Motor design for maximum material exploitation and magnetization procedure with in-line quality check for mass production PDF Download
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Author: Dinca, Christian
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 3798328838
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 187
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Book Description
To reduce the amount of Rare-earth Elements in high efficient permanent magnet electric motors, the magnetic stray flux has to be reduced. Additonally, a temperature reduction inside the motor reduces the necessary amount of the so called Heavy Rare-earth Elements, which account for the bulk part of the magnet material costs. In this thesis a permanent magnet motor in wet rotor configuration for an automotive application is designed. It was shown that by simple thermal improvements of the electric insulation system the maximum temperature of the stator can be reduced. Extensive measurements on different combinations of insulation material of the stator and the development of a new thermal model for orthocyclic wound stators were performed. Due to the use of fiber cans eddy current losses could be eliminated and the stray flux minimized. In a second stage a magnetizing fixture was build up, which is able to magnetize the buried magnets inside the rotor. The rotor and the magnetizing fixture was developed, so that the magnets can be optimal magnetized. To check the quality of the magnets the magnetizing coil was developed in a way, such that the hysteresis curve of every single magnet during magnetization can be measured. Different magnets were tested and ways to calculate parasitics are given. Um die Menge an Selten Erden in hoch-effizienten permanent erregten Elektromotoren zu reduzieren, muss der magnetische Streufluss verringert werden. Eine Temperaturreduktion im Motor verringert zudem die nötige Menge an so genannten schweren Selten Erden, welche einen Großteil der Kosten der Magnetmaterialien ausmachen. In dieser Arbeit wird dazu ein permanent erregter Nassläufer für eine automotive Anwendung ausgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass durch einfache Maßnahmen im Bereich der elektrischen Isolation die maximale Temperatur im Stator reduziert werden konnte. Umfangreiche Messungen an verschiedenen Kombinationen von elektrischen Isolationen des Stators und die Entwicklung eines neuen thermischen Models für orthozyklisch gewickelte Statoren wurden getätigt. Durch Einsatz von Spaltrohren aus Faserverbundwerkstoffen konnten die Wirbelstromverluste beseitigt werden und der Streufluss minimiert werden. In einem zweiten Schritt wurde eine Magnetisiervorrichtung aufgebaut, mit der die zu Anfang unmagnetisierten eingebetteten Magneten im Rotor aufmagnetisiert werden konnten. Der Rotor wurde zudem zusammen mit der Magnetisierungsspule so ausgelegt, dass die Magnete optimal magnetisiert werden können. Um die Qualität der Magnete zu testen wurde die Magnetisierspule zudem so ausgelegt, dass eine Messung der Hysteresekurve jedes einzelnen Magneten während der Magnetisierung möglich ist. Verschiedene Magnete wurden vermessen und Möglichkeiten zur Bestimmung von parasitären Effekten gegeben.
Author: Dinca, Christian
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 3798328838
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 187
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To reduce the amount of Rare-earth Elements in high efficient permanent magnet electric motors, the magnetic stray flux has to be reduced. Additonally, a temperature reduction inside the motor reduces the necessary amount of the so called Heavy Rare-earth Elements, which account for the bulk part of the magnet material costs. In this thesis a permanent magnet motor in wet rotor configuration for an automotive application is designed. It was shown that by simple thermal improvements of the electric insulation system the maximum temperature of the stator can be reduced. Extensive measurements on different combinations of insulation material of the stator and the development of a new thermal model for orthocyclic wound stators were performed. Due to the use of fiber cans eddy current losses could be eliminated and the stray flux minimized. In a second stage a magnetizing fixture was build up, which is able to magnetize the buried magnets inside the rotor. The rotor and the magnetizing fixture was developed, so that the magnets can be optimal magnetized. To check the quality of the magnets the magnetizing coil was developed in a way, such that the hysteresis curve of every single magnet during magnetization can be measured. Different magnets were tested and ways to calculate parasitics are given. Um die Menge an Selten Erden in hoch-effizienten permanent erregten Elektromotoren zu reduzieren, muss der magnetische Streufluss verringert werden. Eine Temperaturreduktion im Motor verringert zudem die nötige Menge an so genannten schweren Selten Erden, welche einen Großteil der Kosten der Magnetmaterialien ausmachen. In dieser Arbeit wird dazu ein permanent erregter Nassläufer für eine automotive Anwendung ausgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass durch einfache Maßnahmen im Bereich der elektrischen Isolation die maximale Temperatur im Stator reduziert werden konnte. Umfangreiche Messungen an verschiedenen Kombinationen von elektrischen Isolationen des Stators und die Entwicklung eines neuen thermischen Models für orthozyklisch gewickelte Statoren wurden getätigt. Durch Einsatz von Spaltrohren aus Faserverbundwerkstoffen konnten die Wirbelstromverluste beseitigt werden und der Streufluss minimiert werden. In einem zweiten Schritt wurde eine Magnetisiervorrichtung aufgebaut, mit der die zu Anfang unmagnetisierten eingebetteten Magneten im Rotor aufmagnetisiert werden konnten. Der Rotor wurde zudem zusammen mit der Magnetisierungsspule so ausgelegt, dass die Magnete optimal magnetisiert werden können. Um die Qualität der Magnete zu testen wurde die Magnetisierspule zudem so ausgelegt, dass eine Messung der Hysteresekurve jedes einzelnen Magneten während der Magnetisierung möglich ist. Verschiedene Magnete wurden vermessen und Möglichkeiten zur Bestimmung von parasitären Effekten gegeben.
Author: Schneider, Simon Michael
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 3798330247
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 144
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Book Description
This thesis gives an overview of test bench design for inverter operated Medium Voltage (MV) drives with the focus on the active power measurement. The sources of measurement setup uncertainty are analysed and methods are shown to assess these uncertainties. Further, a possibility is shown to do quantitative uncertainty estimations which are verified with measurements through different measurement setups for MV drives operated with multilevel converters. The influence of measurement transducers, voltage dividers, power meters and data acquisition boards are considered. The digital signal processing is analysed and the possibilities to reduce its uncertainty contribution on an active power measurement is shown. An analysis is made with the conventional measurement devices in the MV-range. The transfer behaviour of the devices and the characteristics of the uncertainty are investigated. Measurements are done on typical medium voltage drives with an uncertainty analysis, which shows the essential aspects of active power measurement. The results show the significance of a measurement setup performance. The investigations on the drives are used to indicate the impact on the determination of the drive efficiency and gives a significant input for further standardisation processes. The handling of measurement uncertainties during active power measurement of drives is shown concerning the permanent topic of energy saving and its efficient use. The work proposes a way of categorising electrical drives in energy efficiency classes and to make their determination comparable. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über den Prüfstandsaufbau von umrichtergetriebenen Mittelspannungsantrieben. Die Unsicherheitsquellen werden analysiert und Methoden werden aufgezeigt um die Messunsicherheit zu bewerten. Des Weiteren werden die Machbarkeit von Unsicherheitsabschätzungen gezeigt, welche mit Messungen an typischen Mittelspannungsantrieben mit Umrichterspeisung verglichen werden. Der Einfluss von Messwandlern, Spannungsteilern, Leistungsmessern und Messkarten zur Signalerfassung wird berücksichtigt. Die digitale Signalverarbeitung wird analysiert um den Unsicherheitsbeitrag zur Wirkleistungsmessung zu reduzieren. Es werden konventionellen Messwandler und -teiler im Mittelspannungsbereich bezüglich ihres Übertragungsverhal- tens sowie Messunsicherheiten untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen verdeutlichen die Signifikanz eines performanten Messaufbaus. Des Weiteren werden Auswirkun- gen auf die Bestimmung der Effizienz aufgezeigt. Die Arbeit liefert einen wesentlichen Beitrag für weitere Standardisierungsprozesse. Der Umgang mit Messunsicherheiten der Wirkleistungsmessung wird betrachtet im Hinblick auf Energieeinsparpotenziale und deren effiziente Nutzung. Die Arbeit schlägt eine Möglichkeit vor, wie elektrische Antriebe in Energieeffizienzklassen kategorisiert werden können um diese vergleichbar zu machen.
Author: Dong, Rong
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 379833126X
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 130
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The electrical propulsion system as the core component of solar-power Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) for long duration flight requires high power density and stable drive technology. Brushless DC motors (BLDCM) with high power and torque density and control algorithms suitable for drive system are given preference for the application in UAVs. This dissertation is aimed at designing an improved BLDCM using only 4 interior magnet blocks to realize 8 poles compared to the conventional 8 magnet blocks structure. The performances of both BLDCM designs have been analytically determined and the motor models were verified through finite element software in ANSYS. Design and construction of the demonstrators of BLDCMs with the proposed and the conventional magnet structure have been carried out and a test bench for extensive performance comparison has been set up. Since the proposed magnet structure leads to a particularity of the magnetic circuit, the behavior of absolute and differential synchronous direct and quadrature inductances have been investigated by finite element model analysis and experiments. Efficiency maps were generated and thermal characteristics have been measured to gain a comprehensive understanding of the two motors. To reduce the uncertainty of sensor control for BLDCM, a high speed, good linearity analog isolation circuit to measure the voltages of 270 V DC voltage to realize sensorless control strategy has been designed. The circuit combines a PI controller with fast operational amplifiers with a built-in linearizing feedback photodiode loop of a linear optocoupler. A 3D stator model was built to analyse the mechanical resonance frequencies and possible excitation by the electromagnetic radial force leading to vibration and noise for the proposed and conventional rotor structure. Analytical calculation of natural mode frequencies has also been conducted to compare and validate the accuracy of FEM simulations and impact hammer testing experimental results. Das elektrische Antriebssystem als Kernkomponente von unbemannten Solarflugzeugen (UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) für Langzeitflüge erfordert eine hohe Leistungsdichte und robuste Antriebstechnik. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDCM) mit hoher Leistungs- und Drehmomentdichte sowie dafür angepasste Regelalgorithmen werden daher bevorzugt in UAVs eingesetzt. Diese Dissertation zielt darauf ab, einen verbesserten BLDCM mit nur 4 eingebetteten Magnetblöcken zu entwerfen, um 8 Pole zu realisieren im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur mit 8 Magnetblöcken. Das Verhalten beider BLDCM-Designs wurde analytisch ermittelt und die Motormodelle mit Hilfe von Finite-Elemente-Software in ANSYS verifiziert. Design und Konstruktion der Prototypen mit der vorgeschlagenen und der herkömmlichen Magnetstruktur wurden durchgeführt und es wurde ein Prüfstand für einen umfassenden Leistungsvergleich aufgebaut. Da die vorgeschlagene Magnetstruktur zu einem Magnetkreis führt, bei dem die entgegengesetzten Pole keine Spiegelsymmetrie aufweisen, wurden die Längs- und Querinduktivität durch Finite-Elemente-Modellanalyse und Experimente absolut und differentiell untersucht. Weiterhin wurden Wirkungsgradkennfelder erstellt und das thermische Verhalten untersucht, um ein umfassendes Verständnis der beiden Motoren zu erhalten. Um das sensorbedingte Ausfallrisiko zu eliminieren, wurde eine schnelle analoge Isolationsschaltung mit hoher Linearität und Stabilität zur Messung der gepulsten Spannungen bei 270V Gleichspannung entwickelt, um eine sensorlose Steuerungsstrategie zu realisieren. Die Schaltung verwendet einen linearen Optokoppler mit integrierter Rückkopplungsfotodiode, sowie einen PI-Regler mit schnellen Operationsverstärkern im Rückkopplungspfad. Ein 3D-Statormodell wurde erstellt, um die mechanischen Resonanzfrequenzen und die mögliche Anregung durch die elektromagnetische Radialkraft zu analysieren, die zu Vibrationen und Geräuschen bei der vorgeschlagenen und herkömmlichen Rotorstruktur führt. Es wurde auch eine analytische Modalanalyse durchgeführt, um die Genauigkeit von FEM-Simulationen und experimentellen Ergebnissen mit dem Impulshammer zu vergleichen und zu validieren.
Author: Just, Hendrik
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 379833207X
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 236
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Grid converters increasingly affect power system operation due to the increasing share of renewable energy sources and less conventional power plants. This shift in power generation leads to converter-dominated weak grids, which show critical stability phenomena but also enable converters to contribute to grid stability and voltage support. This thesis presents critical parts of converter controls and describes models to assess their characteristics. These models are used to derive design criteria and dedicated stability analysis methods for grid converter controls. Der steigende Anteil an erneuerbaren Energien in den Energieversorgungsnetzen führt zur Verdrängung konventioneller Kraftwerke. Diese Entwicklung lässt umrichterdominierte und schwache Netzabschnitte entstehen, die kritischen Stabilitätsmechanismen unterliegen, allerdings auch ermöglichen, dass Umrichter aktiv zur Netzstützung und Netzstabilität beitragen können. Die vorliegende Arbeit beschreibt kritische Regelungskomponenten der Umrichter und deren Modellierung. Auf Basis der Modelle werden Auslegungskriterien für die Regelungen abgeleitet und dedizierte Stabilitätsanalysemethoden präsentiert.
Author: Long, Julian
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 3798332789
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 260
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Book Description
Lithium plating is not only the most severe ageing mechanism in lithium-ion batteries (LIBs) but also becoming more and more important due the increasing presence of electric vehicles (EVs). In EVs the extreme conditions causing lithium plating, like very high charging currents and low environment temperatures, are much more prevalent than in consumer electronics. Due to the high number of factors that influence the plating process, ranging from the cell geometry to the chemical composition of the electrolyte, a deeper understanding of the plating process is still lacking. Without this knowledge it is hard to design cells in a plating resistant way, or to operate cells under the ideal conditions to minimize plating. This thesis aims at showing different methods to investigate the plating process on three different levels. The first method is on the cell level, investigating the behaviour of the whole cell during plating. It contains the analysis of the voltage and current profiles that show an atypical behaviour during plating. The focus of the analysis is on the current profile of the constant voltage (CV) phase during charging under low temperature conditions leading to plating. This current profile can be fitted with the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) function that describes the electrochemical deposition process of a metallic species on a surface. The resulting fitting parameters can be utilized to characterize the plating behaviour of the cell as well as better estimate the amount of plated lithium than commonly used methods. It can also potentially predict the future safety risk due to dendrite formation. In the second part the chemical composition of the surface electrolyte interface (SEI) is investigated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The composition as well as the mechanical properties of the SEI are strongly influencing the plating process and preliminary work has shown that plating is also changing the morphology of the SEI and increasing its thickness drastically. Cells under different conditions (plated, charged and discharged) as well as cells of different manufacturers have been probed using XPS. During the measurements an unwanted side effect of the experimental setup was discovered that lead to a migration of lithium to the surface of the sample and was distorting the measurement results. Regardless of the effect, it was possible to see that the SEI can have a very different composition in cells of different manufacturers and that plating not only changes the morphology but also the composition of the SEI. The unwanted side effect could furthermore be utilized to identify samples that were plated recently and could be used in further more controlled experiments to localize lithium depositions on plated samples. In the last part the particle structure of the anode surface of cells of different manufacturers was investigated using a watershed particle detection algorithm on laser scanning microscopy (LSM) images of the anode surfaces. The distributions of the particle sizes have then been compared to the capacity loss in plated cells. It was shown that the capacity loss correlates with parameters extracted from the particle size distributions. It is however necessary to create more data to verify this correlation. In summary this thesis utilized new methods to detect or characterize plating on different levels of magnification, from the cell level to the chemical composition. New approaches were found to predict a cells future plating behaviour, spatially localize plated areas on the anode and design cells in a plating resistant way. Lithium Plating ist nicht nur der Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien mit dem größten Kapazitätsverlust, sondern wird auch im Zuge der voranschreitenden Elektrifizierung des Personenverkehrs immer wichtiger. In Elektrofahrzeugen finden sich die extremen Zustände, wie niedrige Ladetemperaturen und hohe Ladestrome, unter denen Plating auftritt, deutlich häufiger als in Unterhaltungstechnik. Durch die Vielzahl von Parametern, von der Zellgeometrie bis hin zur Elektrolyzusammensetzung, die Plating beeinflussen, fehlt immer noch ein tieferes Verständnis des Plating-Prozesses. Ohne dieses Wissen ist es schwer, Zellen zu designen, die resistent gegen Plating sind oder Zellen unter optimalen Bedingungen zu betreiben um Plating zu minimieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Methoden aufzuzeigen, die die Untersuchung von Plating auf drei verschiedenen Ebenen ermöglichen. Die erste Methode untersucht das Gesamtverhalten der Zelle auf Zellebene. Hierbei wird das atypische Verhalten der Strom- und Spannunsprofile wahrend des Plating-Vorgangs analysiert. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Konstantstrom-Phase bei niedrigen Temperaturen während der Ladung. Das Stromprofil dieser Phase kann mit der JMAK-Funktion gefittet werden, welche die elektrochemische Abscheidung eines Metalls auf einer Oberfläche beschreibt. Die resultierenden Fitting-Parameter können genutzt werden, um das Plating-Verhalten vorherzusagen und sind gleichzeitig eine bessere Abschätzung fur die Menge an geplatetem Lithium im Vergleich zu gängigen Methoden. Die Ergebnisse konnten außerdem helfen das Sicherheitsrisiko der Zelle bei Dendritenbildung vorherzusagen. Im zweiten Teil wird die chemische Zusammensetzung der SEI mittels XPS untersucht. Die Zusammensetzung, wie auch die mechanischen Eigenschaften der SEI, beeinflussen den Plating-Prozess stark und es wurde in vorhergehenden Arbeiten gezeigt, dass Plating auch die Morphologie und Dicke der SEI drastisch verändern kann. Zellen in verschiedenen Zuständen (geplatet, geladen, entladen), sowie Zellen verschiedener Hersteller wurden mit XPS untersucht. Während der Messungen wurde ein ungewollter Nebeneffekt des Messaufbaus entdeckt, der zu einer Migration von Lithium an die Oberflache der Proben geführt und die Messergebnisse verfälscht hat. Unabhängig von diesem Effekt war es dennoch möglich, zu zeigen, dass die SEI in Zellen verschiedener Hersteller stark unterschiedliche Zusammensetzungen haben kann und dass Plating nicht nur die Morphologie der SEI beeinflusst, sondern auch die chemische Zusammensetzung. Weiterhin konnte der ungewollte Nebeneffekt verwendet werden, um Proben zu identifizieren, die vor kurzem geplatet wurden und konnte in zukünftigen Arbeiten verwendet werden, um lokalisiert Lithium-Ablagerungen auf geplateten Proben zu identifizieren. Im letzten Teil wurde die Partikelstruktur der Anoden von Zellen verschiedener Zellhersteller mit Hilfe einer watershed-Partikeldetektion an LSM-Bildern untersucht. Die Verteilung der Partikelgrößen wurde mit dem Kapazitätsverlust gleicher Zelle durch Plating verglichen. Es wurde gezeigt, dass der Kapazitätsverlust mit Parametern, die aus den Partikelverteilungen extrahiert wurden, korreliert. Ein größerer Datensatz ist jedoch notwendig, um diese Ergebnisse zu validieren. Zusammenfassend hat diese Arbeit verschiedene neue Methoden aufgezeigt, um Plating auf verschiedenen Vergrößerungsebenen zu detektieren und zu charakterisieren. Neue Ansätze wurden gefunden, um das Platingverhalten von Zellen vorherzusagen, lokalisiertes Lithium auf der Oberfläche zu detektieren und Zellen platingresistenter designen zu können.
Author: Eial Awwad, Abdullah
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
ISBN: 3798330964
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 184
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Book Description
Increasing demand for efficiency and power density pushes Si-based devices to some of their inherent material limits, including those related to temperature operation, switching frequency, and blocking voltage. Recently, SiC-based power devices are promising candidates for high-power and high-frequency switching applications. Today, SiC MOSFETs are commercially available from several manufacturers. Although technology affiliated with SiC MOSFETs is improving rapidly, many challenges remain, and some of them are investigated in this work. The research work in this dissertation is divided into the three following parts. Firstly, the static and switching characteristics of the state-of-the-art 1.2 kV planar and double-trench SiC MOSFETs from two different manufacturers are evaluated. The effects of different biasing voltages, DC link voltages, and temperatures are analysed. The characterisation results show that the devices exhibit superior switching performances under different operating conditions. Moreover, several aspects of using the SiC MOSFET’s body diode in a DC/DC converter are investigated, comparing the body-diodes of planar and double-trench devices. Reverse recovery is evaluated in switching tests considering the case temperature, switching rate, forward current, and applied voltage. Based on the measurement results, the junction temperature is estimated to guarantee safe operation. A simple electro-thermal model is proposed in order to estimate the maximum allowed switching frequency based on the thermal design of the SiC devices. Using these results, hard- and soft-switching converters are designed, and devices are characterised as being in continuous operation at a very high switching frequency of 1 MHz. Thereafter, the SiC MOSFETs are operated in a continuous mode in a 10 kW / 100-250 kHz buck converter, comparing synchronous rectification, the use of the body diode, and the use of an external Schottky diode. Further, the parallel operation of the planar devices is considered. Thus, the paralleling of SiC MOSFETs is investigated before comparing the devices in continuous converter operation. In this regard, the impact of the most common mismatch parameters on the static and dynamic current sharing of the transistors is evaluated, showing that paralleling of SiC MOSFETs is feasible. Subsequently, an analytical model of SiC MOSFETs for switching loss optimisation is proposed. The analytical model exhibits relatively close agreement with measurement results under different test conditions. The proposed model tracks the oscillation effectively during both turn-on and –off transitions. This has been achieved by considering the influence of the most crucial parasitic elements in both power and gate loops. In the second part, a comprehensive short-circuit ruggedness evaluation focusing on different failure modes of the planar and double-trench SiC devices is presented. The effects of different biasing voltages, DC link voltages, and gate resistances are evaluated. Additionally, the temperature-dependence of the short-circuit capability is evaluated, and the associated failure modes are analysed. Subsequently, the design and test of two different methods for overcurrent protection are proposed. The desaturation technique is applied to the SiC MOSFETs and compared to a second method that depends on the stray inductance of the devices. Finally, the benefits of using SiC devices in continuous high-frequency, high-power DC/DC converters is experimentally evaluated. In this regard, a design optimisation of a high-frequency transformer is introduced, and the impact of different core materials, conductor designs, and winding arrangements are evaluated. A ZVZCS Phase-Shift Full-Bridge unidirectional DC/DC converter is proposed, using only the parasitic leakage inductance of the transformer. Experimental results for a 10 kW, (100-250) kHz prototype indicate an efficiency of up to 98.1% for the whole converter. Furthermore, an optimized control method is proposed to minimise the circulation current in the isolated bidirectional dual active bridge DC/DC converter, based on a modified dual-phase-shift control method. This control method is also experimentally compared with traditional single-phase shift control, yielding a significant improvement in efficiency. The experimental results confirm the theoretical analysis and show that the proposed control can enhance the overall converter efficiency and expand the ZVZCS range. Die steigende Nachfrage nach Effizienz und Leistungsdichte bringt Si-basierte eistungsbauteile an einige inhärente Materialgrenzen, die unter anderem mit der Temperaturbelastung, der Schaltfrequenz und der Blockierspannung in Zusammenhang stehen. In jüngster Zeit sind SiC-basierte Leistungsbauelemente vielversprechende Kandidaten für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Aktuell sind SiC-MOSFETs von mehreren Herstellern im Handel erhältlich. Obwohl sich die Technologie der SiC-MOSFETs rasch verbessert, werden viele Herausforderungen bestehen bleiben. Einige dieser Herausforderungen werden in dieser Arbeit untersucht. Die Untersuchungen in dieser Dissertation gliedern sich in die drei folgenden Teile: Im ersten Teil erfolgt, die statische und die transiente Charakterisierung der aktuellen 1,2 kV Planarund Doubletrench SiC-MOSFETs verschiedener Hersteller. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Temperaturen werden analysiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigen, dass die Bauteile überlegene Schaltleistungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufweisen. Darüber hinaus wird der Einsatz der internen SiC-Bodydioden in einem DC/DC-Wandler untersucht, wobei die Unterschiede zwischen Planar- und Doppeltrench-Bauteilen aufgezeigt werden. Das Reverse-Recovery-Verhalten wird unter Berücksichtigung der Gehäusetemperatur, der Schaltgeschwindigkeit, des Durchlassstroms und der angelegten Spannung bewertet. Anhand der Messergebnisse wird die Sperrschichttemperatur geschätzt, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Ein einfaches elektrothermisches Modell wird vorgestellt, um die maximal zulässige Schaltfrequenz auf der Grundlage des thermischen Designs der SiC-Bauteile abzuschätzen. Anhand dieser Ergebnisse werden hart- und weichschaltende Umrichter konzipiert und die Bauteile werden im Dauerbetrieb mit einer sehr hohen Schaltfrequenz von 1 MHz untersucht. Danach werden die SiC-MOSFETs im Dauerbetrieb in einem 10 kW / 100-250 kHz-Tiefsetzsteller betrieben. Dabei wird die Synchrongleichrichtung, die Verwendung der internen Diode und die Verwendung einer externen Schottky-Diode verglichen. Außerdem wird die Parallelisierung von SiC-MOSFETs untersucht, bevor die Parallelschaltung der verschiedenen Bauelemente ebenso im kontinuierlichen Konverterbetrieb verglichen wird. Es wird der Einfluss der häufigsten Parametervariationen auf die statische und dynamische Stromaufteilung der Transistoren analysiert, was zeigt, dass eine Parallelisierung von SiC-MOSFETs möglich ist. Anschließend wird ein analytisches Modell der SiC-MOSFETs zur Schaltverlustoptimierung vorgeschlagen. Das analytische Modell zeigt eine relativ enge Übereinstimmung mit den Messergebnissen unter verschiedenen Testbedingungen. Das vorgeschlagene Modell bildet die Schwingungen sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten effektiv nach. Dies wurde durch die Berücksichtigung der wichtigsten parasitären Elemente in Strom- und Gatekreisen erreicht. Im zweiten Teil wird eine umfassende Bewertung der Kurzschlussfestigkeit mit Fokus auf verschiedene Ausfallmodi der planaren und double-trench SiC-Bauelemente vorgestellt. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Gate-Widerstände werden ausgewertet. Zusätzlich wird die temperaturabhängige Kurzschlussfähigkeit ausgewertet und die zugehörigen Fehlerfälle werden analysiert. Anschließend wird die Auslegung und Prüfung von zwei verschiedenen Verfahren zum Überstromschutz evaluiert. Die „Desaturation“-Technik wird auf SiC-MOSFETs angewendet und mit einer zweiten Methode verglichen, welche die parasitäre Induktivität der Bauelemente nutzt. Schließlich wird der Nutzen des Einsatzes von SiC-Bauteilen in kontinuierlichen Hochfrequenz-Hochleistungs-DC/DC-Wandlern experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird eine Designoptimierung eines Hochfrequenztransformators vorgestellt und der Einfluss verschiedener Kernmaterialien, Leiterausführungen und Wicklungsanordnungen wird bewertet. Es wird ein unidirektionaler ZVZCS Vollbrücken-DC/DC-Wandler vorgestellt, der nur die parasitäre Streuinduktivität des Transformators verwendet. Experimentelle Ergebnisse für einen 10 kW, (100-250) kHz Prototyp zeigen einenWirkungsgrad von bis zu 98,1% für den gesamten Umrichter. Abschließend wird ein optimiertes Regelverfahren verwendet, welches auf einem modifizierten Dual-Phase-Shift-Regelverfahren basiert, um den Kreisstrom im isolierten bidirektionalen Dual-Aktiv-Brücken-DC/DC-Wandler zu minimieren. Diese Regelmethode wird experimentell mit der herkömmlichen Single-Phase-Shift-Regelung verglichen. Hierbei zeigt sich eine deutliche Effizienzsteigerung durch die neue Regelmethode. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die theoretische Analyse und zeigen, dass die vorgeschlagene Regelung den Gesamtwirkungsgrad des Umrichters erhöhen und den ZVZCS-Bereich erweitern kann.
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ISBN:
Category : Technology
Languages : en
Pages : 360
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Book Description
Author: Stanley A. Dennis
Publisher:
ISBN:
Category : Electric engineering
Languages : en
Pages : 1330
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Author:
Publisher:
ISBN:
Category : Mechanics, Applied
Languages : en
Pages : 348
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Author:
Publisher:
ISBN:
Category : Electric industries
Languages : en
Pages : 1956
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