Aim of this student research project was to develop an Aluminium Oxide (Al2O3 ) ALD process from trimethylaluminum (TMA) and Ozone in comparison of two shower head designs. Then studying the detailed characteristics of Al2O3 ALD process using various measurement techniques such as Spectroscopic Ellipsometry (SE), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM). The real-time ALD growth was studied by in-situ SE. In-situ SE is very promising technique that allows the time-continuous as well as time-discrete measurement of the actual growth over an ALD process time. The following ALD process parameters were varied and their inter-dependencies were studied in detail: exposure times of precursor and co-reactant as well as Argon purge times, the deposition temperature, total process pressure, flow dynamics of two different shower head designs. The effect of varying these ALD process parameters was studied by looking upon ALD cycle attributes. Various ALD cycle attributes are: TMA molecule adsorption (Mads ), Ligand removal (Lrem ), growth kinetics (KO3 ) and growth per cycle (GPC).:List of abbreviations and Symbols ........................XII Lists of Figures and Tables ...................................XVIII 1 Introduction .......................................................1 I Theoretical Part ..................................................3 2 Alumina in electronic industry ............................5 3 Atomic Layer Deposition ....................................7 3.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2 Process definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Benefits and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.4 ALD growth mechanism of Aluminium oxide from TMA/O 3 . . . . . . . . 9 3.5 Growth kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.6 Comparison of TMA/O3 and TMA/H2O – A literature survey . . . . 14 4 Spectroscopic Ellipsometry .....................................................17 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.2 Measuring Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.3 Fitting and models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.4 Advantages and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 5 X-Ray Photoelectron Spectroscopy ..............................................25 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.2 XPS mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.3 XPS analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.4 Advantages and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6 Atomic Force Microscopy .............................................................29 II Experimental Part ......................................................................31 7 Methodologies ............................................................................33 7 .1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7 .2 ALD process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7 .3 Experiment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7 .4 Spectroscopic Ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 .4.1 Tool and software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 .4.2 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 .4.3 Data evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7 .4.4 Post processing of data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7 .4.5 Sources of errors in SE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 8 Results and discussion ..........................................................47 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2 Kinetic ALD characteristic curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2.1 TMA exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.2.2 Argon purging after TMA exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.2.3 Ozone exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8.2.4 Argon purging after ozone exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 8.3 Impact of process parameters on characteristic ALD growth attributes and film properties . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.3.1 Total process pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.3.2 Ozone flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 8.3.3 Deposition temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 8.4 Reproducibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9 Conclusions and outlook .......................................................63 References ...............................................................................68 III Appendix .............................................................................77 A Reference temperatures and ozone flow.............................. 79 B Process parameters ..............................................................81

As tools for dynamic system modelling both conventional methods such as transfer function or state space representation and modern power flow based methods are available. The latter methods do not depend on energy domain, are able to preserve physical system structures, visualize power conversion or coupling or split, identify power losses or storage, run on conventional software and emphasize the relevance of energy as basic principle of known physical domains. Nevertheless common control structures as well as analysis and design tools may still be applied. Furthermore the generalization of power flow methods as pseudo-power flow provides with a universal tool for any dynamic modelling. The phenomenon of power flow constitutes an up to date education methodology. Thus the paper summarizes fundamentals of selected power flow oriented modelling methods, presents a Bond Graph block library for teaching power oriented modelling as compact menu-driven freeware, introduces selected examples and discusses special features.:1. Introduction 2. Fundamentals 2A. Fundamentals of BG Modelling 2.B. Fundamentals of POG Modelling 2C. Fundamentals of EMR Modelling 3. Systematization 4. Block library 4A. Simulink add-on BG Block Library 4B. Menu-Driven Customization 4C. Application Hints 5. Examples 5A. Lift a Load 5B. Solenoid 5C. Filter and Chopper 6. Special features 7. Conclusions References [1] till [25]

Within this thesis, we investigate the possibilities of physical layer secrecy for two special system models. In detail, we study beamforming and protection strategies in the Multiple-Input Single-Output (MISO) Gaussian Wiretap Channel (WTC) and the Gaussian two-hop relay WTC with multiple antennas at transmitter and receiver. In both system models, we examine the influence of partial Channel State Information (CSI) on the link to the eavesdropper and compare the achievable secrecy rates with the case of full CSI. We show for the MISO WTC that in the fast fading scenario the Beamforming Vector (BV) can be optimized such that the ergodic secrecy rate is maximized with regard to the degree of channel knowledge. Further we show that the ergodic secrecy rate can be significantly increased by usage of Artificial Noise (AN), if applied in a smart way. This means that the degree of channel knowledge on the link to the eavesdropper influences the portion of power that is spent for AN at the transmitter as well as the direction, in which the AN signal is sent. In addition, we apply the same beamforming and protection strategies to the slow fading scenario and find that these techniques also reduce the secrecy outage probability. For the two-hop relay WTC, we introduce Information Leakage Neutralization (IN) as a new protection strategy. If applied to a system model, where the transmitter has full CSI, the instantaneous secrecy rate performs almost as well as the instantaneous capacity of the peaceful system without an eavesdropper. The IN protected scheme outperforms the AN protected approach and performs much better than any beamforming scheme without additional protection mechanism. Another positive aspect of the IN protected scheme in the case of full CSI is that conventional channel codes can be applied instead of wiretap codes. For the case of partial CSI, where the transmitter has only an outdated estimate on the channel between relay and the eavesdropper, we show that the IN protected scheme can also be applied. Here, it strongly depends on the channel realizations and the delay of the estimate, whether the IN or the AN protection scheme should be applied. / In dieser Arbeit wird das Leistungsvermögen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht anhand von zwei speziellen Systemmodellen untersucht. Im Detail werden Beamforming- und Absicherungsstrategien im gaußschen Multiple-Input Single-Output (MISO) Wiretap Channel (WTC) und dem gaußschen Two-hop Relay WTC mit mehreren Antennen am Sender und Empfänger studiert. In beiden Systemmodellen wird der Einfluss von partieller Kanalkenntnis zum Abhörer betrachtet und die so erreichbaren Sicherheitsraten mit denen verglichen, die bei voller Kanalkenntnis erreichbar sind. Für den MISO WTC kann gezeigt werden, dass für Kanäle mit schnellem Schwund der Beamforming-Vektor in Hinblick auf die ergodische Sicherheitsrate unter Berücksichtigung des Grades der Kanalkenntnis optimiert werden kann. Zudem kann durch die intelligente Verwendung von künstlichem Rauschen (Artificial Noise, AN) die ergodische Sicherheitsrate signifikant erhöht werden. Hierbei nimmt der Grad der Kanalkenntnis direkt Einfluss auf die Aufteilung der Leistung zwischen Daten- und AN-Signal am Sender sowie auch auf die Richtung, in der das AN-Signal gesendet wird. Zudem kann gezeigt werden, dass dieselben Beamforming- und Absicherungsstrategien ebenfalls die Sicherheitsausfallwahrscheinlichkeit für Kanäle mit langsamem Schwund minimieren. Im gaußschen Two-hop Relay WTC wird Information Leakage Neutralization (IN) als neuartige Absicherungsstrategie eingeführt. Diese Absicherungsstrategie erreicht nahezu dieselben instantanen Raten wie ein friedvolles System ohne Abhörer, wenn es bei voller Kanalkenntnis am Sender eingesetzt wird. Weiterhin sind durch die IN-Absicherungsstrategie höhere Raten erreichbar als durch den Einsatz von AN. Zusätzlich kann im Fall von voller Kanalkenntnis auf den Einsatz von Wiretap-Codes verzichtet werden. Auch im Fall partieller Kanalkenntnis, wo der Sender nur eine veraltete Schätzung des Kanals zwischen Relay und Abhörer besitzt, kann gezeigt werden, dass die IN-Absicherungsstrategie angewendet werden kann. Hierbei hängt es jedoch stark von den Kanalrealisierungen und dem Alter der Kanalschätzung ab, ob die IN- oder die AN-Absicherungsstrategie bessere Ergebnisse bringt und daher angewandt werden sollte.

Wegen ihrer großen Bedeutung für die Verfügbarkeit der Stellwerke thematisiert die vorliegende Arbeit den Teilbereich der Energieversorgungsanlagen von Stellwerken. Ausgehend von aktuellen Fragestellungen werden neun Forschungsfragen definiert. Zunächst werden die Grundlagen sowie der Forschungsstand im Bereich der Energieversorgung untersucht. Anschließend erfolgt eine Analyse der historischen Entwicklung der Energieversorgung in der Stellwerkstechnik auf Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche. Darauf folgend werden aktuelle und zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet untersucht. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt eine Fokussierung auf die Energieversorgung von Relaisstellwerken. Die derzeit eingesetzten Anlagen werden hinsichtlich Technik, Altersstruktur und Zustand nebst Störungen analysiert. Dazu werden umfangreiche statistische Auswertungen vorgenommen. Im Anschluss wird ein universelles Erneuerungskonzept zur Ausrüstung der vorhandenen Stellwerke mit modernen Energieversorgungen vorgestellt. Durch die Untersuchung von Entscheidungskriterien wird ermittelt, wann unterschiedliche Erneuerungsvarianten eingesetzt werden sollten. In einer Lebenszykluskostenrechnung (LCC) mit anschließender Wirtschaftlichkeitsrechnung (WKR) werden diese Umbauvarianten monetär bewertet und miteinander verglichen. / Due to its importance for the availability of interlockings, this PhD thesis focuses on the part of the interlockings power supply systems. Based on current issues, nine research questions are defined. First, the basics as well as the present state of the art in research and technology in the field of power supply are examined. This is followed by an analysis of the historical development of interlocking power supply systems based on a substantial literature research. Subsequently, the current and future key developments in this field are investigated. The main part of the work focuses on power supply systems of relay interlockings. The systems currently used are analysed regarding technology, aging and present condition as well as incidents. For that purpose comprehensive statistical evaluations are conducted. After that, a universal concept for replacement of old power supplies by state-of-the-art technology in existing interlocking systems is presented. By studying decision-making-criteria, the appropriate application of different renewal variants is determined. In a life-cycle-costing (LCC) and follow-up cost effective analysis (WKR) the different variants are evaluated and compared with each other.

Die industrielle Instandhaltung ist ein erheblicher Kostenfaktor während der Betriebsphase einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage. Insbesondere der Mangel an technischen Möglichkeiten zum Informationsaustausch des Instandhaltungspersonals mit der digitalen Anlage während der Arbeiten im Feld erzeugt hohe Kosten. Durch die entstehenden Medienbrüche sinkt die Qualität der Informationen in der Digitalen Anlage erheblich. Mobile Informationssysteme können diese Medienbrüche beseitigen und die Informationsqualität in der Digitalen Anlage entscheidend verbessern. Das Konzept der Distributed Wearable User Interfaces (DWUI) stellt einen integrierten Ansatz zur flexiblen Zusammenstellung gebrauchstauglicher Benutzungsschnittstellen für komplexe Arbeitsabläufe in widrigen Arbeitssituationen bereit. Diese setzen sich aus Interaktionsgeräten zusammen, die in einem kabellosen körpernahen Funknetzwerk miteinander verbunden sind und in ihrer Kombination die Benutzungsschnittstelle zu einem mobilen System bilden. Die Geräte sind ergonomisch und funktional optimal am Körper des Nutzers verteilt, wobei jedes Gerät eigenständig nutzbar und für eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Nutzungskontext optimiert ist. Die Ein- und Ausgaberäume der Geräte werden in einem integrierten Interaktionsraum harmonisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der Nutzungskontext der mobilen IT-gestützten Instandhaltung verfahrenstechnischer Produktionsanlagen im Hinblick auf Nutzungsszenarien und Anwendungsfälle für mobile Informationssysteme festgelegt. Darauf aufbauend werden Anforderungen an derartige Systeme spezifiziert und Gestaltungsgrundlagen und Empfehlungen speziell für DWUI-basierte mobile Informationssysteme erarbeitet. Anschließend wird eine Reihe spezieller Interaktionsgeräte vorgestellt, die verschiedene Interaktionsprinzipien, Techniken und Modalitäten umsetzen. Um diese Geräte in einem kollaborativen DWUI organisieren zu können, wird ein spezielles Kommunikationsprotokoll entworfen und prototypisch umgesetzt. Eine mobile Anwendung zur Instandhaltungsunterstützung wird vorgestellt, welche das DWUI-Kommunikationsprotokoll unterstützt und mit verschiedenen DWUI-Konfigurationen vollständig bedienbar ist. Diese Anwendung wird integriert in ein komplexes Unternehmensnetzwerk, über das sie Zugriff auf industrietypische computergestützte Planungswerkzeuge erhält. Anhand des resultierenden Gesamtsystems werden die prinzipielle Tauglichkeit und die Vorteile des DWUI-Konzepts demonstriert.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

Die Arbeit ist der regelungstheoretischen Betrachtung von mechanischen Systemen mit mehr Freiheitsgraden als Stellgrößen gewidmet. Dabei werden Aspekte aus den Teilgebieten Modellbildung, Systemanalyse, Steuerungsentwurf und Reglerentwurf behandelt. Den Ausgangspunkt bilden die aus dem Lagrange-Formalismus resultierenden Bewegungsgleichungen, für welche neben verschiedene partiell linearisierten Zustandsdarstellungen auch eine spezielle Byrnes-Isidori-Normalform eingeführt wird. Im Unterschied zu einer früher vorgeschlagenen ähnliche Normalform existiert diese "Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform" immer. Weiterhin wird die bedeutende Eigenschaft der differentiellen Flachheit im Zusammenhang mit mechanischen Systemen untersucht. Die bestehende Lücke zwischen den bekannten notwendigen und hinreichenden Flachheitsbedingungen bildet die Motivation zur Anpassung der Regelflächenbedingung auf mechanische Systeme in Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform. Parallel dazu wird die Flachheitsanalyse auf Basis des sogenannten Variationssystems betrachtet. Dabei handelt es sich um ein System von 1-Formen, die durch Anwendung der äußeren Ableitung auf die impliziten Systemgleichungen entstehen. Äquivalent dazu können auch die in einer rechteckigen Polynommatrix bezüglich des Zeitableitungsoperators zusammengefassten Koeffizienten der Basisformen untersucht werden. Die Flachheit eines Systems ist nun gerade äquivalent zur Existenz einer unimodularen Vervollständigung dieser Matrix, welche zudem noch eine bestimmte Integrabilitätsbedingung erfüllen muss. Durch Anwendung des Satzes von Frobenius können aus diesen in der bisherigen Formulierung nur schwer überprüfbaren Bedingungen deutlich einfachere hergeleitet werden. Für den Eingrößenfall ergibt sich dadurch eine erheblich Verringerung des Rechenaufwandes im Vergleich zum Referenzansatz. Im Mehrgrößenfall ist die Situation komplizierter: Durch das Fallenlassen der Unimodularitätsforderung und die Ausnutzung der speziellen Struktur mechanischer Systeme erhält man eine neue notwendige Bedingung für Flachheit, welche sich in endlich vielen Schritten auswerten lässt. Allerdings konnte mit dieser die vermutete Nichtflachheit für die untersuchten mechanischen Beispielsysteme nicht nachgewiesen werden. Einen weiteren Untersuchungsgegenstand bildet das Konzept der Konfigurationsflachheit. Für diese Eigenschaft ist gefordert, dass ein flacher Ausgang existieren muss, der nur von den Konfigurationskoordinaten abhängt. Basierend auf theoretischen Überlungen und dem Fehlen von Gegenbeispielen wird die Hypothese aufgestellt, dass für konservative mechanische Systeme Flachheit und Konfigurationsflachheit äquivalent sind. Für lineare mechanische Systeme kann diese Hypothese mit Hilfe der Kronecker-Normalform von Matrizenscharen verifiziert werden. Bezüglich des Entwurfs von Solltrajektorien werden neben der Darstellung bekannter Verfahren für lineare und für flache Systeme zwei weitere Ansätze genauer diskutiert. Der erste basiert auf der numerischen Lösung des aus dem Steuerungsentwurf resultierenden Randwertproblems. Dazu wird ein angepasstes Kollokationsverfahren konstruiert, welches die Elimination von Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung von Integratorketten ermöglicht, die bei partiell linearisierten Systemen stets auftreten. Unter bestimmten Bedingungen bewirkt dies eine erhebliche Reduktion der Rechenzeit. Der zweite Ansatz betrachtet die Überführung zwischen zwei Ruhelagen und beruht auf der Zeitumkehrsymmetrie, die alle konservativen mechanischen Systeme aufweisen. Er besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird für beide Ruhelagen eine Rückführung mit möglichst großem Attraktivitätsgebiet entworfen. Danach wird das System simulativ ausgehend von der Zielruhelage in der Startruhelage stabilisiert. Die so erhaltene Eingangstrajektorie kann dann bezüglich der Zeit invertiert werden, um das System aus der Startruhelage in die Nähe der Zielruhelage zu überführen, wo schließlich der entsprechende Regler aktiviert wird. In praktischen Realisierungen von unteraktuierten Regelungssystemen treten auf Grund von Effekten wie trockener Reibung und Getriebespiel oft Dauerschwingungen mit schwer vorhersagbaren und beeinflussbaren Parametern auf. Als Alternative zur klassischen Stabilisierung einer (theoretischen) Ruhelage wird deshalb eine Rückführung hergeleitet, welche für ein gegebenes lineares System einen stabilen Grenzzyklus mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude asymptotisch stabilisiert.

Im Netz der Elektroenergieversorgung werden einzelne Netzkomponenten und Betriebsmittel durch Verbindungen elektrisch zusammengeschaltet. Dabei werden häufig Schraubenverbindungen mit Stromschienen eingesetzt. Diese müssen über mehrere Jahrzehnte zuverlässig hohe Ströme tragen können. Abhängig von der sich einstellenden Temperatur an den Verbindungen altern diese mit der Zeit. Die Alterung wird je nach Verbindungssystem von verschiedenen Mechanismen beeinflusst, die alle parallel ablaufen. Bei ruhenden, stationären elektrotechnischen Verbindungen, deren Kontaktpartner aus verschiedenen Materialien bestehen, können abhängig von der Paarung intermetallische Phasen (IMP) entstehen. Die sich bildenden IMP haben schlechtere elektrische und mechanische Eigenschaften als die reinen Metalle. Daraus resultiert ein höherer Verbindungswiderstand. Die erzeugte Verlustleistung sowie die Temperatur der Verbindung steigen an. Dies kann zum Ausfall der Verbindung führen. In der Elektroenergietechnik werden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit häufig die Werkstoffe Aluminium und Kupfer sowie das Beschichtungsmetall Silber bei Temperaturen von üblicherweise 90 °C bis 200 °C eingesetzt. Speziell bei Aluminium-Kupfer-Verbindungen, die nicht langzeitstabil sind, wird als maßgebliche Ausfallursache das Bilden von IMP gesehen. Die IMP des Systems Al-Cu wurden in der Vergangenheit bereits vielfach untersucht. Das Übertragen der Ergebnisse auf die Problematik stromtragender Verbindungen der Elektroenergietechnik ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der relevante niedrige Temperaturbereich zwischen 90 °C und 200 °C spielt bei vielen Untersuchungen nur eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich können die Eigenschaften der IMP bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren voneinander abweichen. Zum System Al-Ag ist in der Literatur nur wenig bekannt. Deshalb wurden für diese Arbeit phasenreine IMP der Systeme Al-Cu und Al-Ag mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren bei möglichst identischen Randbedingungen hergestellt. Diese wurden mit einer speziell für diese Proben entwickelten Messeinrichtung elektrisch charakterisiert und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand der IMP und ihr Temperaturbeiwert mit Werten aus der Literatur verglichen. An verschiedenen Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Aluminium und Kupfer wurden Langzeitversuche von bis zu 3 Jahren durchgeführt. Der Verbindungswiderstand wurde abhängig von der Zeit ermittelt. An ausgewählten Verbindungen wurde zusätzlich in zwei identischen Versuchen der Einfluss der Belastung mit Dauer- und Wechsellast auf das Langzeitverhalten untersucht. Mithilfe der an den IMP ermittelten elektrischen Eigenschaf-ten wurde deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand berechnet. Die Ergebnisse dieser Modellrechnung wurden mit den Ergebnissen aus den Langzeitversuchen verglichen. Ausgewählte Verbindungen wurden dazu mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die IMP nicht ausschließlich das Langzeitverhalten stromtragender Verbindungen bestimmen. Es muss mindestens ein weiterer Alterungsmechanismus einen signifikanten Einfluss haben. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass dabei Sauerstoff eine zentrale Rolle spielen könnte. / In electrical power supply networks a huge number of electrical joints are used to connect transmission lines, conductors, switchgears and other components. During operation these joints are aging due to different aging mechanisms. Depending on the type of the joint several aging mechanisms can take place at the same time. For stationary joints with contact partners made of different materials, the formation of intermetallic compounds (IMC) may be an issue. These IMC have worse electrical and mechanical properties compared to the pure metals. Therefore, the presence of IMC in the contact area results in a higher joint re-sistance and the temperature and the thermal power losses increase. Typical temperatures for high current joints are between 90 °C and 200 °C. Due to their good electrical conductivity aluminum and copper are often used as conductor materials and silver as a coating material. Especially bimetal joints made of aluminum and copper are not long term stable. The formation of Al-Cu IMC is held responsible as a cause of failure. The IMC of the System Al-Cu have already been studied by several authors. However, it is difficult to apply the results directly to electrical joints in power supply networks. In many studies the low temperature range between 90 °C and 200 °C is not regarded. In addition, the properties of the IMC may vary due to different preparation processes. There is only little information about the system Al-Ag in the literature. For this work, phase pure IMC of the systems Al-Cu and Al-Ag were prepared by different preparation processes using similar process parameters. These IMC samples were electrically characterized with a specially developed measuring device. The specific electric resistivity and the temperature coefficient of resistance were determined and compared to values taken from the literature. Various combinations of bus bar joints made of aluminum and copper were investigated in long term tests for up to three years. The joint resistance was determined as a function of time. In addition, for selected joints two identic setups were operated with continuous load and alternating load. The long term behavior was investigated with regard to the load ap-plied. Using the results of the electrical characterization of the IMC their influence on the joint resistance was calculated theoretically. The results of the calculation were compared to the results determined in the long term tests. Selected joints were examined microscopi-cally after termination of the long term tests. It was found, that the long term behavior of bimetal electrical joints with the combination Al-Cu and Al-Ag cannot be exclusively described by the growth of IMC. At least there is one further aging mechanism involved. The studies suggest, that oxygen may have a significant influence.

In Geräten und Anlagen des Stromnetzes werden Steckverbinder mit hoher Stromtragfähigkeit eingesetzt, wenn bewegliche Teile kontaktiert werden oder Betriebsmittel mit geringem Aufwand montier- und demontierbar sein müssen. Die elektrische Verbindung der Leiter wird dabei oft mit federnden Kontaktelementen realisiert. Die Kontaktelemente müssen als Teil der Strombahn während der Lebensdauer des Geräts den Betriebsstrom im Kiloampere-Bereich und im Fehlerfall bis zu einige Sekunden lang den eine Größenordnung höheren Kurzschlussstrom tragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Rechenmodelle für die innere Erwärmung von Hochstrom-Kontaktsystemen im stationären Dauerbetrieb und im transienten Kurzschlussfall entwickelt. Das elektrische und mechanische Langzeitverhalten im Temperaturbereich (105…180) °C wurde experimentell mit stromdurchflossenen, fettgeschmierten Modellsteckverbindern, die regelmäßig getrennt und neu gesteckt wurden, untersucht. Modellerstellung, Rechnungen und Versuche wurden beispielhaft mit Kontaktelementen vom Typ Multilam durchgeführt. Kontaktelemente und Leiter bestanden aus versilbertem Kupfer. Für das stationäre Betriebsverhalten wurden die mit der analytischen Spannungs-Temperatur-Beziehung nach Kohlrausch berechneten Ergebnisse mit einem Erwärmungsversuch verifiziert. Die Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelement und Leiter ist bei Standardanwendungen, wie in Schaltanlagen, mit ≤ 3 K sehr klein. Deshalb ist die Leitertemperatur als Zielgröße beim Dimensionieren der Dauerstrombelastbarkeit ausreichend. Bei Kurzschlussstrombelastung wurde im Kontaktsystem eine schnelle, räumlich unterschiedlich ausgeprägte Erwärmung numerisch berechnet. Leiter und Kontaktelement erwärmen sich kontinuierlich, wobei die mittlere Endübertemperatur im Kontaktelement aufgrund des kleineren stromtragenden Querschnitts eine Größenordnung höher ist. Die Kontakte führen bei 50 Hz-Wechselstrom aufgrund ihrer vernachlässigbaren Wärmekapazität 100 Hz-Temperaturzyklen aus. Dabei können die Maximaltemperaturen noch deutlich größer als die mittlere Temperatur der Kontaktelemente sein. Im Langzeitversuch waren nach 16 000 h Betriebszeit bei 180 °C und regelmäßigen simulierten Steckvorgängen die Verbindungskräfte noch genügend groß, um die elektrischen Anforderungen eines neuen Kontaktsystems zu erfüllen. Allerdings führte bei einer Betriebstemperatur von 105 °C ein thermisch instabiles Schmierfett zum vorzeitigen elektrischen Ausfall eines Teils der Steckverbinder.:Einleitung Hochstrom-Kontaktsysteme – Stand der Technik Theorie der Kontakte bei hoher Strombelastung Stationäres elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Transientes elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Langzeitverhalten Zusammenfassung Ausblick / Switchgear and devices for the power grid use high-power connectors if moving parts have to be contacted or equipment shall be easily mountable and dismountable. The electrical connection of the conductors is often realized by spring-loaded contact elements. As part of the main circuit, contact elements must carry the full operating current in the kiloampere-range for the entire service life of the device. In case of a fault, the short-circuit current, which is one order of magnitude larger, has to be carried for up to several seconds. In this thesis, calculation models for the inner temperature rise of high-power contact systems in steady-state continuous operation, as well as for the transient short-circuit load case were developed. Electrical and mechanical long-term performance in the temperature range from 105 to 180 °C was experimentally investigated with current carrying, grease-lubricated model connectors which were regularly unplugged and replugged. Modelling, calculations and experiments were exemplarily carried out with Multilam contact elements. Conductors and contact element consisted of silver-plated copper. The analytical voltage-temperature relation was used to calculate the steady-state performance; calculations were verified with a temperature-rise test. The temperature difference from contact element to conductors is very small (≤ 3 K) for standard applications like switchgear. Thus, it is sufficient to use the conductor temperature as a criterion for the design of the continuous ampacity of high-power contact systems. At short-time load, a fast spatially inhomogeneous temperature rise was numerically calculated. Conductor and contact element continuously heat up; due to the smaller current carrying cross section, median final temperature rise in the contact element is one order of magnitude larger than in the conductors. Because of their negligible thermal capacity, contacts perform 100 Hz temperature cycles at 50 Hz AC load; the maximum contact temperatures may be significantly higher than the median temperature of the contact elements. In the long-term test, after 16 000 h operating time at 180 °C and regular plugging operations, contact elements maintained enough joint force to meet the requirements of a new contact system. At 105 °C however, a thermally instable grease led to electrical failure of part of the connectors.:Einleitung Hochstrom-Kontaktsysteme – Stand der Technik Theorie der Kontakte bei hoher Strombelastung Stationäres elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Transientes elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Langzeitverhalten Zusammenfassung Ausblick

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion