The Electrical Power Systems (EPS) are indispensable for a Nuclear Power Plant (NPP). The EPS are essential for plant start-up, normal operation, and emergency conditions. Electrical power systems are necessary not only for power generation, transmission, and distribution but also to supply reliable power for plant operation and control system during safe operation, Design Basis Conditions (DBC) and Design Extension Conditions (DEC). According to IAEA Specific Safety Guide SSG-34, EPS are essentially the support systems of many plant equipment. Electrical system, which supply power to plant systems important to nuclear safety, are essential to the safety of an NPP. In recent years, due to the digitization of Instrumentation and Control (I&C) systems, along with their enhanced accuracy, ease of implementing complex functions and flexibility, have been also exposed to sophisticated cyber threats. Despite physical separation and redundant electrical power supply sources, malicious cyber-attacks performed by insiders or outsiders might disrupt the power flow and result in an interruption in the normal operation of an NPP. Therefore, for the uninterrupted operation of a plant, it is crucial to contemplate cybersecurity in the EPS design and implementation. Considering multiple cyber threats, the main objectives of this research work are finding out security vulnerabilities in electrical power systems, simulating potential cyber-attacks and analyzing the impacts of these attacks on the electrical components to protect the electrical systems against these cyber-attacks. An EPS testbed at a small scale was set up, which included commercial I&C and electrical equipment significant for the cybersecurity analysis. The testbed equipment comprises of electrical protection relay (IEC 60255), controller, operating panel, engineering workstation computer, simulation model, etc. to monitor and control the power supply of one or more electrical equipment responsible for a regular operation in an NPP. Simulated cybersecurity attacks were performed using this testbed and the outcomes were examined in multiple iterations, after adding or changing security controls (cybersecurity countermeasures). Analyzing the cybersecurity and performing cyber-attacks on these systems are very advantageous for a real power plant to prepare and protect the plant equipment before any malicious attack happens. This research work conclusively presents cybersecurity analysis, including basic and sophisticated cyber-attack scenarios to understand and improve the cybersecurity posture of EPS in an NPP. The approach was completed by considering the process engineering systems (e.g. reactor core cooling systems) as attack targets and investigating the EPS specific security Defense-in-Depth (DiD) design together with the Nuclear Safety DiD concepts.:CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1 Motivation 1.2 Technical Background 1.3 Objectives of the Ph.D. Project 1.4 State of the Art in Science and Technology CHAPTER 2 FUNDAMENTALS OF CYBERSECURITY AND ELECTRICAL CONTROL AND PROTECTION CONCEPTS 2.1 Electrical Power System 2.2 Electrical Protection System 2.3 Cyber-Physical System 2.4 Industrial Control System 2.5 Safety I&C and Operational I&C Systems 2.6 Safety Objective Oriented Top-Down Approach 2.7 Cybersecurity Concept 2.8 Threat Identification and Characterization in NPP 2.8.1 Design Basis Threat 2.8.2 Attacker Profile 2.8.1 Reported Real-Life NPP Cyber-Attack Examples 2.9 Security Levels 2.10 Summary CHAPTER 3 CYBER-PHYSICAL PROCESS MODELING 3.1 Introduction 3.2 Single Line Diagrams of Different Operational Modes 3.3 Design 3.4 Block Diagram of Simulink Model 3.5 Implementation of Simulink Blocks 3.5.1 Power Generation 3.5.2 Grid Feed 3.5.3 House Load (Feed Water Pump) 3.6 OPC UA Communication 3.7 Summary CHAPTER 4 CYBER THREAT SCENARIOS FOR EPS 4.1 Introduction 4.2 Cyber-Physical System for EPS 4.3 Cyber Threats and Threat Sources 4.3.1 Cyber Threats 4.3.2 Threat Sources 4.4 Cybersecurity Vulnerabilities 4.4.1 Vulnerabilities in EPS 4.4.2 Vulnerabilities in ICS 4.5 Attacker Modeling 4.6 Basic Cyber Threat Scenarios for EPS 4.6.1 Scenario-1: Physical Access to Electrical Cabinets 4.6.2 Scenario-2: Modification of Digital Protection Devices 4.7 Potential Advanced Cyber Threat Scenarios for EPS 4.7.1 Scenario-1: Alteration of a Set-point of the Protection Relay 4.7.2 Scenario-2: Injection of Malicious Packets 4.7.3 Scenario-3: False Trip Command 4.7.4 Scenario-4: Availability Attack on Protection Relay or SCADA System 4.7.5 Scenario-5: Permanent Damage to Physical Component 4.7.6 Scenario-6: Protocol-wise Attack on Operator Panel 4.8 Threat Scenario for Simulink model 4.9 Summary CHAPTER 5 EPS TESTBED DESCRIPTION 5.1 Introduction 5.2 Basic Industrial Automation Architecture 5.3 Need for Testbeds 5.4 Proposed EPS Testbed 5.4.1 Testbed Architecture 5.4.2 Testbed Implementation 5.5 EPS Physical Testbed Applications 5.5.1 Modeling and Simulation of Power System Faults 5.5.2 Modeling of Cyber-Attacks 5.6 Summary CHAPTER 6 EXPERIMENTAL AND IMPACT ANALYSIS OF CYBER THREAT SCENARIOS 6.1 Outline 6.2 Normal Operation and Control 6.3 Possibilities to Cause Failure in the Primary or Secondary Cooling Systems 6.4 Implementation of Cybersecurity Threat Scenarios 6.4.1 Alteration of a Relay Set-Point during Plant Start-Up Phase 6.4.2 Alteration of a Controller Set-Point during Normal Operation Phase 6.4.3 Availability Attack on Control and Protection System 6.4.4 Severe Damage to a Physical Component due to Overcurrent 6.5 Experimentally Assessed Cyber-attacks 6.6 Summary CHAPTER 7 SUMMARY AND OUTLOOK REFERENCES SCIENTIFIC PUBLICATIONS GLOSSARY

This thesis deals with optimization of sound projectors, based on knowledge on the auditory perception. In sound projection it is desired that the lagging projected sound dominates the localization. One of the most limiting factors here is the leading direct sound, which, however, can only be reduced to a limited extent since the focusing capabilities of sound projectors are physically limited. In order to enable the perception-based optimization, it was therefore essential to gain an understanding of the perceptual role of the direct sound in achieving localization dominance of the projected sound, and which perception-based requirements for sound projection result from this role. A review of existing literature on the perception in scenarios with leading and lagging sound revealed that further insights into lag localization dominance were needed to this end. These insights were gained by conducting several psychoacoustic investigations in an anechoic chamber, reproducing the sounds via individual loudspeakers. Lag localization dominance seemed to be strongly influenced by the temporal characteristics of the playback signal. Afterwards, comprehensive perception-based requirements for sound projection were derived and their consequences for the design of sound projectors were discussed. On this basis, a method for the perception-based optimization was developed with the goal to reduce the influence of the direct sound on localization. This method was named localization masking. Localization masking is based on the additional generation of one or more sounds arriving earlier and from another direction than the direct sound at the position of the listener. An investigation under laboratory conditions, using cascaded lead-lag pairs representing the sounds involved, suggested that localization masking has the potential to achieve that goal. Localization masking enabled the initial lag, representing the projected sound, to dominate the localization up to a 7 dB higher level of the initial lead, representing the direct sound. Finally, localization masking was investigated under realistic conditions. Localization masking was applied to real sound projectors in a real room and proved to work. Localization masking enabled a given projector to be effectively used with a playback signal that requires stronger focusing capabilities. Furthermore, localization masking enabled a projector with less strong focusing capabilities to be effectively used with a given playback signal.

This thesis investigates the extension of the well-known canonical correlation analysis for random elements on abstract real measurable Hilbert spaces. One focus is on the application of this extension to the calculation of information-theoretical quantities on finite time intervals. Analytical approaches for the calculation of the mutual information and the information density between Gaussian distributed random elements on arbitrary real measurable Hilbert spaces are derived. With respect to mutual information, the results obtained are comparable to [4] and [1] (Baker, 1970, 1978). They can also be seen as a generalization of earlier findings in [20] (Gelfand and Yaglom, 1958). In addition, some of the derived equations for calculating the information density, its characteristic function and its n-th central moments extend results from [45] and [44] (Pinsker, 1963, 1964). Furthermore, explicit examples for the calculation of the mutual information, the characteristic function of the information density as well as the n-th central moments of the information density for the important special case of an additive Gaussian channel with Gaussian distributed input signal with rational spectral density are elaborated, on the one hand for white Gaussian noise and on the other hand for Gaussian noise with rational spectral density. These results extend the corresponding concrete examples for the calculation of the mutual information from [20] (Gelfand and Yaglom, 1958) as well as [28] and [29] (Huang and Johnson, 1963, 1962).:Kurzfassung Abstract Notations Abbreviations 1 Introduction 1.1 Software Used 2 Mathematical Background 2.1 Basic Notions of Measure and Probability Theory 2.1.1 Characteristic Functions 2.2 Stochastic Processes 2.2.1 The Consistency Theorem of Daniell and Kolmogorov 2.2.2 Second Order Random Processes 2.3 Some Properties of Fourier Transforms 2.4 Some Basic Inequalities 2.5 Some Fundamentals in Functional Analysis 2.5.1 Hilbert Spaces 2.5.2 Linear Operators on Hilbert Spaces 2.5.3 The Fréchet-Riesz Representation Theorem 2.5.4 Adjoint and Compact Operators 2.5.5 The Spectral Theorem for Compact Operators 3 Mutual Information and Information Density 3.1 Mutual Information 3.2 Information Density 4 Probability Measures on Hilbert Spaces 4.1 Measurable Hilbert Spaces 4.2 The Characteristic Functional 4.3 Mean Value and Covariance Operator 4.4 Gaussian Probability Measures on Hilbert Spaces 4.5 The Product of Two Measurable Hilbert Spaces 4.5.1 The Product Measure 4.5.2 Cross-Covariance Operator 5 Canonical Correlation Analysis on Hilbert Spaces 5.1 The Hellinger Distance and the Theorem of Kakutani 5.2 Canonical Correlation Analysis on Hilbert Spaces 5.3 The Theorem of Hájek and Feldman 6 Mutual Information and Information Density Between Gaussian Measures 6.1 A General Formula for Mutual Information and Information Density for Gaussian Random Elements 6.2 Hadamard’s Factorization Theorem 6.3 Closed Form Expressions for Mutual Information and Related Quantities 6.4 The Discrete-Time Case 6.5 The Continuous-Time Case 6.6 Approximation Error 7 Additive Gaussian Channels 7.1 Abstract Channel Model and General Definitions 7.2 Explicit Expressions for Mutual Information and Related Quantities 7.2.1 Gaussian Random Elements as Input to an Additive Gaussian Channel 8 Continuous-Time Gaussian Channels 8.1 White Gaussian Channels 8.1.1 Two Simple Examples 8.1.2 Gaussian Input with Rational Spectral Density 8.1.3 A Method of Youla, Kadota and Slepian 8.2 Noise and Input Signal with Rational Spectral Density 8.2.1 Again a Method by Slepian and Kadota Bibliography / Diese Arbeit untersucht die Erweiterung der bekannten kanonischen Korrelationsanalyse (canonical correlation analysis) für Zufallselemente auf abstrakten reellen messbaren Hilberträumen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Anwendung dieser Erweiterung zur Berechnung informationstheoretischer Größen auf endlichen Zeitintervallen. Analytische Ansätze für die Berechnung der Transinformation und der Informationsdichte zwischen gaußverteilten Zufallselementen auf beliebigen reelen messbaren Hilberträumen werden hergeleitet. Bezüglich der Transinformation sind die gewonnenen Resultate vergleichbar zu [4] und [1] (Baker, 1970, 1978). Sie können auch als Verallgemeinerung früherer Erkenntnisse aus [20] (Gelfand und Yaglom, 1958) aufgefasst werden. Zusätzlich erweitern einige der hergeleiteten Formeln zur Berechnung der Informationsdichte, ihrer charakteristischen Funktion und ihrer n-ten zentralen Momente Ergebnisse aus [45] und [44] (Pinsker, 1963, 1964). Weiterhin werden explizite Beispiele für die Berechnung der Transinformation, der charakteristischen Funktion der Informationsdichte sowie der n-ten zentralen Momente der Informationsdichte für den wichtigen Spezialfall eines additiven Gaußkanals mit gaußverteiltem Eingangssignal mit rationaler Spektraldichte erarbeitet, einerseits für gaußsches weißes Rauschen und andererseits für gaußsches Rauschen mit einer rationalen Spektraldichte. Diese Ergebnisse erweitern die entsprechenden konkreten Beispiele zur Berechnung der Transinformation aus [20] (Gelfand und Yaglom, 1958) sowie [28] und [29] (Huang und Johnson, 1963, 1962).:Kurzfassung Abstract Notations Abbreviations 1 Introduction 1.1 Software Used 2 Mathematical Background 2.1 Basic Notions of Measure and Probability Theory 2.1.1 Characteristic Functions 2.2 Stochastic Processes 2.2.1 The Consistency Theorem of Daniell and Kolmogorov 2.2.2 Second Order Random Processes 2.3 Some Properties of Fourier Transforms 2.4 Some Basic Inequalities 2.5 Some Fundamentals in Functional Analysis 2.5.1 Hilbert Spaces 2.5.2 Linear Operators on Hilbert Spaces 2.5.3 The Fréchet-Riesz Representation Theorem 2.5.4 Adjoint and Compact Operators 2.5.5 The Spectral Theorem for Compact Operators 3 Mutual Information and Information Density 3.1 Mutual Information 3.2 Information Density 4 Probability Measures on Hilbert Spaces 4.1 Measurable Hilbert Spaces 4.2 The Characteristic Functional 4.3 Mean Value and Covariance Operator 4.4 Gaussian Probability Measures on Hilbert Spaces 4.5 The Product of Two Measurable Hilbert Spaces 4.5.1 The Product Measure 4.5.2 Cross-Covariance Operator 5 Canonical Correlation Analysis on Hilbert Spaces 5.1 The Hellinger Distance and the Theorem of Kakutani 5.2 Canonical Correlation Analysis on Hilbert Spaces 5.3 The Theorem of Hájek and Feldman 6 Mutual Information and Information Density Between Gaussian Measures 6.1 A General Formula for Mutual Information and Information Density for Gaussian Random Elements 6.2 Hadamard’s Factorization Theorem 6.3 Closed Form Expressions for Mutual Information and Related Quantities 6.4 The Discrete-Time Case 6.5 The Continuous-Time Case 6.6 Approximation Error 7 Additive Gaussian Channels 7.1 Abstract Channel Model and General Definitions 7.2 Explicit Expressions for Mutual Information and Related Quantities 7.2.1 Gaussian Random Elements as Input to an Additive Gaussian Channel 8 Continuous-Time Gaussian Channels 8.1 White Gaussian Channels 8.1.1 Two Simple Examples 8.1.2 Gaussian Input with Rational Spectral Density 8.1.3 A Method of Youla, Kadota and Slepian 8.2 Noise and Input Signal with Rational Spectral Density 8.2.1 Again a Method by Slepian and Kadota Bibliography

Stärker verteilte Systeme in der Planung und Produktion verbessern die Agilität und Wartbarkeit von Einzelkomponenten, wobei gleichzeitig jedoch deren Vernetzung untereinander steigt. Das stellt wiederum neue Anforderungen an die semantische Beschreibung der Komponenten und deren Verbindungen, wofür Informations- und Datenmodelle unabdingbar sind. Der Lebenszyklus dieser Modelle ist dabei von Änderungen geprägt, mit denen umgegangen werden muss. Heutige Revisionsverwaltungssysteme, die die industriell geforderte Nachvollziehbarkeit bereitstellen könnten, sind allerdings nicht auf die speziellen Anforderungen der Informations- und Datenmodelle zugeschnitten, wodurch Möglichkeiten einer konsistenten Evolution verringert werden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Revision Management System zur durchgängigen Unterstützung der Evolution von Informations- und Datenmodellen entwickelt, das Revisionsverwaltungs- und Evolutionsmechanismen integriert. Besonderheit ist hierbei die technologieunabhängige mathematische und semantische Beschreibung, die eine Überführung des Konzepts in unterschiedliche Technologien ermöglicht. Beispielhaft wurde das Konzept für das Semantic Web als Weiterentwicklung des Open-Source-Projektes R43ples umgesetzt. / The increased distribution of systems in planning and production leads to improved agility and maintainability of individual components, whereas concurrently their cross-linking increases. This causes new requirements for the semantic description of components and links for which information and data models are indispensable. The life cycle of those models is characterized by changes that must be dealt with. However, today’s revision control systems would provide the required industrial traceability but are not enough for the specific requirements of information and data models. As a result, possibilities for a consistent evolution are reduced. Within this thesis a revision management system was developed, integrating revision control and evolution mechanisms to support the evolution of information and data models. The key is the technology-independent mathematical and sematic description allowing the application of the concept within different technologies. Exemplarily the concept was implemented for the Semantic Web as an extension of the open source project R43ples.

Permanent connectivity to the Internet has become the defacto standard in the second decade of the 21st century. However, on-board aircraft connectivity is still limited. While the number of airlines offering in-flight connectivity increases, the current performance is insufficient to satisfy several hundreds of passengers simultaneously. There are several options to connect aircraft to the ground, i.e. direct air-to-ground, satellites and relaying via air-to-air links. However, each single solution is insufficient. The direct air-to-ground coverage is limited to the continent and coastal regions, while the satellite links are limited in the minimum size of the spot beams and air-to-air links need to be combined with a link to the ground. Moreover, even if a direct air-to-ground or satellite link is available, the peak throughput offered on each link is rarely achieved, as the capacity needs to be shared with other aircraft flying in the same coverage area. The main challenge in achieving a high throughput per aircraft lies in the throughput allocation. All aircraft should receive a fair share of the available throughput. More specifically, as an aircraft contains a network itself, a weighted share according to the aircraft size should be provided. To address this problem, an integrated air-to-ground network, which is able to provide a high throughput to aircraft, is proposed here. Therefore, this work introduces a weighted-fair throughput allocation scheme to provide such a desired allocation. While various aspects of aircraft connectivity are studied in literature, this work is the first to address an integrated air-to-ground network to provide high-throughput connectivity to aircraft. This work models the problem of throughput allocation as a mixed integer linear program. Two throughput allocation schemes are proposed, a centralized optimal solution and a distributed heuristic solution. For the optimal solution, two different objectives are introduced, a max-min-based and a threshold-based objective. The optimal solution is utilized as a benchmark for the achievable throughput for small scenarios, while the heuristic solution offers a distributed approach and can process scenarios with a higher number of aircraft. Additionally, an option for weighted-fair throughput allocation is included. Hence, large aircraft obtain a larger share of the throughput than smaller ones. This leads to fair throughput allocation with respect to the size of the aircraft. To analyze the performance of throughput allocation in the air-to-ground network, this work introduces an air-to-ground network model. It models the network realistically, but independent from specific network implementations, such as 5G or WiFi. It is also adaptable to different scenarios. The aircraft network is studied based on captured flight traces. Extensive and representative parameter studies are conducted, including, among others, different link setups, geographic scenarios, aircraft capabilities, link distances and link capacities. The results show that the throughput can be distributed optimally during high-aircraft-density times using the optimal solution and close to optimal using the heuristic solution. The mean throughput during these times in the optimal reference scenario with low Earth orbit satellites is 20 Mbps via direct air-to-ground links and 4 Mbps via satellite links, which corresponds to 10.7% and 1.9% of the maximum link throughput, respectively. Nevertheless, during low-aircraft-density times, which are less challenging, the throughput can reach more than 200 Mbps. Therefore, the challenge is on providing a high throughput during high-aircraft-density times. In the larger central European scenario, using the heuristic scheme, a minimum of 22.9 Mbps, i.e. 3.2% of the maximum capacity, can be provided to all aircraft during high-aircraft-density times. Moreover, the critical parameters to obtain a high throughput are presented. For instance, this work shows that multi-hop air-to-air links are dispensable for aircraft within direct air-to-ground coverage. While the computation time of the optimal solution limits the number of aircraft in the scenario, larger scenarios can be studied using the heuristic scheme. The results using the weighted-fair throughput allocation show that the introduction of weights enables a user-fair throughput allocation instead of an aircraft-fair throughput allocation. As a conclusion, using the air-to-ground model and the two introduced throughput allocation schemes, the achievable weighted-fair throughput per aircraft and the respective link choices can be quantified.

A K-band integrated super-regenerative amplifier (SRA) in a 130nm SiGe BiCMOS technology is designed and characterized. The circuit is based on a novel stacked transistor differential cross-coupled oscillator topology, with a controllable tail current for quenching the oscillations. The fabricated integrated circuit (IC) occupies an area of 0.63mm2, and operates at the free-running center frequency of 25.3 GHz. Characterization results show circuit operation from a minimum input power level required for a phase coherent output as −110 dBm, and the input power level corresponding to the linear to logarithmic mode transition of −85 dBm, the lowest reported for K-band integrated logarithmic mode SRAs to date to the knowledge of the authors. The measured output power is 7.8dBm into a 100 differential load. The power consumption of the circuit is 110mW with no quench signal applied, and 38mW with 30 % duty cycle quenching. The quench waveform designed for the reported measurement result is also discussed.

Die Bedeutung von Leistungshalbleitern mit großem Bandabstand (Wide Band Gap, WBG) nahm in den letzten drei Jahrzehnten kontinuierlich zu. Diese Bauelemente haben das Potenzial, Silizium (Si) - Bauelemente in bestimmten Anwendungen sowie Leistungs- und Frequenzbereichen zu ersetzen. Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleiter sind die gegenwärtig am Weitesten entwickelten WBG-Leistungshalbleiter. Dank besonderer Materialeigenschaften zeichnen sich SiC-Leistungshalbleiter im Vergleich zu Si-Bauelementen durch einen geringeren spezifischen Widerstand, eine höhere Schaltgeschwindigkeit, geringere schaltverluste sowie eine höhere maximale Sperrschichttemperatur aus. Die deutlich erhöhten Herstellungskosten limitieren den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern auf Anwendungen, in denen die Vorteile dieser Bauelemente die höheren Kosten überkompensieren und Systemvorteile ermöglichen. Heute werden SiC-Leistungshalbleiter z.B. in Solarwechselrichtern oder in Elektrofahrzeugen verwendet. Für Stromrichter industrieller elektrischer Antriebe ist die Kosten-Nutzen-Bilanz des Einsatzes von SiC-Leistungshalbleitern gegenwärtig nicht bekannt. Diese Fragestellung motiviert diese Arbeit. Die Auslegung sowie die daraus resultierenden Vor- und Nachteile eines Stromrichters mit SiC-Leistungshalbleitern für elektrische Industrieantriebe ist der Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurde unter Einhaltung industrieller Auslegungskriterien ein 240 kVA SiC-basierter Stromrichterdemonstrator als aktiver Gleichrichter am dreiphasigen 690 V Niederspannungsnetz untersucht. Auf der Basis einer Stromrichterauslegung für SiC- und Si-Leistungshalbleiter wurde ein theoretischer Vergleich von Kosten, Effizienz, Größe und Gewicht durchgeführt. Die Arbeit stellt zunächst den Stand der Technik für SiC-Leistungshalbleiter dar. Anschließend wird ein geeignetes SiC-MOSFET Module für den industriellen Stromrichter ausgewählt und bezüglich des Schaltverhaltens sowie der Parallelschaltung charakterisiert. Der Auslegung des Stromrichterleistungsteils liegen industrielle Anforderungen zu Grunde. Ein realisierter Demonstrator für einen netzseitigen Stromrichter (Active Front End) ist durch eine symmetrische Parallelschaltung von zwei SiC-Modulen, geeignete Ansteuerschaltungen (Gate Drive Units), eine niedrige Streuinduktivität im Kommutierungskreis sowie ein LCL-Filter mit Standard-Kernmaterialien gekennzeichnet. Der Stromrichtervergleich zeigt, dass der betrachtete Stromrichter mit SiC-Leistungshalbleitern im gesamten Betriebsbereich geringere Verluste verursacht als ein vergleichbarer Stromrichter mit Si-Leistungshalbleitern. Der SiC - basierte Stromichter ermöglicht auch eine deutliche Gewichtsreduktion bei ca. 89% der Systemkosten. Somit stellen SiC-Leistungshalbleiter eine attraktive technische Lösung für die untersuchte Anwendung eines aktiven Gleichrichters für industrielle elektrische Antriebe dar. / Wide bandgap (WBG) power semiconductors have drawn steadily increasing interest in power electronics in the last three decades. These devices have shown the potential of replacing silicon as the default semiconductor solution for several applications in determined power and frequency ranges. Among them the most mature WBG semiconductor material is silicon carbide (SiC), which presents several characteristics at the crystal level that translate in the potential of presenting lower resistivity, be able to switch faster with lower switching loss, and present both higher characteristics to tolerate and dissipate heat when com pared with silicon. However, the same characteristics that make it great also present a different set of drawbacks to be considered, which aligned with its increased cost make it challenging to assess if its advantages are justified for a particular application. Applications that highly value efficiency and/or power density are the most benefited, and converter solutions featuring the technology have already breached into these application markets. However in other applica tions, the line from which silicon carbide starts making sense in the cost/benefits/drawbacks balance is not clear. This is typically the case of industrial applications, which were the main focus and motivation of this work. Hence, in this work the main goal has been to determine the basic characteristics, advantages and limitations that SiC technology designs for industrial low voltage high power grid connected converters present. To that end, a 690 V, 240 kVA SiC-based grid-tied converter demonstrator following industrial design criteria has been developed. Then, based on this design procedure a theoretical comparison between a 690 V, 190 kVA SiC-based converter against a silicon-based converter designed for the same power output has been performed to compare them regarding cost, efficiency, size and weight. This work also comprises a thorough revision of the state of art of SiC devices, which led to the selection of the switching device. Additionally, a characterization of both single and parallel-connected operation of the semiconductor modules was performed, to determine the module characteristics and its suitability to build the SiC converter demonstrator. Results show that the converter demonstrator operates as designed, proving that is possible with the corresponding precautions to achieve: a low inductive power loop, balanced parallel connection of SiC modules, adequate driving circuits for the parallel-connected modules and an adequate filtering solution in compliance with grid-codes based on standard core materials for the selected switching frequency. Finally, the theoretical comparison between the two designed power converters shows that, attained to the conditions of the comparison, the SiC converter solution presents efficiency gains over the whole operating range, while presenting substantial weight savings at 89% of the costs of the Si-IGBT design, presenting itself as the cost-effective solution for the presented application requirements under the given design constraints.

Gegenstand der Arbeit sind die Modulation, die Modellbildung und die Energiesymmetrierung von modularen Mehrpunktstromrichtern sowie der Aufbau einer Niederspannungs-Modellanlage zum Test von Regelungsverfahren. Die entwickelten Modulationsalgorithmen zeichnen sich durch niedrige Schaltfrequenz, geringe Spannungsunsymmetrie der Submodulspannungen, schnelle Berechnung und verbesserte eingeprägte Spannungen aus -- dank einer dynamisch bevorzugten versetzten Taktung. Zur Klassifizierung von Modulationsverfahren wird hier die Unterscheidung von später und früher Submodulauswahl vorgeschlagen. Der vertiefend betrachtete Fall niedriger Submodulzahlen (n<20) erfordert Verfahren mit früher Submodulauswahl, von diesen werden im weiteren fünf Algorithmen entwickelt, implementiert und experimentell erprobt. Eines der entwickelten Modulationsverfahren nutzt den Freiheitsgrad, der durch Aufteilung der Schaltflanken auf zwei Submodule entsteht, zur Verbesserung der eingeprägten Spannung. Die dabei durchgeführte Analyse unsymmetrischer Submodulspannungen erlaubt die sichere Ausnutzung dieses Freiheitsgrads im gesamten Betriebsbereich auch für andere Modulationsverfahren. Ein bei der Modellbildung der Zweigenergien neu eingenommener Standpunkt führt auf ein Stromrichtermodell, in welchem der Laststrom die Rolle eines zeitabhängigen Parameters annimmt. Das gestattet die getrennte Betrachtung von Stromrichter und Last, was sich vor allem bei der späteren (algebraischen) Parametrierung der Systemgrößen für die planungsbasierte Energieregelung auszahlt. Das Symmetrierungsproblem der Energieregelung wird mit Hilfe des zuvor hergeleiteten Energiemodells aufgegriffen. Im Unterschied zu bekannten Verfahren werden die Fehlerverstärkungen der Energiefehler-Rückführung unter Berücksichtigung der Kopplungen eingestellt, welche durch gemeinsame Nutzung des Kreisstroms entstehen, was die 10-Prozent-Abklingzeit der Energiefehler um 67 Prozent verringert. Für den Fall ohne Aussteuerung der Gleichtaktspannung konnte außerdem die zeitvariante Fehlerdynamik der Energiefehler-Rückführung in eine zeitinvariante Darstellung transformiert werden und erlaubt damit erstmals globale Stabilitätsaussagen und eine effiziente Optimierung der Polkonstellation. Eine neuartige planungsbasierte Energieregelung verbessert die Symmetrierung mit Hilfe einer Vorsteuerung, die schon während der Überführungen zu neuen Arbeitsregimes eine Verringerung der Kondensatorspannungsschwankungen erreicht. Der Aufwand der Steuerungsberechnung konnte deutlich reduziert werden, und zwar zum einen durch Aufnahme der vertikalen Energiedifferenz in die vorgegebenen Energien, und zum anderen durch die Konstruktion von Überführungen, deren Parameter vorteilhaft voneinander unabhängige Rollen einnehmen. Bei dieser Aufgabe erlaubt das hergeleitete Stromrichtermodell die bequeme Vorgabe von vier der sechs Stromrichterenergien, sodass nur zwei durch Integration bestimmt werden brauchen, was der bisher niedrigsten bekannten Ordnung für dieses Problem entspricht. Die entwickelte Steuerung reduziert die Kondensatorspannungsschwankungen und entlastet die Energiefehler-Rückführung von der Überführungsaufgabe, wie die für die Messung durchgeführte Implementierung zeigt. Ein Parametervergleich der aufgebauten Modellanlage mit typischen Mittelspannungs-M2Cs belegt die besonders gute Nachbildung der für die Energieregelung relevanten Verhältnisse im Vergleich zu anderen Modellanlagen.:I Untersuchungen zum M2C 1 Einleitung 2 Modulationsverfahren 2.1 Einleitung 2.2 Modulationsverfahren der Modellanlage 2.2.1 Eigenschaften der Modulation der Modellanlage 2.2.2 Algorithmus 1 2.2.3 Algorithmus 2 2.2.4 Algorithmus 3 2.2.5 Algorithmus 4 2.2.6 Besonderheiten bei Modulation mit zwei taktenden Modulen 2.2.7 Algorithmus 5 2.3 Vergleich der Algorithmen 2.3.1 Schaltfrequenz 2.3.2 Symmetrierung 2.3.3 Eingeprägte Spannung 2.3.4 Spektrum der Gleich- und Wechselspannung 2.3.5 Rechenzeit 2.4 Zusammenfassung 3 Modellbildung 3.1 Modellierung der Submodule und deren Reihenschaltung 3.2 Simulationsmodell zur Berücksichtigung eines unsymmetrischen Aufbaus 3.3 Modellbildung für den Regelungsentwurf 3.3.1 Anwendung von Ersatzsubmodulen für den Regelungsentwurf 3.3.2 Überblick zum weiteren Vorgehen 3.3.3 Vereinfachungen bei symmetrischem Aufbau 3.3.4 Dreiphasige und einphasige Betrachtung mittels Stromquellenlast 3.3.5 Transformation in Summe und Differenzen 3.3.6 Transformation in Energien 3.3.7 Energiegrößen für die dreiphasige Schaltung 3.4 Stationäre Lösungen der dreiphasigen Schaltung 3.4.1 Kreisstromfreier Betrieb ohne Gleichtaktspannung 3.4.2 Kreisstromfreier Betrieb mit triplen harmonic injection 3.4.3 Betrieb mit zweiter Harmonischer im Kreisstrom 3.4.4 Betrieb ohne Auslenkung der komplexen Summenenergie 3.4.5 Vergleich zweier Kreisstromformen zur Reduktion der Spannungsschwankung 3.5 Zusammenfassung der Eigenschaften des Modells und der Herleitung 4 Beiträge zur Regelung eines M2Cs 4.1 Überblick über Symmetrierungslösungen 4.2 Rückführung der Energiefehler auf den Kreisstrom 4.2.1 Fehlerdynamik 4.2.2 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei vernachlässigter Kopplung 4.2.3 Simulation der Fehlerdynamik und des gesamten Stromrichters 4.2.4 Einstellung der Fehlerverstärkungen anhand von Eigenwerten 4.2.5 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei Aussteuerung der Gleichtaktspannung 4.2.6 Anpassung der Einstellungen an veränderte Parameter 4.2.7 Zusammenfassung der untersuchten Einstellungen 4.3 Planungsbasierte Optimierung der Symmetrierung 4.3.1 Grundidee 4.3.2 Berechnung der Systemgrößen 4.3.3 Trajektorienplanung für die Last 4.3.4 Trajektorienplanung für den M2C 4.3.5 Berechnung des verbleibenden Parameters 4.3.6 Verbesserung des Verlaufs der Gleichtaktspannung 4.3.7 Messergebnisse 4.3.8 Zusammenfassung 5 Zusammenfassung des ersten Teils II Modellanlage mit M2C 6 Eigenschaften der Modellanlage 6.1 Besonderheiten beim Test von Regelungsverfahren 6.2 Schutzfunktionen 6.3 Dimensionierung der Komponenten 6.3.1 Berechnung des Energiehubs der Kondensatoren 6.3.2 Einfluss der Induktivität der Zweigdrossel 6.3.3 Dimensionierung der Zweigdrossel 6.3.4 Abschätzung und Simulation der ohmschen Verluste und der Halbleiterverluste 6.3.5 Verluste der Submodulkondensatoren 6.3.6 Entwärmung der Leistungshalbleiter 6.3.7 Berechnung der mindestens notwendigen Gleichspannung 6.3.8 Berechnung der maximal bereitzustellenden Zweigspannung 6.4 Vergleich von Modellanlagen mit Mittelspannungs-M2Cs 7 Zusammenfassung des zweiten Teils / The thesis deals with the modulation, the modeling and the energy balancing of modular multilevel converters as well as the construction of a low-voltage test bench for the experimental evaluation. The proposed modulation algorithms offer low switching frequency, small cell voltage imbalance, fast calculation, and improved injected voltages thanks to the idea of inherited polarity. In order to classify modular multilevel converter modulation schemes a distinction between early and late cell selection is proposed. The further investigation focuses on modulation for a small number of cells per arm (n<20) for which early selection is advantageous. Five such methods are developed, implemented and tested experimentally on a test bench. The injected voltage was improved by exploiting a degree of freedom that arises when the positive and negative edges are assigned to two cells instead of one cell. A corresponding analysis of the inherent deviations between the cell voltages enables reliable exploitation of the degree of freedom without endangering correct termination of the algorithm. The proposed arm energy modeling results in a converter model that incorporates the load current as time varying parameter and enables a beneficial separation of converter model and load model that eases trajectory planning for both. The energy balancing problem of modular multilevel converters is tackled by means of the derived arm energy model. In comparison to known approaches, the tuning scheme takes into account the coupling caused by the different circulating current frequency components and reduces the 10 percent decay-time by 67 percent. In case of zero common mode voltage a transformation of the time-variant error dynamics of the energy balancing feedback into a time-invariant form enables global stability proof and efficient eigenvalue optimization. A novel energy balancing approach based on trajectory planning and feed-forward circulating current enables a balanced operation even during transfers between operating regimes. In contrast to the classic approach of specifying circulating current components and common-mode voltage, four out of six (transformed) arm energies are specified in order to identify balanced transfers between operating regimes. The calculation cost for obtaining consistent energy references has been reduced by specifying candidate trajectories even for the vertical difference energy, and by using candidate trajectories whose parameters are responsible for independent tasks. Thus, only two energies remain that need to be determined via integration during the planning procedure. This is the lowest known order of the system to be integrated. As a benefit of this approach, no balancing error remains, i.e. the task of the balancing feedback is reduced to compensating parameter uncertainties and disturbances. The proposed energy references improve the cell voltage balance and relieves the feedback based energy balancing from the large signal transfer task. The LC-circuit of the cell capacitors and the arm inductor of the low-voltage test bench features a similar resonant frequency as reported for typical medium-voltage designs as a survey of other low-voltage test benches reveal.:I Untersuchungen zum M2C 1 Einleitung 2 Modulationsverfahren 2.1 Einleitung 2.2 Modulationsverfahren der Modellanlage 2.2.1 Eigenschaften der Modulation der Modellanlage 2.2.2 Algorithmus 1 2.2.3 Algorithmus 2 2.2.4 Algorithmus 3 2.2.5 Algorithmus 4 2.2.6 Besonderheiten bei Modulation mit zwei taktenden Modulen 2.2.7 Algorithmus 5 2.3 Vergleich der Algorithmen 2.3.1 Schaltfrequenz 2.3.2 Symmetrierung 2.3.3 Eingeprägte Spannung 2.3.4 Spektrum der Gleich- und Wechselspannung 2.3.5 Rechenzeit 2.4 Zusammenfassung 3 Modellbildung 3.1 Modellierung der Submodule und deren Reihenschaltung 3.2 Simulationsmodell zur Berücksichtigung eines unsymmetrischen Aufbaus 3.3 Modellbildung für den Regelungsentwurf 3.3.1 Anwendung von Ersatzsubmodulen für den Regelungsentwurf 3.3.2 Überblick zum weiteren Vorgehen 3.3.3 Vereinfachungen bei symmetrischem Aufbau 3.3.4 Dreiphasige und einphasige Betrachtung mittels Stromquellenlast 3.3.5 Transformation in Summe und Differenzen 3.3.6 Transformation in Energien 3.3.7 Energiegrößen für die dreiphasige Schaltung 3.4 Stationäre Lösungen der dreiphasigen Schaltung 3.4.1 Kreisstromfreier Betrieb ohne Gleichtaktspannung 3.4.2 Kreisstromfreier Betrieb mit triplen harmonic injection 3.4.3 Betrieb mit zweiter Harmonischer im Kreisstrom 3.4.4 Betrieb ohne Auslenkung der komplexen Summenenergie 3.4.5 Vergleich zweier Kreisstromformen zur Reduktion der Spannungsschwankung 3.5 Zusammenfassung der Eigenschaften des Modells und der Herleitung 4 Beiträge zur Regelung eines M2Cs 4.1 Überblick über Symmetrierungslösungen 4.2 Rückführung der Energiefehler auf den Kreisstrom 4.2.1 Fehlerdynamik 4.2.2 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei vernachlässigter Kopplung 4.2.3 Simulation der Fehlerdynamik und des gesamten Stromrichters 4.2.4 Einstellung der Fehlerverstärkungen anhand von Eigenwerten 4.2.5 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei Aussteuerung der Gleichtaktspannung 4.2.6 Anpassung der Einstellungen an veränderte Parameter 4.2.7 Zusammenfassung der untersuchten Einstellungen 4.3 Planungsbasierte Optimierung der Symmetrierung 4.3.1 Grundidee 4.3.2 Berechnung der Systemgrößen 4.3.3 Trajektorienplanung für die Last 4.3.4 Trajektorienplanung für den M2C 4.3.5 Berechnung des verbleibenden Parameters 4.3.6 Verbesserung des Verlaufs der Gleichtaktspannung 4.3.7 Messergebnisse 4.3.8 Zusammenfassung 5 Zusammenfassung des ersten Teils II Modellanlage mit M2C 6 Eigenschaften der Modellanlage 6.1 Besonderheiten beim Test von Regelungsverfahren 6.2 Schutzfunktionen 6.3 Dimensionierung der Komponenten 6.3.1 Berechnung des Energiehubs der Kondensatoren 6.3.2 Einfluss der Induktivität der Zweigdrossel 6.3.3 Dimensionierung der Zweigdrossel 6.3.4 Abschätzung und Simulation der ohmschen Verluste und der Halbleiterverluste 6.3.5 Verluste der Submodulkondensatoren 6.3.6 Entwärmung der Leistungshalbleiter 6.3.7 Berechnung der mindestens notwendigen Gleichspannung 6.3.8 Berechnung der maximal bereitzustellenden Zweigspannung 6.4 Vergleich von Modellanlagen mit Mittelspannungs-M2Cs 7 Zusammenfassung des zweiten Teils

So far, only CMOS compatible and scalable hafnia-zirconia (HZO) based ferroelectric (FE) n-FeFETs have been reported. To enable the full ferroelectric hierarchy [1] both p- and n-type devices should be available. Here we report a p-FeFET with a large memory window (MW) for the first time. Moreover, we propose different integration schemes comprising structures with and without internal gate resulting in metal-FE-insulator-Si (MFIS) and metal-FE-metal-insulator-Si (MFMIS) devices which could be used to tackle the problem of interface (IF) degradation and possibly decrease the power consumption of the devices.

Ferroelectricity is very attractive for nonvolatile memories since it allows non-volatility paired with a field driven switching mechanism enabling a very low-power write operation. Non-volatile memories based on ferroelectric lead-zirconium-titanate (PZT) (see fig. la) are available on the market for more than a quarter of a century now [1]. Yet they are limited to niche applications due to the compatibility issues of the ferroelectric material with CMOS processes and the associated limited scalability [2]. The discovery of ferroelectricity in doped hafnium oxide has revived the activities towards a variety of scalable ferroelectric nonvolatile memory devices