05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access 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, MartinWith 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.Item Open Access 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.Item Open Access Frequency-agile bandpass delta-sigma modulator for microwave transmitters(2019) Schmidt, Martin; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)A large part of the power consumption for mobile communications can be allotted to power amplifiers. Class-S power amplifiers promise a very high power efficiency, especially for modern communication standards. An important part of the Class-S power amplifier is the modulator that converts the input signal into a binary pulse sequence. A switching-mode power amplifier can amplify this sequence efficiently. This work covers the implementation of such a modulator as a bandpass delta-sigma modulator. The goal is an output signal which fulfills the requirements of the mobile communication standard UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) in a frequency range which is as large as possible. The thesis starts with the basics of mobile communications, with power amplifiers and with the requirements for the transmit signals for UMTS. Based on a discrete-time lowpass delta-sigma modulator, a continuous-time bandpass delta-sigma modulator is derived. Due to project constraints a bipolar technology is selected for the implementation. Current-mode logic is used for amplifiers and latches in the digital part. Different circuits for a transconductance amplifier are derived and evaluated. A novel, switchable capacitance is presented. With the switchable capacitance a large frequency range of the modulator becomes possible. Two modulators are designed. The first modulator is not tunable and fulfills the UMTS requirements for the downlink channel from the base station to the user equipment at a signal frequency of 2.2 GHz. The second modulator uses the switchable capacitance and covers a frequency range between 1.55 GHz and 2.45 GHz. It fulfills the UMTS requirements within the frequency range between 1.8 GHz and 2.45 GHz.Item Open Access Ultra-high-speed digital-to-analog converter for optical communications(2019) Huang, Hao; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Dissertation wird die Schaltungstechnik für schnelle DACs untersucht und ein DAC mit einer Umsetzungsrate bis zu 100 GS/s und 8 bit nomineller Auflösung in 28 nm CMOS Technologie entworfen. Um die Ausgangsbandbreite zu erhöhen, ist die Ausgangsstufe mit einer verteilten Struktur konstruiert. Dabei sind das Stromsummationsnetzwerk und die Taktverteilung an der DAC-Ausgangsstufe mittels künstlich konstruierten Leitungen realisiert, um die parasitären Kapazitäten auf die künstliche Leitung zu verteilen. Für die Charakterisierung des DACs ist ein 1 kByte Speicher integrierte, der zyklisch ausgelesen werden kann, um die Eingangsdatenströme für den DAC zu erzeugen. Die maximale Bandbreite beträgt 13 GHz bei einer Abtastrate von 100 GS/s. Die effektive Anzahl von Bits (engl. effective number of bits, ENOB) beträgt 5,3 bit bei niedrigen Ausgangsfrequenzen und reduziert sich auf 3,2 bit bei 24,9 GHz mit einer Abtastraten von 100 GS/s.Item Open Access Performance analysis of rate adaptive wireless communication system with regenerative relaying using low density parity check codes(2019) Chaoudhry, Bushra Bashir; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Quantifizierende Elektrolumineszenz für Silizium-Solarzellen und -module(2019) Kropp, Timo; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Diese Arbeit präsentiert zwei neue Messmethoden auf Basis der Elektrolumineszenz zur Charakterisierung von Solarzellen und -modulen. Beide Methoden nutzen die Strominjektion, um ein Lumineszenzbild zu quantifizieren. Der Unterschied zwischen den Methoden besteht in der zeitlichen Variation der Strominjektion bzw. Stromextraktion. Bei der gepulsten Strominjektion sowie -extraktion hängt der zeitliche Verlauf der resultierenden Elektrolumineszenz von der effektiven Ladungsträgerlebensdauer in der untersuchten Solarzelle ab. Die eingeführte analytische Beschreibung der normierten periodischen Intensitätsdifferenz zwischen zwei unterschiedlich strommodulierten Lumineszenzbildern ist unabhängig von der Belichtungszeit der Bildaufnahme. Bei der zeitlich konstanten Strominjektion ist die Amplitude der Lumineszenzintensität zusätzlich durch den lokalen Serienwiderstand bzw. Parallelwiderstand einer Solarzelle bestimmt. Die zweite entwickelte Methode dieser Arbeit ist in der Lage, Leistungsverluste von Photovoltaikmodulen durch mechanische Defekte sowie potentialinduzierte Degradation anhand eines einzelnen Lumineszenzbildes quantitativ zu bewerten. Der durch einen Defekt hervorgerufene Leistungsverlust gegenüber der ursprünglich nach dem Datenblatt verfügbaren Leistung wird präzise vorhergesagt.Item Open Access Germanium-Lumineszenzdioden mit optischem Resonator für optoelektronische integrierte Schaltkreise(2019) Gollhofer, Martin; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Item Open Access Decentralized interference coordination for the downlink of fully loaded heterogeneous wireless networks(2019) Bleicher, Zarah M. L.; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)The relentless evolution towards an overwhelming increase of mobile data traffic, where mobile phone subscribers demand the highest data rates and comprehensive coverage presents current and future mobile communication networks with demanding requirements. Previous homogeneous networks were mostly designed to optimize the sum capacity and peak data rates rather than take the individual user experience into account, and therefore failed to meet these requirements. Multi-layer networks, also known as heterogeneous networks, can improve the coverage and capacity of the cellular network and bring the network closer to the user. Moreover, the introduction of the smaller cells into the macro cellular network can improve the performance, especially in hotspots and indoors, which results in a better user experience. Frequency spectrum is rare and valuable, thus solely adding further bandwidth does not meet the demand. However, when reusing the bandwidth, inter-cell interference from neighboring cells leads to performance degradations, in particular for users located at the cell edges. Within a multi-layer network, additional and even more dynamic interference is present, caused by different kinds of cells, like macro-, pico-, femtocells, and relays. Therefore, addressing the interference issue is essential. This thesis examines suitable interference coordination algorithms and introduces an advanced interference coordination technique for heterogeneous networks. Whereas current techniques require significant communication between base stations, reduce the available bandwidth notably or do not consider interference between the small cells, the advanced technique is located in the small cells with only marginal information exchange. Its performance is investigated by means of computer simulations for fully loaded heterogeneous networks on the system layer. As a result, the proposed technique reduces the impact on the surrounding cells significantly, making in-home communication services attractive, leading to a tremendous advantage for service providers as well as the end-user.Item Open Access Comprehensive comparison of a SiC MOSFET and Si IGBT based inverter(2019) Nitzsche, Maximilian; Cheshire, Christoph; Fischer, Manuel; Ruthardt, Johannes; Roth-Stielow, JörgThe investment which is necessary to replace Si IGBTs with SiC MOSFETs in medium to high power DC-AC inverters needs to be balanced carefully against the advantages SiC offers. This paper compares a 20 kW Si IGBT inverter with a 20 kW SiC MOSFET inverter. The power semiconductor components are operated identically in a modular half bridge module to ensure comparability. Thereby the measurement of the switching losses is explicitly not the focus but the overall efficiency while taking volume, current ripple, switching frequency and inductance into account. The limits of reasonable operating range shall be evaluated and an overview on the benefits of SiC on system level will be given.Item Open Access Realization of silicon-based monolithic E-band IMPATT-transmitter and Schottky-receiver for wireless applications(2019) Zhang, Wogong; Schulze, Jörg (Prof. Dr.)In dieser Dissertation ist die Realisierbarkeit eines hochperformanten, integrierten E-Band-IMPATT-Sender- und Schottky-Empfängermoduls in SIMMWIC-Technologie (SIMMWIC, engl. für Silicon mm-Wave Integrated Circuit) mit einer Chipfläche 4 mm2 erfolgreich demonstriert. Im Vergleich zur Silizium-basierten RF-CMOS- bzw. BiCMOS-Technologie (BiCMOS, engl. für Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) könnte somit die SIMMWIC-Technologie eine kostengünstigere Alternative für moderne, hochperformante Drahtlosekommunikationsanwendungen darstellen.