Integrated high-voltage switched-capacitor DC-DC converters

The focus of this work is on the integrated circuit (IC) level integration of high-voltage switched-capacitor (SC) converters with the goal of fully integrated power management solutions for system-on-chip (SoC) and system-in-pagage (SiP) applications. The full integration of SC converters provides a low cost and compact power supply solution for modern electronics. Currently, there are almost no fully integrated SC converters with input voltages above 5 V. The purpose of this work is to provide solutions for higher input voltages. The increasing challenges of a compact and efficient power supply on the chip are addressed. High-voltage rated components and the increased losses caused by parasitics not only reduce power density but also efficiency. Loss mechanisms in high-voltage SC converters are investigated resulting in an optimized model for high-voltage SC converters. The model developed allows an appropriate comparison of different semiconductor technologies and converter topologies. Methods and design proposals for loss reduction are presented. Control of power switches with their supporting circuits is a further challenge for high-voltage SC converters. The aim of this work is to develop fully integrated SC converters with a wide input voltage range. Different topologies and concepts are investigated. The implemented fully integrated SC converter has an input voltage range of 2 V to 13 V. This is twice the range of existing converters. This is achieved by an implemented buck and boost mode as well as 17 conversion ratios. Experimental results show a peak efficiency of 81.5%. This is the highest published peak efficiency for fully integrated SC converters with an input voltage > 5V. With the help of the model developed in this work, a three-phase SC converter topology for input voltages up to 60 V is derived and then investigated and discussed. Another focus of this work is on the power supply of sensor nodes and smart home applications with low-power consumption. Highly integrated micro power supplies that operate directly from mains voltage are particularly suitable for these applications. The micro power supply proposed in this work utilizes the high-voltage SC converter developed. The output power is 14 times higher and the power density eleven times higher than prior work. Since plenty of power switches are built into modern multi-ratio SC converters, the switch control circuits must be optimized with regard to low-power consumption and area requirements. In this work, different level shifter concepts are investigated and a low-power high-voltage level shifter for 50 V applications based on a capacitive level shifter is introduced. The level shifter developed exceeds the state of the art by a factor of more than eleven with a power consumption of 2.1pJ per transition. A propagation delay of 1.45 ns is achieved. The presented high-voltage level shifter is the first level shifter for 50 V applications with a propagation delay below 2 ns and power consumption below 20pJ per transition. Compared to the state of the art, the figure of merit is significantly improved by a factor of two. Furthermore, various charge pump concepts are investigated and evaluated within the context of this work. The charge pump, optimized in this work, improves the state of the art by a factor of 1.6 in terms of efficiency. Bidirectional switches must be implemented at certain locations within the power stage to prevent reverse conduction. The topology of a bidirectional switch developed in this work reduces the dynamic switching losses by 70% and the area consumption including the required charge pumps by up to 65% compared to the state of the art. These improvements make it possible to control the power switches in a fast and efficient way. Index terms — integrated power management, high input voltage, multi-ratio SC converter, level shifter, bidirectional switch, micro power supplyDer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erforschung von Switched-Capacitor (SC) Spannungswandler für höhere Eingangsspannungen. Ziel der Arbeit ist es Lösungen für ein voll auf dem Halbleiterchip integriertes Power Management anzubieten um System on Chip (SoC) und System in Package (SiP) zu ermöglichen. Die vollständige Integration von SC Spannungswandlern bietet eine kostengünstige und kompakte Spannungsversorgungslösung für moderne Elektronik. Der kontinuierliche Trend hin zu immer kompakterer Elektronik und hin zu höheren Versorgungsspannungen wird in dieser Arbeit adressiert. Aktuell gibt es sehr wenige voll integrierte SC Spannungswandler mit einer Eingangsspannung größer 5 V. Die mit steigender Spannung zunehmenden Herausforderungen an eine kompakte und effiziente Spannungsversorgung auf dem Chip werden in dieser Arbeit untersucht. Die höhere Spannungsfestigkeit der verwendeten Komponenten korreliert mit erhöhten Verlusten und erhöhtem Flächenverbrauch, welche sich negativ auf den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von SC Spannungswandlern auswirkt. Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung dieser Verlustmechanismen und die Entwicklung eines Modells, welches speziell für höhere Spannungen optimiert wurde. Das vorgestellte Modell ermöglicht zum einen die optimale Dimensionierung der Spannungswandler und zum anderen faire Vergleichsmöglichkeiten zwischen verschiedenen SC Spannungswandler Architekturen und Halbleitertechnologien. Demnach haben sowohl die gewählte Architektur und Halbleitertechnologie als auch die Kombination aus gewählter Architektur und Technologie erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler. Ziel dieser Arbeit ist die Vollintegration eines SC Spannungswandlers mit einem weiten und hohen Eingangsspannungsbereich zu entwickeln. Dazu wurden verschiedene Schaltungsarchitekturen und Konzepte untersucht. Der vorgestellte vollintegrierte SC Spannungswandler weist einen Eingangsspannungsbereich von 2 V bis 13 V auf. Dies ist eine Verdopplung im Vergleich zum Stand der Technik. Dies wird durch einen implementierten Auf- und Abwärtswandler-Betriebsmodus sowie 17 Übersetzungsverhältnisse erreicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen einen Spitzenwirkungsgrad von 81.5%. Dies ist der höchste veröffentlichte Spitzenwirkungsgrad für vollintegrierte SC Spannungswandler mit einer Eingangsspannung größer 5 V. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Modells wird eine dreiphasige SC Spannungswandler Architektur für Eingangsspannungen bis zu 60 V entwickelt und anschließend analysiert und diskutiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit adressiert die kompakte Spannungsversorgung von Sensorknoten mit geringem Stromverbrauch, für Anwendungen wie Smart Home und Internet der Dinge (IoT). Für diese Anwendungen eignen sich besonders gut hochintegrierte Mikro-Netzteile, welche direkt mit dem 230VRMS-Hausnetz (bzw. 110VRMS) betrieben werden können. Das in dieser Arbeit vorgestellte Mikro-Netzteil nutzt einen in dieser Arbeit entwickelten SC Spannungswandler für hohe Eingangsspannungen. Die damit erzielte Ausgangsleistung ist 14-mal größer im Vergleich zum Stand der Technik. In SC Spannungswandlern für hohe Spannungen werden viele Leistungsschalter benötigt, deshalb muss bei der Schalteransteuerung besonders auf einen geringen Leistungsverbrauch und Flächenbedarf der benötigten Schaltungsblöcke geachtet werden. Gegenstand dieser Arbeit ist sowohl die Analyse verschiedener Konzepte für Pegelumsetzer, als auch die Entwicklung eines stromsparenden Pegelumsetzers für 50 V-Anwendungen. Mit einer Leistungsaufnahme von 2.1pJ pro Signalübergang reduziert der entwickelte Pegelumsetzer mit kapazitiver Kopplung um mehr als elfmal die Leistungsaufnahme im Vergleich zum Stand der Technik. Die erreichte Laufzeitverzögerung beträgt 1.45 ns. Damit erzielt der vorgestellte Hochspannungs-Pegelumsetzer als erster Pegelumsetzer für 50 V-Anwendungen eine Laufzeitverzögerung unter 2 ns und eine Leistungsaufnahme unter 20pJ pro Signalwechsel. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Leistungskennzahl um den Faktor zwei deutlich verbessert. Darüber hinaus werden im Rahmen dieser Arbeiten verschiedene Ladungspumpenkonzepte untersucht und bewertet. Die in dieser Arbeit optimierte Ladungspumpe verbessert den Stand der Technik um den Faktor 1.6 in Bezug auf den Wirkungsgrad. Die in dieser Arbeit entwickelte Schaltungsarchitektur eines bidirektionalen Schalters reduziert die dynamischen Schaltverluste um 70% und den benötigten Flächenbedarf inklusive der benötigten Ladungspumpe um bis zu 65% gegenüber dem Stand der Technik. Diese Verbesserungen ermöglichen es, die Leistungsschalter schnell und effizient anzusteuern. Schlagworte — Integriertes Powermanagement, hohe Eingangsspannung, Multi-Ratio SC Spannungswan- dler, Pegelumsetzer, bidirektionaler Schalter, Mikro-Netztei

Vergleichsstudie von Systemansätzen für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen

One of the major challenges for a global success of electric vehicles is to meet customer\u27s expectations to a user–friendly charging infrastructure. The technology of fast charging of electric vehicles offers electric vehicle users the opportunity to travel in excess of the car’s range. Therefore, various system approaches and standards for fast charging of electric vehicles have been developed in several countries and by different manufacturers. Within the scope of this study existing approaches of system designs for fast charging of electric vehicles in different regions (China/Europe/USA/Japan) have been analyzed in terms of their technical, economical and legal feasibility. For this purpose the general system for fast charging has been defined and several evaluation criterions have been determined. Based on the system, the regarded system approaches have been compared due to their different features and abilities. To expedite the comprehensive implementation of the fast charging technology, it is recommended that the proponents of the different system approaches will work together to benefit from their respective experience. Consequently, they are able to accelerate the joint use of the large technically and economically useful potential of fast charging

Aktive, modellbasierte Verschleißbeeinflussung beim Außenrundeinstechschleifen mittels elektromagnetischer Aktoren

Als geometrisch unbestimmtes Bearbeitungsverfahren stellt das Schleifen einen abschließenden und qualitätsbestimmenden Fertigungsschritt dar. Im Prozess auftretende Schwingungen, wie sie beispielsweise durch den Regenerativeffekt verursacht werden, können die Prozesssicherheit und die Werkstückqualität deutlich senken. Dabei treten insbesondere in Rundschleifprozessen mit konventionellen Schleifmitteln (\zB Korund, Siliziumkarbid) selbsterregte, produktivitätsbegrenzende Schwingungen auf. Diese entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Prozess und der dynamischen Nachgiebigkeit von Schleifmaschine und Werkstück. Schwingungen, hervorgerufen durch Welligkeiten auf dem Werkstück, kommen in Rundschleifprozessen nur in sehr niedrigen Frequenzbereichen vor und können deshalb durch passende Wahl der Prozessstellgrößen vermieden werden. Hingegen können Schwingungen, die zu einer Konturänderung der Schleifscheibe führen, in hohen Frequenzbereichen auftreten. Der vorgenannte Regenerativeffekt entsteht, verglichen mit dem werkstückseitigen Regenerativeffekt, langsam und führt erst nach längerem Fortschritt zu einer Reduktion der Oberflächenqualität des Werkstücks. Die Prognose und Vermeidung dieses werkzeugseitigen Regenerativeffektes stellt die Fertigung dennoch vor große Herausforderungen und kann nur durch häufige Abrichtzyklen oder reduzierte Zeitspanvolumina vermieden werden, was jedoch die Produktivität vermindert. Da das Schleifen am Ende der Wertschöpfungskette angesiedelt ist, kommt dem frühzeitigen Erkennen von regenerativen Prozessschwingungen eine besondere Bedeutung zu, um Ausschuss zu vermeiden und Durchlaufzeiten zu verringern. In dieser Arbeit werden Methoden zur frühzeitigen Erkennung dieser Schwingungen entwickelt und untersucht, welche die Realisierung von teil- oder vollautomatisierten Schleifprozessen ermöglichen. Darüber hinaus soll der Regenerativeffekt mithilfe einer modellbasierten Verschleißregelung und elektromagnetischer Aktoren derart beeinflusst werden, dass eine Bildung von Welligkeiten auf der Schleifscheibe vermieden wird.Using conventional grinding wheels (corundum, silicon carbite), one of the most limiting factors in terms of productivity and process stability in cylindrical plunge grinding are self-excited vibrations. These vibrations are caused by regenerative effects during the process and can reduce productivity and workpiece quality. Workpiece oscillations induced by single grain-workpiece contacts and limited dynamic stiffness of the grinding machine copy on the grinding wheel surface. This results in a regenerative effect, where a further increasing waviness of the grinding wheel causes an increasing workpiece vibration. While the regenerative effect can also develop on the surface of the workpiece, the resulting frequencies are much higher when appearing on the grinding wheel surface. Thus, they are much more difficult to manage and put high requirements on process planning and demand for frequent trueing operations and reduced feed rates. In scope of this work, the development and evaluation of methods for early chatter detection is presented. Since the progress of the waviness on the grinding wheels surface progresses relatively slowly, it is possible to manipulate the process forces in an early stage of chatter development. Dynamic process forces applied to the workpiece by electromagnetic actuators are capable of influencing the workpiece movement and therefore, the wear. Hence, the development of wheel-sided chatter vibration caused by waves on the grinding wheel can be prevented. This ensures a chatter free, stable grinding process

Gezielte Erzeugung mikroskopischer Schädigungsarten von Faserverbundwerkstoffen in Kombination mit Schallemissionsanalyse

Eine der größten Herausforderungen hinsichtlich der industriellen Anwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) stellt das komplexe Versagensverhalten des Werkstoffs dar, da unter mechanischer Belastung eine Vielzahl von unterschiedlichen mikroskopischen Schadensmechanismen auftritt. Hierdurch werden oftmals erhebliche Materialpuffer verwendet, die dem enormen Leichtbaupotential entgegenwirken. Die Initialisierung einer jeden Schädigung ist mit der Entstehung und Abstrahlung einer elastischen Welle verbunden, die für jeden Schadensmechanismus charakteristisch ist und daher als Fingerprint der Schädigung betrachtet werden kann. Die sogenannte Schallemissionsanalyse stellt daher für die Untersuchung des Bruchverhaltens von CFK-Bauteilen eine geeignete Methode dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau einer mikromechanischen Prüfvorrichtung vorgestellt, mit der verschiedene mikroskopische Schadensmechanismen von CFK-Materialien mit Hilfe von Modell-Verbunden gezielt einzeln erzeugt werden und mit Hilfe der Schallemissionsanalyse ausgewertet werden. Der Ansatz ermöglicht die Erzeugung und Analyse eines Faserbruchs, eines Faserauszugs (samt Faser-Matrix-Debonding) sowie eines Matrixrisses. Die aufgezeichneten Schallemissionssignale der unterschiedlichen Schadensmechanismen werden erstmals als Volumenwellen detektiert und deren reflexionsfreier Teil im Zeit- und Frequenzraum auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede hin untersucht. Außerdem können die einzelnen Schädigungsarten optisch (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie) und anhand ihrer Kraft-Weg-Signale charakterisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Kohlenstofffaser/Epoxidharz-Kombination angewendet. Die mikromechanischen Eigenschaften der sich zwischen Faser und Matrix ausbildenden Interphase können durch die Variation der Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffaser und des Aushärtezyklus des Epoxidharzes gezielt verändert und mit Hilfe von Einzelfaserauszugstests interpretiert werden. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Entwicklung und Umsetzung des Einzelfaserfragmentierungstests, ebenfalls gestützt durch die Schallemissionsanalyse. Die verschiedenen Schadensmechanismen sollen anhand ihrer charakteristischen Gemeinsamkeiten lokalisiert und identifiziert werden. Dabei ist es möglich, den Einfluss der Aushärtetemperatur des Epoxidharzes auf die thermischen Spannungen der eingebetteten Kohlenstofffaser und die Folge für den Ablauf des Einzelfaserfragmentierungstests darzustellen.One of the main challenges concerning the industrial application of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is the complex failure behaviour of this class of materials, especially the occurence of several microscopic types of failure in the material under mechanical loading. As a consequence, there exists a large contradiction between a huge material buffer and the lightweight potential. Each failure mechanism is accompanied by a respective excitation of an elastic wave, so that the recorded acoustic emission signal is kind of a fingerprint of each failure type. The acoustic emission analysis is a powerfull tool to investigate the fracture behaviour of CFRP materials. In the following, the experimental setup of a micromechanical test stage is presented, which was constructed to allow the manufacturing of different microscopic failure types in CFRP materials by using single fiber compounds and a direct correlation to the excited acoustic emission signals. In the micromechanical test stage, a realization and analysis of fiber breakage, fiber pull-out (including fiber-matrix-debonding) and matrix cracking is possible. The acoustic emission signals are recorded as bulk waves, where a small observation window of the primary acoustic emission signal is free of reflections and can be investigated concerning similiarities and differences in the time and the frequency domain. The individual failure types are also analysed by optical means (light microscopy and scanning electron microscopy) and by the related force-displacement curves. In this work, the combination of a carbon fiber and an epoxy matrix is used. The mechanical properties of the fiber-matrix-interphase are altered by a variation of the surface treatment of the fiber and the curing cycle of the epoxy resin, which can be interpreted by single-fiber pull-out-tests. A further essential part of this work is the development and implementation of the single-fiber fragmentation test and a direct correlation to the respective acoustic emission signals. The certain failure mechanisms are localized and identified according to similar characteristics in acoustic emission signals. It is possible to show the influence of the curing temperature on the thermal stresses inside the embedded fiber and its consequences for the single-fiber fragmentation test

Stromrichtersysteme zur Netzeinspeisungelektrischer Energie aus Brennstoffzellen

Brennstoffzellen stellen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades bei der Umwandlung chemischer Energie aus Brennstoffen wie z.B. Wasserstoff oder Erdgas in elektrische Energie eine Alternative zu thermisch-mechanisch-elektrischen Energiewandlungssystemen dar. Bei einer Einspeisung der elektrischen Energie in ein Verbundnetz (Netzparallelbetrieb) muss dazu ein Umrichtersystem die niedrige Gleichspannung des Brennstoffzellensystems in die im Verhältnis dazu hohe Wechselspannung passend zum Netz umwandeln. Wegen der niedrigen Spannung der Brennstoffzelle sind die Eingangsströme des Umrichtersystems verhältnismäßig hoch. Untersuchungen zu Wechselrichtersystemen für Brennstoffzellen stellen einen eigenständigen Forschungsbereich dar. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der leistungselektronischen Schaltungstechnik im mittleren Leistungsbereich lassen sich aus anderen Bereichen nur bedingt auf die Umwandlung der Energie aus Brennstoffzellen bei geringen DC-Spannungen zum AC-Netz übertragen, da die Randbedingungen sehr unterschiedlich sind. In dieser Arbeit werden Untersuchungen und Bewertungen zu unterschiedlichen, prinzipiell geeigneten Wechselrichtertopologien für den mittleren Leistungsbereich um 20 kW und darüber, bezüglich ihrer Anwendung an Brennstozellen für den Netzparallellbetrieb vorgestellt. Neben transformatorlosen Wechselrichtern (direkte Umwandlung der DC-Größen in AC-Größen) werden auch Umrichtersysteme mit zwei gekoppelten Stromrichtern untersucht (DC/DC-Wandler und Wechselrichter). Es erfolgt zunächst eine kurze Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle sowie der wesentlichen Wechselrichterkomponenten (leistungselektronische Bauelemente, passive Komponenten). Dazu werden die Verlustmechanismen an Leistungshalbleitern erläutert und Berechnungsmethoden zusammengefasst. Für die Auslegung der passiven Elemente (Kondensatoren, Induktivitäten) werden die prinzipiellen Mechanismen genannt aber nicht im Detail betrachtet. Hier wird auf entsprechende Literatur verwiesen. Auf die Zusammenfassung der Anforderungen an ein Wechselrichtersystem für den Netzparallelbetrieb von Brennstoffzellen folgt die analyische Herleitung der Betriebsweise der untersuchten leistungselektronischen Schaltungen bzw. deren Beschreibung durch Gleichungen. Ebenso werden Gleichungen zur analytischen Verlustleistungsbestimmung der Wandler hergeleitet. Für eine Bewertung der Schaltungen in praktischer Hinsicht wurden die untersuchten Wandler aufgebaut und in Betrieb genommen. Die dargestellten Ergebnisse der Experimente verifzieren Teile der theoretischen Untersuchungen und ergänzen sie insbesondere in Bereichen, die durch die gewählte Modellierung nicht erfasst werden, wie z.B. das Kommutierungsverhalten der Leistungshalbleiter. Abschließend erfolgt unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Brennstoffzellen eine Bewertung der Schaltungstopologien bezüglich des Einsatzes für den netzparallelen Betrieb in dieser Anwendung. Die Bewertung beruht dabei unter anderem auf der Berechnung der Verluste der Leistungshalbleiter, der Bestimmung des Bauaufwandes der unterschiedlichen Schaltungstopologien bezüglich der Leistungshalbleiter, den theoretisch erreichbaren Wirkungsgraden und den Erfahrungen aus dem experimentellen Betrieb.Fuel cells represent an important potential alternative to conventional thermal-mechanical- electrical energy transformations due to their highly efficient direct conversion of chemical energy, i.e. hydrogen or natural gas into electrical energy. Inverter systems that feed electrical power from fuel cells into the grid must convert the direct current of the fuel cell into the alternating current of the grid. In addition, these inverters have to adapt the different voltages of the fuel cell system to the grid. Inverter systems for fuel cells can be seen as an own field of research. Only a few results from other fields of research in power electronic circuits in the medium power range - like converters for electrical drives or power supplies - can be applied to inverter systems for fuel cells due to the different technical constraints. In this thesis, different topologies of appropriate inverter systems in the medium power range of 20 kW and higher are analyzed and compared to each other. This study includes transformerless inverters as well as two-stage inverter systems with high frequency transformers (DC/DC converter combined with an inverter). In the beginning, this thesis shows the electrical characteristics of the fuel cell and of the main inverter components like power semiconductors and passive components. In addition, the principles of power semiconductor losses and methods of the semiconductor power loss calculation are shown. This work does not focus on the dimensioning of the passive components like capacitors, chokes and transformers. The main principles of the dimensioning of the passive components are shown but are not analyzed in detail. The summary of the demands of a fuel cell inverter system is followed by the analytical analysis of the different inverter topologies. In addition, the semiconductor loss calculations for the topologies will be derived. To gain practical experience and to verify parts of the theoretical analysis, the converters presented were built and tested in the laboratory. The characteristics of their laboratory performance are shown. Some details of the topologies could only be seen by looking at the experimental results as the semiconductor commutation behavior for example. Finally, the inverter topologies are analyzed regarding their suitability as inverter system for feeding electrical energy from fuel cells to the grid. This analysis takes the electrical characteristics of a fuel cell system into account. It is based on the inverters operating behavior, their semiconductor power rating, the inverter efficiency and experimental results from laboratory setups of the converters. The semiconductor power rating and efficiency are compared based on an analytical calculation of the semiconductor losses

Vergleichende Untersuchungen dreistufiger Schaltnetzteiltopologien im Ausgangsleistungsbereich bis 3 kW

Basierend auf dem Stand der Technik konzentriert sich diese Arbeit auf die Analyse von zweistufigen und dreistufigen Schaltnetzteiltopologien für die Erzeugung niedriger Ausgangs-spannungen und hoher Ausgangsströme. Dabei sollten Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer technischen und sonstigen Parameter erschlossen werden. Die gewonnenen Aussagen beziehen sich auf Systeme mit einer Eingangsleistung von maximal 3680 W, da diese Leistung von einem einphasigen Hausanschluss, der mit 16 A abgesichert ist, bei 230 V bereitgestellt werden kann. Die Anwendungen, die hinter diesen Schalt-netzteilen stehen, sind sowohl Stromversorgungen für Server als auch für Telekommunikati-onsanlagen. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit sind weitgehend experimenteller Natur, da im Hinblick auf die hohe Komplexität eines Schaltnetzteils eine theoretische Beschreibung und Berechnung nur unter erheblichen Vernachlässigungen und damit Abweichungen von der Realität möglich wäre.Simulationen und Berechnung wurden als unterstützendes Hilfsmittel während der praktischen Umsetzung verwendet. Die sechs verschiedenen dreistufigen Schaltnetzteile, die im Rahmen dieser Dissertation ent-standen, wurden nach einer einheitlichen Designphilosophie entwickelt. Alle Systeme wurden für die Erzeugung von 12 V DC-Ausgangsspannung bei einer Ausgangsleistung von 800 W dimensioniert. Als Vergleichsobjekt wurde ein zweistufiger Demonstrator der Firma Infineon gewählt, der ebenfalls 12 V DC-Ausgangsspannung liefert. Der bei zweistufigen Topologien gegenwärtig erforderliche Kompromiss zwischen Bauvolumen für den Zwischenkreis und Eingangsspannungsbereich des Hauptwandlers kann mit drei-stufigen Lösungen nachweislich überwunden werden. Bei diesen Konzepten wird ein zusätzlicher Wandler in den Leistungspfad eingebunden, der die Leistungsstellung übernimmt. Der Hauptwandler arbeitet nun als ungesteuertes Übertragungsglied in Form eines "DC-Transformators". Das bedeutet er kann mit Vollaussteuerung, d.h. 100 % Konvertertastver-hältnis operieren und auf ZVS-Betrieb bzw. für resonantes Schalten ausgelegt werden. Als Glied für die Leistungsstellung bietet sich ein Tiefsetzsteller an, da er einen einfachen Aufbau besitzt, sehr gut in einem weiten Eingangsspannungsbereich arbeiten kann und einfach zu steuern ist. Der Tiefsetzsteller kann auf der Primärseite des Transformators angeordnet wer-den, wo er die Hauptstufe mit einer konstanten Spannung versorgt (Pre-Regulated Konzept). Die andere Variante ist die Anordnung auf der Sekundärseite des galvanisch isolierenden Wandlers (Post-Regulated Konzept). Bei dieser Lösung überträgt der "DC-Transformator" die Zwischenkreisspannung in einem festen Verhältnis, mit all ihren Schwankungen. Der nach-folgende Tiefsetzsteller muss die Schwankungen ausgleichen und die DC-Ausgangsspannung an der Last konstant regeln. Der zweistufige Demonstrator ist eine spannungsgespeiste, partiell hart schaltende Halbbrücke mit PFC-Stufe.Die untersuchten dreistufigen, primärseitig geregelten Schaltnetzteile (Pre-Regulated) waren: ein Current Fed Push Pull-Konverter; ein Current Fed Full Bridge-Konverter und ein Parallelresonanzkonverter, jeweils mit primärseitigem Tiefsetzsteller.Die betrachteten Netzteile mit sekundärseitiger Regelung (Post-Regulated) waren: eine par-tiell hart schaltende Halbbrücke, ein Serienresonanzkonverter und ein LLC-Konverter, immer mit sekundärseitigem Tiefsetzsteller. Alle dreistufigen Netzteile verfügen ebenfalls über eine PFC-Stufe. Die nachstehenden Teile dieses Kapitels rekapitulieren die wichtigsten Ergebnisse dieser Dis-sertation.Folgende charakteristische Aussagen lassen sich zu den Pre-Regulated SMPS treffen:Die primärseitigen Hauptstufen-MOSFETs des Current Fed Push Pull-Konverters und des Current Fed Full Bridge-Konverters sind einer sehr starken Spannungsbelastung ausgesetzt. Die sekundärseitigen Gleichrichter-MOSFETs werden in den primärseitig stromeingeprägten Systemen hingegen nur mit geringen Überspannungen belastet.Der Parallelresonanzkonverter ist eine Abwandlung des Current Fed Full Bridge-Konverters, um bewusst resonantes Schalten zu erreichen und Schaltverluste zu reduzieren. Die Belastung der Schaltelemente liegt in der Größenordnung des Vollbrückenwandlers. Nachteilig an diesem Konzept ist die Lastabhängigkeit der Resonanz aufgrund der seriellen Lastauskopplung im Schwingkreis.Die Realisierung eines sekundärseitigen Synchrongleichrichters lässt sich in allen stromgespeisten Topologien nur mit erhöhtem Aufwand umsetzen.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein stromgespeister Wandler nicht für die Erzeugung hoher Ströme in Kombination mit niedrigen Ausgangsspannungen geeignet ist. Der Hauptgrund dafür ist die negative Wirkung der Streuinduktivität auf die aktiven Bauelemente. Die Post-Regulated Stromversorgungen sind durch nachfolgende Aussagen gekennzeichnet:Die Untersuchungen der partiell hart schaltenden Halbbrücke, bei einer hohen Schaltfrequenz von 500 kHz, haben gezeigt, dass dieser Wandler in keinem Betriebszustand als "DC-Transformator" geeignet ist, da sein Verhalten sehr lastabhängig ist. Eine Drossel zur Begren-zung der Stromsteilheiten sowie Clampingdioden sind nötig, um ein arbeitspunktabhängiges Nullspannungsschalten und gleichzeitig zulässige Spannungsbelastungen der sekundärseitigen Gleichrichter zu erreichen.Die Begrenzungsdrossel limitiert aufgrund ihres Spannungsabfalls aber auch die Ausgangs-leistung des Wandlers.Der Serienresonanzkonverter ist sehr gut als "DC-Transformator" geeignet, solange genügend Strom (Laststrom) abgeschaltet werden kann, der die Ausgangskapazitäten der MOSFETs umlädt, um ZVS-Betrieb zu erreichen. Im Teillastbetrieb kommt es in Abhängigkeit von Schaltfrequenz, Zweigverriegelungszeit und Steuerwinkel (Grad der Überresonanz) zum Verlust der ZVS-Bedingung. Ab diesem Zeitpunkt schalten die primärseitigen Halbbrücken-MOSFETs hart auf die Zwischenkreisspannung ein und verursachen große Schaltverluste.Als Problemlösung kann eine Abwandlung des Serienresonanzwandlers betrachtet werden, der LLC-Konverter. Dieser Konverter besitzt eine definiert reduzierte Hauptinduktivität im Transformator, so dass lastunabhängig immer ein ausreichender Magnetisierungsstrom fließt, um die Ausgangskapazitäten der MOSFETs umzuladen. Die Untersuchungen des LLC-Konverters haben gezeigt, dass mit diesem Wandler über den gesamten Lastbereich ein Nullspannungsschalten möglich ist. Der LLC-Konverter ist daher sehr gut als lastunabhängiger "DC-Transformator" geeignet. Das ist eine wichtige Erkenntnis der vorliegenden Arbeit. Der wesentliche Vorteil der dreistufigen Lösungen gegenüber den zweistufigen Konzepten ist die Einsparung von Zwischenkreiskapazität und der Ausgleich von Spannungsschwankungen (z.B. brown-out) am Zwischenkreis über das Regelspiel des Tiefsetzstellers. Die reduzierte Zwischenkreiskapazität wirkt sich positiv auf die Systemkosten und die Leistungsdichte aus. Jede einzelne Stufe des SMPS kann separat arbeiten. Die damit verbundene Erhöhung der Freiheitsgrade dient zur Beeinflussung von Schaltungsparametern und bewirkt eine bessere Anpassung der dreistufigen Topologien an die jeweilige Anwendung.Bei Bedarf kann auch eine Synchronisation zwischen den Stufen erfolgen. Im höheren Leistungsbereich ist eine Synchronisation zwischen PFC-Stufe und der folgenden Stufe sinnvoll, um den Zwischenkreiskondensator zu entlasten. Die Auslegung der einzelnen Stufen eines dreistufigen Schaltnetzteils lässt sich in der Regel recht einfach realisieren, da die Aufgaben Leistungsstellung und galvanische Trennung durch zwei unterschiedliche Wandler vollzogen werden. Diese klare Trennung kann in einem drei-stufigen Konzept mit LLC-Konverter zu einer Verbesserung des Systemwirkungsgrades gegenüber der zweistufigen Lösung genutzt werden.Die getrennte Optimierbarkeit der einzelnen Stufen eines Schaltnetzteils führt zu einem optimalen Gesamtsystem. Nachteilig bei einer dreistufigen Lösung ist die höhere Bauelementeanzahl gegenüber dem zweistufigen Ansatz. Die höhere Bauelementeanzahl muss sich nicht direkt in den Systemkosten widerspiegeln. Der Vergleich der experimentell untersuchten Netzteile, hat bei ausschließlicher Betrachtung der Bauelementekosten, ein ähnliches Kostenniveau für die zwei- und drei-stufigen Lösungen gezeigt. Das Ziel dieser Arbeit, mit einer dreistufigen Topologie einen höheren Wirkungsgrad zu er-reichen, als mit einem zweistufigen Ansatz, wurde nur bedingt erfüllt. Als Grund für dieses Ergebnis lassen sich die hohen Schaltfrequenzen in den einzelnen Stufen benennen. Die hohen Schaltfrequenzen führen zur Entstehung beachtlicher Schaltverluste. Im Volllastbetrieb wird mit dem dreistufigen LLC-Konverter eine geringere Effizienz als mit der zweistufigen Topologie erreicht. Im Teillastbetrieb hingegen war der LLC-Konverter dem zweistufigen System überlegen.Die Steigerung der Leistungsdichte gegenüber der zweistufigen Lösung wurde mit den dreistufigen Lösungen erreicht, da das Bauvolumen für den Zwischenkreis signifikant verkleinert werden konnte. Die Arbeit stellt die qualitativen Eigenschaften der einzelnen Topologien dar. Die getroffenen quantitativen Aussagen basieren auf dem derzeitigen Stand der Technik bei Halbleitern und passiven Bauelementen. Aufgrund der ständigen Weiterentwicklung auf den Sektoren Halbleiter und passive Bauelemente haben die vorgelegten Untersuchungsergebnisse nur einen, aber dennoch sehr nützlichen, Orientierungscharakter. Diese Arbeit wurde auch zur Auslotung von aktuell relevanten Schaltfrequenzen genutzt, so dass die vorgestellten Wirkungsgrade nicht die maximal möglichen Werte darstellen. Die Benutzung hoher Schaltfrequenzen wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad aus. Die Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber den gemessenen Werten, lässt sich durch eine Absenkung der Schaltfrequenzen erreichen. Aus dem heutigen Stand der Technik bei Halbleitern und Magnetmaterialien lässt sich schließen, dass dreistufige Topologien mit Schaltfrequenzen im Be-reich von 70 kHz bis 130 kHz optimal für die Erzielung eines hohen Systemwirkungsgrades geeignet sind. Für hohe Ausgangsleistung ist die Verwendung von kaskadierten (Interleaved) Konzepten, in Kombination mit niedrigen Schaltfrequenzen (70 kHz bis 130 kHz) sinnvoll. Dabei können Auslöschungseffekte aufgrund versetzter Pulsung ausgenutzt werden, um passive Bauelemen-te zu entlasten. Die Leistungsgrenzen für den Einsatz von kaskadierten Konzepten sind nicht klar abgesteckt und von der jeweiligen Anwendung abhängig. Der LLC-Konverter mit sekundärseitigem Tiefsetzsteller hat sich als beste dreistufige Topo-logie herauskristallisiert. Aufgrund der sehr guten Eigenschaften des LLC-Konverters in einer dreistufigen Topologie ist es sinnvoll, in einer weiterführenden Arbeit den LLC-Wandler mit einem primärseitig angeordneten Tiefsetzsteller zu paaren. Diese Konfiguration würde weitere Vorteile bezüglich der Auslegung des Tiefsetzstellers bringen. Eine Wirkungsgrad-Abschätzung wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits durchgeführt. Es wird empfohlen, die dreistufigen Schaltnetzteile in einer weiterführenden Arbeit konstruktiv zu optimieren. Dabei sollte die bestmögliche Aufbau- und Verbindungstechnik zum Einsatz kommen. Ein virtuelles 3D-Prototyping des Netzteiles mit Gehäuse, unter Einbeziehung aller elektrischen und thermischen Aspekte, kann zu einer weiteren Erhöhung der Leistungsdichte von dreistufigen Topologien führen.Im Buchhandel erhältlich : Vergleichende Untersuchungen dreistufiger Schaltnetzteiltopologien im Ausgansleistungsbereich bis 3 kW / von Ulf Schwalbe Ilmenau : ISLE, 2009. - 234 S. ISBN 978-3-938843-49-

Neues Konzept für die bedarfsgerechte Energieversorgung des Künstlichen Akkommodationssystems

Das Wiederherstellen der Akkommodationsfähigkeit des Auges bei Presbyopie oder nach Kataraktoperationen stellt derzeit eine der größten Herausforderungen der Augenheilkunde dar. Das Künstliche Akkommodationssystem ermöglicht die dauerhafte Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Konzept für die bedarfsgerechte Energieversorgung des Künstlichen Akkommodationssystems erstellt

Methoden zur Analyse der Spannungsqualität im Frequenzbereich bis 500 kHz

Die Ankopplung von Geräten an das elektrische Energienetz erfolgt zunehmend mittels leistungselektronischer Baugruppen. Dies führt zu einer Degradation der Spannungsqualität und zu Leistungsflüssen oberhalb der Grundschwingung. Bisher können diese Effekte nicht ausreichend genau gemessen werden. In dieser Arbeit wird ein Messsystem entwickelt, das die Messung spektraler Spannungsqualität, harmonischer Leistungen und der Netzfrequenz mit höherer Genauigkeit und Zeitauflösung ermöglicht. Mit einem Laborprototypen wird die Leistungsfähigkeit durch Messungen am Netz gezeigt.Devices are increasingly being connected to the electrical power grid by means of power electronic assemblies. This causes a degradation in power quality and power flows above the fundamental frequency. Until now, those effects cannot be measured with sufficient accuracy. In this thesis, a novel measurement system is developed that allows the measurement of spectral power quality, harmonic power flows and power system frequency with higher accuracy and time resolution. A laboratory prototype is used to demonstrate its performance through measurements on the grid