betrieb ausgerichtet. Als Halbleiter wurden daher Lösungen aus einem Polymer (p-Typ) und einem Perylendiimid-Derivat (PDI, nTyp) eingesetzt, mit dem Ziel eines kompatiblen Prozesses zum Einsatz der Transistoren in komplementären Ansteuerschaltungen und Anzeigen. Ein niedriges Spannungsniveau wurde durch ein dünnes, anodisiertes Dielektrikum mit hohem Kapazitätsbelag realisiert. Die Halbleiter wurden vor allem hinsichtlich ihrer Verdruckbarkeit, der morphologischen Eigenschaften und des daraus resultierenden elektrischen Verhaltens der Transistoren untersucht. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass die Halbleiter sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Stoffeigenschaften in der Verarbeitbarkeit durch den Druckprozess erheblich unterscheiden. Der Polymerhalbleiter zeichnet sich durch ein im Wesentlichen unproblematisches Benetzungsverhalten, robuste Prozessierbarkeit und vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit µ ≈10−3cm2V−1s−1 aus. Dagegen sind das Benetzungsverhalten und die Morphologie des PDI-Derivats stark vom gewählten Lösemittel abhängig. Die Morphologie variiert von körnigen, diskontinuierlichen Filmen mit amorpher Struktur (o-DCB, Tetralin) bis hin zu ebenen, polykristallinen Filmen (Dimethylphthalat, DMP). Entsprechend variiert die erzielte Ladungsträgerbeweglichkeit typischerweise von µ≈10−4cm2V−1s−1 bis µ≈10−1cm2V−1s−1. In allen Fällen zeichnet sich der Nassfilm durch eine ausgeprägte Spreitung aus. Während die Trocknung bei Lösungen aus o-DCB und Tetralin innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen ist, dauert dies bei DMP aufgrund des niedrigen Dampfdrucks mehrere Minuten. Die endgültige Lage des Halbleiters kann dabei weder vorhergesagt noch kontrolliert werden, da es während der Trocknung zur willkürlichen Wanderung des Nassfilms relativ zu den bedruckten Transistorstrukturen kommt. Daher waren technologische Maßnahmen erforderlich, um die Lokalisation des Halbleiters reproduzierbar sicherzustellen. Hierzu wurden zwei Ansätze untersucht. Einerseits erfolgte die Lokalisation durch lokal modulierte Oberflächenspannungen mithilfe von strukturierten, selbstorganisierenden Monolagen mit hydrophobem Charakter. Dieser Prozess eignet sich auch zur Lokalisierung des Polymerhalbleiters, falls eine erhöhte Integrationsdichte erforderlich ist. Für das PDI-Derivat hat sich die Lokalisierung durch strukturierte Polymerwannen als Prozess der Wahl herausgestellt. Obwohl die Halbleiter, insbesondere das PDI-Derivat, bereits an Luft eine hohe Umweltstabilität aufweisen, wurde die Verkapselung der Halbleiter untersucht. Eine Verkapselung ist unabhängig von der intrinsischen Stabilität in komplexen, mehrschichtigen Systemen, wie Schaltungen und Anzeigen, erforderlich, um den Halbleiter vor nachfolgenden Prozessschritten zu schützen. Als Material der Wahl hat sich ein fluorierter Photolack basierend auf gegenüber den Halbleitern orthogonalen Lösemitteln erwiesen. Insbesondere der Polymerhalbleiter zeigt durch die Verkapselung eine Stabilisierung der Schwellspannung und eine erhöhte Langzeitstabilität. Durch die hydrophobe Verkapselung bleibt sogar eine mehrstündige Immersion in Wasser ohne Auswirkungen auf das Verhalten der Transistoren. Für beide Halbleitertypen wurden jeweils Prozesse für ein optimales Betriebsverhalten entwickelt. Aufgrund technologischer Einschränkungen und der geforderten ähnlichen Eigenschaften der Transistoren in komplementären Schaltungen ist die Schnittmenge eines für beide Halbleitertypen kompatiblen Prozesses allerdings gering. Die Realisierung komplementärer Grundschaltungen erfolgte daher auf Basis des BGBC-Prozesses mit Abscheidung des PDI-Derivats aus o-DCB. Die hergestellten Inverter, Nand-Gatter und Ringoszillatoren waren funktionsfähig, allerdings stellte sich die Betriebsstabilität als problematisch heraus. Durch elektrische Beanspruchung trat eine signifikante Verschiebung der Schwellspannungen ein, was zur raschen Degradation der Signalpegel führte. Alternativ wurde die unipolare Pseudo-CMOS-Technik auf Basis des Polymerhalbleiters untersucht. Diese Schaltungstechnik stellte sich als wesentlich robuster heraus. Es wurde sogar eine Art Lerneffekt beobachtet, der dazu führt, dass sich das anfänglich nicht-ideale Schaltverhalten von Invertern während des Betriebs durch Angleichung der Schwellspannungen einzelner Transistoren verbessert. Die Integrierbarkeit der entwickelten Transistorprozesse in ein komplexes, mehrschichtiges System wurde durch eine funktionsfähige, elektrophoretische Aktiv-Matrix-Anzeige demonstriert. Die Anzeige hat eine Auflösung von 32×32 Bildpunkten mit Ansteuerung durch organische Transistoren mit Polymerhalbleiter. Die Lokalisation des Halbleiters wurde aufgrund der geringen Transistordimensionen erfolgreich durch selbstorganisierende Monolagen realisiert. Durch die Verkapselung hatten nachfolgende Passivierungs-, Abscheide- und Strukturierungsprozesse keine signifikanten Auswirkungen auf die Transistoren. Die maximale Temperatur bei der Prozessierung betrug 150◦C.
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    Active electronic loads for radiometric calibration
    (2017) Weissbrodt, Ernst; Kallfass, Ingmar (Prof. Dr.)
    Although radiometer systems are widely applied in very different fields, they all have one important requirement in common: They require a thorough radiometric calibration. Various conventional calibration references are well established, but their bulkiness, high power consumption, and complexity are limiting the expanding fields of application. Since novel industrial applications such as passive millimeter-wave imaging emerge, the requirements for calibration references have increased drastically. But also in scientific fields like radio astronomy, cosmology or environmental monitoring, modern remote sensing radiometers do not rely only on conventional references anymore. In this work, millimeter-wave monolithic integrated circuits (MMICs) based on metamorphic high electron mobility transistors (mHEMT) were designed to be used as active electronic loads for radiometric calibration. These novel references have not only the outstanding property, that they can be directly integrated on chip-level into the radiometer front-end, but also, that they can exhibit cold as well as hot reference noise temperatures. Since this is achieved without any physical cooling or heating, the power consumption is notably reduced. By monolithic integration of field effect transistor (FET) switches, theses multiple references can internally be routed to the receiver input without any mechanical wear. As a result, laborious external references can be omitted and the repetition rate of the calibration procedure increased, which results in a higher radiometric accuracy and allows a more compact and cost-effective design of modern radiometer systems. This work presents the first radiometric calibration front-end that allows to internally switch between active electronic cold and active electronic hot loads, as well as a passive ambient load. All components are integrated on a single MMIC, and a patent was granted for this innovation. To predict the achievable noise temperatures of active cold loads (ACLs), different simulation approaches were previously published. This work evaluates and adapts these existing approaches to design and manufacture several W-band loads. But the required design-flow was found to be very time-consuming because multiple iterations are necessary to successively design and optimize the input- and output matching networks, and to finally achieve the desired low noise temperature. Therefore, a novel simulation approach is introduced that makes efficiently use of modern optimization algorithms and the very accurate model library of the mHEMT technology and the passive structures. With this novel simulation method, the first active hot loads (AHLs) were designed as well as state-of-the-art ACLs up to 140 GHz. However, the characterization of low-noise one-port devices is particularly challenging, especially at such high frequencies. Hence, a substantial part of this work is to investigate the reliability of different noise measurement setups and the repeatability of noise temperature results. Dedicated setups in W- and D-band are used to characterize all manufactured active loads and some selected results are cross-checked by measuring the same circuits with independently designed measurement systems of other research facilities. The discrepant results are discussed, concluding that high variations in measured one-port noise temperature do not allow to rely on one single measurement setup. At the same time, this thorough investigation and comparison permits to establish an accuracy range within which the results of the manufactured active electronic loads are reliable, whereas other previously published ACLs are typically only measured with one measurement setup.
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    Impedance based temperature estimation of lithium ion cells using artificial neural networks
    (2021) Ströbel, Marco; Pross-Brakhage, Julia; Kopp, Mike; Birke, Kai Peter