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Fakultät für Ingenieurwissenschaften

Lehrstuhl Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran

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Promotionen

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Im Jahr 2020

Dr.-Ing. Patrick HofstetterEinklappen

Hochausnutzung von Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren in Traktionsumrichtern

Mit zunehmendem technologischen Fortschritt und der Verfügbarkeit in höheren Spannungsklassen werden SiC-MOSFETs immer attraktiver für Traktionsapplikationen. Ein Austausch der bisher im Traktionsumrichter vorwiegend eingesetzten Si-IGBTs verspricht, die Effizienz zu erhöhen, Bauraum zu sparen und das Gewicht zu reduzieren. Ungeklärt ist, wie hierbei das Potenzial der SiC-Halbleiterbauelemente höchstmöglich ausgenutzt und ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann.

Aufbauend auf den halbleiterphysikalischen Grundlagen werden in dieser Dissertation die fundamentalen Fragen zur optimalen Ansteuerung, Schutz und Robustheit der neuen Halbleiterbauelemente in den Umgebungsbedingungen des Traktionsumrichters beantwortet.

Dissertation: https://www.dr.hut-verlag.de/9783843944755.html

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Im Jahr 2019

Dr.-Ing. Andreas MärzEinklappen
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Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren in Gleichspannungswandlern für Hochleistungsbordnetze

Die wachsende Marktreife von SiC MOSFETs ermöglicht den kommerziellen Einsatz in galvanisch getrennten Hilfsbetriebeumrichtern zur Versorgung von Schienenfahrzeugbordnetzen. Diese neuartige Transistortechnologie hat das Potential die Leistungsdichte und die Schaltfrequenz deutlich zu steigern, wodurch das Bauvolumen und das Gewicht passiver Bauelemente reduziert wird.

Weiterhin führt ihr Einsatz zu einer Zunahme des Wirkungsgrades und den damit verringerten Kühlanforderungen. Die gesteigerte Effizienz eines solchen Wandlers macht sich insbesondere im Teillastbetrieb positiv bemerkbar.

Dissertation: https://www.dr.hut-verlag.de/9783843940719.html

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Dr.-Ing. Viktor HofmannEinklappen
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Hochausnutzung leistungselektronischer Stellglieder mit Sonderfunktionen in der Hochspannungsgleichstromübertragung

Der wachsende Energiebedarf und der zunehmende Anteil regenerativer Energien begünstigen einen Wandel der Erzeugerstruktur. Die damit einhergehenden, neuen technischen Herausforderungen können durch die bestehende Wechselstromtechnik nicht allein gemeistert werden. Die Hochspannungsgleichstromübertragung ermöglicht einen verlustarmen Energietransport über weite Strecken sowie eine hocheffiziente Energieumwandlung durch die eingesetzten Konverter. Weiterhin trägt die Verwendung der Gleichstromtechnik erheblich zur Stabilisierung der Wechselstromnetze bei, wobei zusätzliche Funktionen von den genutzten leistungselektronischen Stellgliedern gefordert werden.

Dissertation: https://www.dr.hut-verlag.de/9783843944809.html

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Im Jahr 2018

Dr.-Ing. Xu JiangEinklappen
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Protection Schemes for Modular Multilevel Converter Based High Voltage Direct Current Transmission System Converters

The development of suitable high‐voltage DC (HVCD) breakers is an important element in the design of HVDC transmission systems as fault protection in DC systems is more complicated than in AC systems. The lack of zero crossing between DC voltage and current is a serious challenge, making it more difficult to realize insulation and arc extinguishment than in AC systems. Traditional mechanical circuit breakers have long switching times (tens of milliseconds) that make it difficult to meet the protection requirement of a DC system.

In recent years, several new HVDC breakers and relevant protection schemes have been proposed. These topologies and protection schemes have a variety of advantages and disadvantages. This dissertation compares different fault current protection schemes with regard to power loss, switching time, the number of semiconductor elements and so on; proposes a new protection scheme; and discusses the overvoltage protection scheme of insulated‐gate bipolar transistors (IGBTs) in multilevel modular converters (MMCs; called random first blocking). With this method, there are many possible fault‐current slopes after the first blocking. The threshold current can be determined using this method.

Dissertation: https://www.shaker.de/de

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Dr.-Ing. Stefan HainEinklappen
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Leistungsfähigkeit und Kurzschlussschutz von spätentsättigenden Micro Pattern Trench IGBTs

Die Effizienz von Halbleitertransistoren bestimmt maßgeblich den Wirkungsgrad von leistungselektronischen Systemen. In dieser Dissertation wird untersucht, wie die Leistungsfähigkeit von 1200V IGBTs durch eine MPT‐Steuerkopfstruktur in Verbindung mit einer maximal erhöhten Kanalweite gesteigert werden kann. Da durch den damit verbundenen, stark erhöhten Entsättigungsstrom eine Desat‐Kurzschlusserkennung nicht mehr angewendet werden kann, wird in dieser Arbeit eine neuartige, extrem schnelle Kurzschlussdetektion vorgestellt, welche es erlaubt das Potential von spätentsättigenden MPT‐IGBTs vollständig auszuschöpfen.

Dissertation: https://www.dr.hut-verlag.de/9783843938617.html

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Im Jahr 2016

Dr.-Ing. Michael GleißnerEinklappen
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Stromrichterstrukturen zur Steigerung der Verfügbarkeit durch Fehlertoleranz

Der wachsende Anteil von Leistungselektronik in der Energieversorgung und Antriebstechnik rückt die Zuverlässigkeit dieser Systeme immer stärker in den Fokus, weil das Risiko für Unfälle von Personen und finanzielle Einbußen ansteigt. Die vorliegende Dissertation befasst sich in diesem Kontext mit Möglichkeiten zur Erreichung von Zuverlässigkeitsanforderungen durch fehlertolerante Stromrichterstrukturen. Dazu wird zunächst das Ausfallverhalten von Leistungshalbleiterschaltern untersucht und passende Schaltungsstrukturen zur Fehlerisolation oder Rekonfiguration der Schaltung aufgezeigt.

Als innovative Gleichspannungswandler werden mehrphasige Multilevelwandler für ein 48 V-Fahrzeugbordnetz sowie Multilevelwandler mit Levelreduktion auf Basis des Flying Capacitor Multilevel DC-DC-Wandlers analysiert. Deren vorteilhaftes Verhalten im Normalbetrieb sowie die erfolgreiche Rekonfiguration im Fehlerfall werden anhand von Prototypen verifiziert. Im Bereich der Wechselspannungswandler wird eine neuartige aufwandsreduzierte Schaltung präsentiert. Neben der Auslegung von Sicherungen zur Abtrennung fehlerhafter Phasen werden die Potentiale von fehlertoleranten DC-AC-Multilevelschaltungen erörtert. Überdies werden die Auswirkungen von Wechselrichterfehlern auf das Verhalten von elektrischen Maschinen abhängig von deren Typ erläutert. Die vorgestellten Schaltungen weisen verbesserte Betriebseigenschaften gegenüber bekannten Lösungen auf und leisten einen Beitrag zur Steigerung der Verfügbarkeit von Stromrichtern.

Dissertation: http://www.dr.hut-verlag.de/9783843928595.html

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Dr.-Ing. Marco DenkEinklappen
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In-Situ-Zustandsüberwachung von IGBT-Leistungshalbleitern mittels Echtzeit-Sperrschichttemperaturmessung

Zur Verifikation der Alterung und der Betriebsbelastung eines IGBT-Leistungsmoduls im Feld wird in dieser Arbeit ein neues Verfahren zur In-Situ-Zustandsüberwachung und zur Echtzeit-Sperrschichttemperaturmessung eines Leistungshalbleiters vorgestellt und in einem Wechselrichter erprobt. Die zur Sperrschichttemperaturmessung entwickelte IGBT-Treiberschaltung misst die Temperatur des auf dem Leistungshalbleiter befindlichen internen Gate-Widerstandes durch eine kurzzeitige Überlagerung der negativen Steuerspannung mit einem sinusförmigen Identifikationssignal. Die während des Wechselrichterbetriebes mit einem niederfrequenten Ausgangsstrom ersichtlichen Sperrschichttemperaturzyklen ermöglichen eine gezielte Überwachung des mit der Alterung eines Leistungsmoduls korrelierenden thermischen Widerstandes zwischen dem Leistungshalbleiter und dem DCB-Substrat sowie eine zusätzliche Überwachung des thermischen Gesamtwiderstandes tieferliegender Materialschichten. Die während der Nutzungsphase auftretende Betriebsbelastung wird mit einem echtzeitfähigen Rainflow-Algorithmus erfasst. Die vorliegende Arbeit präsentiert damit erstmalig einen implementierbaren Ansatz zur umfassenden thermischen Überwachung eines Leistungshalbleiters und dessen betrieblicher Belastung im Feld.  

Dissertation: http://www.dr.hut-verlag.de/9783843926256.html

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Im Jahr 2015

Dr.-Ing. André SchönEinklappen
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Gleichspannungswandler für die Hochspannungsgleichstromübertragung

Der Wandel der Erzeugerstruktur elektrischer Energie von fossilen, gut regelbaren Großkraftwerken nahe der Lastzentren hin zu in der Fläche verteilten,  regenerativen und damit volatilen Kraftwerken kleiner und mittlerer Leistung stellt das bestehende Energieübertragungsnetz vor enorme Herausforderungen. Die auf Grund der Energiewende notwendigen Übertragungs-kapazitäten werden in Zukunft verstärkt auch durch Hochspannungsgleichstromtrassen zur Verfügung gestellt werden.

In der vorliegenden Dissertation werden in diesem Kontext Gleichspannungswandlertopologien für die direkte Verbindung von HVDC-Trassen unterschiedlicher Nennspannung untersucht.

Auf Basis des Modularen Multilevel Konverters wurde hierfür im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige HVDC-DC-Wandlertopologie entwickelt.

Durch die umfassende Analyse der MMC-Technologie wird daher zunächst ein grundlegendes Verständnis für die prinzipielle Funktionsweise und die Skalierung MMC-basierter Schaltungstopologien vermittelt. Darauf aufbauend werden die Leistungsfähigkeit sowie die Möglichkeiten der neuartigen HVDC-Spartransformatortopologie untersucht und mit dem Stand der Technik sowie weiteren, aus der Literatur bekannten HVDC-DC-Wandlerkonzepten verglichen.

Dissertation: https://www.dr.hut-verlag.de/9783843923583.html

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Verantwortlich für die Redaktion: Christine Schmidt

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