Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) betrachtet die Fähigkeit eines elektrischen Gerätes, in seiner elektromagnetischen Umgebung störungsfrei zu funktionieren, ohne diese dabei unzulässig zu stören. Zur Prüfung der Elektromagnetischen Verträglichkeit werden verschiedene Messumgebungen verwendet. Die Messung der strahlungsgebundenen Störfestigkeit und Störaussendung kann zum Beispiel in einer Modenverwirbelungskammer (MVK) erfolgen. Bei der Störfestigkeitsmessung wird der Prüfling einem externen Prüffeld ausgesetzt und untersucht, ob dieser die definierten Kriterien für einen störungsfreien Betrieb erfüllt. Für das Prüffeld muss vor der Messung nachgewiesen werden, dass die Anforderungen an dessen Homogenität eingehalten werden. Einen entscheidenden Einfluss auf die Homogenität des Prüffeldes hat der sogenannte Rührer. Bei einer MVK handelt es sich prinzipiell um einen Hohlraumresonator, in den ein mechanischer Rührer, d.h. ein elektrisch großer, drehbarer Streukörper integriert wird. Durch die Drehung des Rührers verändert sich die Feldverteilung in der MVK, was auch als Verwirbelung bezeichnet wird. Prinzipiell ergibt sich für jede Stellung des Rührers ein inhomogenes Feld mit lokalen Minima und Maxima. Ein Ziel bei der Verwendung von Modenverwirbelungskammern ist es, mit Hilfe geeigneter Verfahren Rührerstellungen zu finden, deren Feldverteilungen in Überlagerung ein möglichst homogenes Prüffeld erzeugen. Zum Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit der Technischen Universität Dresden gehört seit 2010 eine Modenverwirbelungskammer. Die Charakterisierung dieser MVK sowie eine weiterführende Untersuchung zur Wahl der Rührerstellungen bilden die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit. / In 2010 the Chair of Electromagnetic Theory and Compatibility of Technical University Dresden could extend its laboratories by a reverberation chamber with the dimensions 5.3 m, 3.7m and 3.0 m. Since then, a detailed characterisation of the chamber as well as further investigations have been the main emphasis of the authors research. The submitted doctoral thesis presents the obtained results. With the design, the fundamentals of operation and further characterisation of the reverberation chamber, given in Chapter 1 and 2, it aims to give an introduction and better understanding of reverberation chambers. On this basis, the authors research focused on methods for determining the independent stirrer positions in reverberations chambers. The results of the investigations are presented and summarised in chapter 3. One scope of Electromagnetic Compatibility are radiated immunity measurements. Besides the GTEM cell and the anechoic chamber the reverberation chamber gains in importance as an alternative measurement environment. A reverberation chamber is a shielded room with reflecting walls and one or more integrated mechanical stirrers. By rotating the stirrer the spatial boundary conditions for the electromagnetic field quantities are altered. The resulting change of the spatial field distribution depends on the location within the chamber and the geometry of the stirrer. Each stirrer position yields an inhomogeneous field distribution created by interfering waves. A general aim is to find a set of stirrer positions, whose superimposed field distributions create a more uniform test field. In practice, the given requirements for the homogeneity of the test field shall, with regards to an optimisation of measurement time, be realized with a minimum number of stirrer positions. In this context the term ’independent stirrer positions’ was established and describes stirrer positions, whose field distributions are linearly uncorrelated and therefore assumed to be practical for creating a more homogeneous test field using only a minimal number of stirrer positions. A general method for determining the number of independent stirrer positions in reverberation chambers is presented. The method uses a certain number of measurement positions in a defined test volume in order to characterize the spatial field distribution inside the chamber. Using the Pearson correlation coefficient the field distributions of the stirrer positions are tested for linear correlation and pairs of independent stirrer positions are determined. On this basis, cliques of pairwise independent stirrer positions are identified using appropriate algorithms. It is shown that the general method yields detailed information about the number and distribution of the independent stirrer positions and is therefore particularly suitable to evaluate other methods. Finally, the standard method according to IEC 61000-4-21 as well as selected alternative methods, that have been proposed in the past, are evaluated and compared based on the results of the general method.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit DC/DC-Wandlern zur Einbindung von Doppelschichtkondensatoren in das Fahrzeugenergiebordnetz. Zunächst werden die Anforderungen an derartige DC/DC-Wandler anhand dreier entsprechender Beispielanwendungen zusammengestellt und verglichen. Für die Anwendung zur Entkopplung transienter Hochleistungsverbraucher, wie beispielsweise eine elektrische Lenkung, wird ein DC/DC-Wandler-Konzept entwickelt. Es findet ein Vergleich von drei geeigneten Topologien mittels einer hierfür erarbeiteten Methode statt, mit dem Ziel die beste Lösung für den betrachteten Anwendungsfall zu ermitteln. Um adäquate Kritierien für die Wahl der Schaltfrequenz und der Induktivitäten von Speicherdrosseln aufzustellen, erfolgt eine Untersuchung des Einflusses des Drosselstromwechselanteils auf das Schaltverhalten der MOSFETs sowie auf bestimmte Bereiche der EMV-Störemissionen. Als Methoden zur Optimierung des Synchrongleichrichterbetriebs werden das Parallelschalten von Schottky-Dioden und Synchrongleichrichtern sowie die Variation der Ausschalttotzeiten von Synchrongleichrichtern untersucht. Weiterhin wird unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Anwendung und Topologie ein Konzept für die Regelung des Wandlers entwickelt. Abschließend findet eine Vorstellung ausgewählter Aspekte zur Umsetzung des DC/DC-Wandler-Konzepts sowie der Ergebnisse experimenteller Untersuchungen statt.

Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) betrachtet die Fähigkeit eines elektrischen Gerätes, in seiner elektromagnetischen Umgebung störungsfrei zu funktionieren, ohne diese dabei unzulässig zu stören. Zur Prüfung der Elektromagnetischen Verträglichkeit werden verschiedene Messumgebungen verwendet. Die Messung der strahlungsgebundenen Störfestigkeit und Störaussendung kann zum Beispiel in einer Modenverwirbelungskammer (MVK) erfolgen. Bei der Störfestigkeitsmessung wird der Prüfling einem externen Prüffeld ausgesetzt und untersucht, ob dieser die definierten Kriterien für einen störungsfreien Betrieb erfüllt. Für das Prüffeld muss vor der Messung nachgewiesen werden, dass die Anforderungen an dessen Homogenität eingehalten werden. Einen entscheidenden Einfluss auf die Homogenität des Prüffeldes hat der sogenannte Rührer. Bei einer MVK handelt es sich prinzipiell um einen Hohlraumresonator, in den ein mechanischer Rührer, d.h. ein elektrisch großer, drehbarer Streukörper integriert wird. Durch die Drehung des Rührers verändert sich die Feldverteilung in der MVK, was auch als Verwirbelung bezeichnet wird. Prinzipiell ergibt sich für jede Stellung des Rührers ein inhomogenes Feld mit lokalen Minima und Maxima. Ein Ziel bei der Verwendung von Modenverwirbelungskammern ist es, mit Hilfe geeigneter Verfahren Rührerstellungen zu finden, deren Feldverteilungen in Überlagerung ein möglichst homogenes Prüffeld erzeugen. Zum Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit der Technischen Universität Dresden gehört seit 2010 eine Modenverwirbelungskammer. Die Charakterisierung dieser MVK sowie eine weiterführende Untersuchung zur Wahl der Rührerstellungen bilden die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit. / In 2010 the Chair of Electromagnetic Theory and Compatibility of Technical University Dresden could extend its laboratories by a reverberation chamber with the dimensions 5.3 m, 3.7m and 3.0 m. Since then, a detailed characterisation of the chamber as well as further investigations have been the main emphasis of the authors research. The submitted doctoral thesis presents the obtained results. With the design, the fundamentals of operation and further characterisation of the reverberation chamber, given in Chapter 1 and 2, it aims to give an introduction and better understanding of reverberation chambers. On this basis, the authors research focused on methods for determining the independent stirrer positions in reverberations chambers. The results of the investigations are presented and summarised in chapter 3. One scope of Electromagnetic Compatibility are radiated immunity measurements. Besides the GTEM cell and the anechoic chamber the reverberation chamber gains in importance as an alternative measurement environment. A reverberation chamber is a shielded room with reflecting walls and one or more integrated mechanical stirrers. By rotating the stirrer the spatial boundary conditions for the electromagnetic field quantities are altered. The resulting change of the spatial field distribution depends on the location within the chamber and the geometry of the stirrer. Each stirrer position yields an inhomogeneous field distribution created by interfering waves. A general aim is to find a set of stirrer positions, whose superimposed field distributions create a more uniform test field. In practice, the given requirements for the homogeneity of the test field shall, with regards to an optimisation of measurement time, be realized with a minimum number of stirrer positions. In this context the term ’independent stirrer positions’ was established and describes stirrer positions, whose field distributions are linearly uncorrelated and therefore assumed to be practical for creating a more homogeneous test field using only a minimal number of stirrer positions. A general method for determining the number of independent stirrer positions in reverberation chambers is presented. The method uses a certain number of measurement positions in a defined test volume in order to characterize the spatial field distribution inside the chamber. Using the Pearson correlation coefficient the field distributions of the stirrer positions are tested for linear correlation and pairs of independent stirrer positions are determined. On this basis, cliques of pairwise independent stirrer positions are identified using appropriate algorithms. It is shown that the general method yields detailed information about the number and distribution of the independent stirrer positions and is therefore particularly suitable to evaluate other methods. Finally, the standard method according to IEC 61000-4-21 as well as selected alternative methods, that have been proposed in the past, are evaluated and compared based on the results of the general method.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit DC/DC-Wandlern zur Einbindung von Doppelschichtkondensatoren in das Fahrzeugenergiebordnetz. Zunächst werden die Anforderungen an derartige DC/DC-Wandler anhand dreier entsprechender Beispielanwendungen zusammengestellt und verglichen. Für die Anwendung zur Entkopplung transienter Hochleistungsverbraucher, wie beispielsweise eine elektrische Lenkung, wird ein DC/DC-Wandler-Konzept entwickelt. Es findet ein Vergleich von drei geeigneten Topologien mittels einer hierfür erarbeiteten Methode statt, mit dem Ziel die beste Lösung für den betrachteten Anwendungsfall zu ermitteln. Um adäquate Kritierien für die Wahl der Schaltfrequenz und der Induktivitäten von Speicherdrosseln aufzustellen, erfolgt eine Untersuchung des Einflusses des Drosselstromwechselanteils auf das Schaltverhalten der MOSFETs sowie auf bestimmte Bereiche der EMV-Störemissionen. Als Methoden zur Optimierung des Synchrongleichrichterbetriebs werden das Parallelschalten von Schottky-Dioden und Synchrongleichrichtern sowie die Variation der Ausschalttotzeiten von Synchrongleichrichtern untersucht. Weiterhin wird unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Anwendung und Topologie ein Konzept für die Regelung des Wandlers entwickelt. Abschließend findet eine Vorstellung ausgewählter Aspekte zur Umsetzung des DC/DC-Wandler-Konzepts sowie der Ergebnisse experimenteller Untersuchungen statt.

Durch die Ergänzung von Organoblechen mit gewebten Strukturen aus Metalldrähten können hochbelastbare Bauteile gleichzeitig mit einer abschirmenden Wirkung versehen werden und ermöglichen so Anwendungen wie beispielsweise im Umfeld der Elektromobilität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein polypropylen-basierter Schichtverbund aus thermoplastischen Hochleistungsfaserverbunden und Metalldrahtgewebe hinsichtlich seiner Eignung zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen für Gehäusestrukturen und seiner Verarbeitbarkeit im Spritzgießen näher analysiert. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss von Defekten, wie sie bei der Herstellung realer Bauteile entstehen können, und deren Auswirkung auf die Abschirmwirkung des Bauteils. Darüber hinaus werden mit Vibrations-,Infrarot- und Heißgasschweißen mögliche Fügeverfahren aufgezeigt und hinsichtlich ihrer Abschirmwirkung bewertet, die auch eine elektrische Kontaktierung über die Fügestelle hinweg ermöglichen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung / By combining endless glass fiber reinforced thermoplastic semifinished products with embedded metal wire meshes it is possible to produce highly stressable parts, which additionally allow shielding of electromagnetic waves. Therefore these party can be used for electric cars. In this study a multi-layer film, consisting of polypropylene-based organosheets, PPGF30 and metal wire meshes, is analyzed regarding its suitability for shielding against electromagnetic waves and its processability in injection molding. The analysis show the influences defects, which accure during the production of housings, and their impact of the shielding effectiveness. Moreover possible joining technologies, such as infraredwelding, vibrationwelding and ultrasonicwelding, are studied and evaluated whether it’s possible to create a electrically conductive joint.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung

The intentions of the so-called "More Electrical Aircraft" (MEA) are higher efficiency and lower weight. A main topic here is the application of electrical instead of hydraulical, pneumatical and mechanical systems. The necessary power electronic devices have intermediate DC-links, which are typically supplied by a three-phase system with active B6 and passive B12 rectifiers. A possible alternative is the B6 diode bridge in combination with an active power filter (APF). Due to the parallel arrangement, the APF offers a higher power density and is able to compensate for harmonics from several devices. The use of the diode bridge rectifier alone is not permitted due to the highly distorted phase current. The following investigations are dealing with the development of an active power filter for a three-phase supply with variable frequency from 360 to 800 Hz. All relevant components such as inductors, EMC-filters, power modules and DC-link capacitor are designed. A particular focus is put on the customized power module with SiC-MOSFETs and SiC-diodes, which is characterized electrically and thermally. The maximum supply frequency slope has a value of 50 Hz/ms, which requires a high dynamic and robustness on the control algorithm. Furthermore, the content of 5th and 7th harmonics must be reduced to less than 2 %, which demands a high accuracy. To cope with both requirements, a two-stage filter algorithm is developed and implemented in two independent signal processors. Simulations and laboratory experiments confirm the performance and robustness of the control algorithm. This work comprehensively presents the design of aerospace rectifiers. The results were published in conferences and patents. / Hauptziele des sogenannten "More Electrical Aircraft" (MEA) sind Effizienzerhöhung und Gewichtseinsparung. Ein Schwerpunkt hierbei ist die Nutzung von elektrischen statt hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Systemen. Die notwendigen Leistungselektroniken haben DC-Zwischenkreise, welche mittels aktiven B6 und passiven B12 Gleichrichtern aus dem Dreiphasennetz gespeist werden. Eine mögliche Alternative ist die B6 Diodenbrücke in Kombination mit einem aktiven Netzfilter, welcher aufgrund der parallelen Anordnung eine höhere Leistungsdichte aufweist und darüber hinaus mehrere Geräte gleichzeitig entstören kann. Die alleinige Nutzung einer Diodenbrücke ist aufgrund des hohen Anteils von Stromharmonischen nicht zulässig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines aktiven Filters für ein Dreiphasensystem mit variabler Frequenz von 360 bis 800 Hz. Es werden alle relevanten Bauteile wie Induktivitäten, EMV-Filter, Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensator ausgelegt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem kundenspezifischen Modul mit SiC-Dioden und SiCMOSFETs, welches vollständig elektrisch und thermisch charakterisiert wird. Die Änderung der Netzfrequenz beträgt bis zu 50 Hz/ms, was eine hohe Dynamik und Robustheit von der Filterregelung verlangt. Weiterhin ist im statischen Fall eine hohe Genauigkeit gefordert, da die 5. und 7. Harmonische auf unter 2% geregelt werden müssen. Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, wird ein zweistufiger Regelungsalgorithmus entwickelt der auf zwei digitalen Signalprozessoren implementiert wird. Simulationen und Labormessungen bestätigen die Robustheit des Regelungskonzeptes. Diese Arbeit stellt umfassend die Entwicklung von Luftfahrtgleichrichtern dar. Die Ergebnisse wurden in Konferenzen und Patenten veröffentlicht.

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten zur Maximierung der Effizienz von stromregelnden DC/DC-Wandlern für den Betrieb von Hochleistungs-LEDs in PKW-und Motorrad-Beleuchtungseinrichtungen untersucht, mit dem Ziel, das Gewicht und den Energieverbrauch der Steuergeräte zu reduzieren und so zu dem stetigen Bestreben der Minimierung der Gesamtfahrzeugemissionen beizutragen. Dafür werden verschiedene, teils sequenziell aufbauende Maßnahmen in Topologie, Bauelementen, Dimensionierung und Betriebsart betrachtet. Eine grundlegende Herausforderung für die Auslegung der Schaltung stellt dabei deren universelle Verwendbarkeit als Gleichteil in einem großen Bereich an Ausgangsstrom und -spannung in den individuellen Scheinwerfersystemen der verschiedenen Fahrzeugderivate dar. Die Grundlage für die Verringerung der Verlustleistung bildet die Vereinfachung der Schaltreglertopologie hinsichtlich des Bauteilaufwands. Dies wird durch die Versorgung der Schaltung aus dem 48 V-Energiebordnetz und die Verwendung der Topologie des Tiefsetzstellers erreicht. Elementarer Anteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wirksamkeit des Einsatzes neuartiger Galliumnitrid-Leistungsschalter (GaN-HEMTs) anstelle der konventionellen Silizium-MOSFETs, was zunächst an Hand von Berechnungen und schaltungstechnischen, parasitärbehafteten und zeitvarianten Simulationen durchgeführt wird. Bereits bei herkömmlichen Schaltfrequenzen und hartgeschaltetem Betrieb können signifikante Verbesserungen des Wirkungsgrades erreicht werden. Weitergehend wird der Nutzen der durch die GaN-Transistoren ermöglichten höheren Schaltfrequenzen eruiert. Die um bis zu Faktor 20 erhöhte Schaltfrequenz macht den Einsatz einer resonanten Betriebsart (Zero-Voltage-Switching) und einer Luftspule als Hauptinduktivität notwendig. Auf Steuergeräteebene kann somit die Verlustleistung auf unter ein Drittel reduziert werden, was zudem ein deutlich einfacheres und kompakteres Gehäuse ermöglicht, wodurch das Gesamtgewicht etwa halbiert werden kann. Abschließend wird die Schaltung in einem Prototypen praktisch umgesetzt und die Funktionsfähigkeit im ZVS-Betrieb bei Schaltfrequenzen von bis zu 10 MHz verifiziert. / This thesis deals with the research of possibilities for maximising efficiency of current-regulating DC/DC-Converters for driving high-power-LEDs in passenger-car- and motorcycle-lighting-devices. The ambition is to reduce weight and energy-consumption of the electronic-control-units, to contribute to reach the continuously decreasing target-values for vehicle-emissions. Therefor different approaches in topology, components, design and operating mode are considered. A key-challenge for the circuit-design is the common-part-strategy for usage in many individual vehicle-headlamp-systems with a wide range of output-current and LED-string-voltages. Basis for the reduction of power-losses is the simplification of the converters topology in terms of quantity of components. This is achieved by using the 48 V -vehicle-electrical-system as voltage-supply and a step-down-topology. Mainpart of this research is about the potential benefits of applying novel Galliumnitride High-electron-mobility-transistors (GaN-HEMTs) instead of silicon MOS-FETs. Initially this is done by calculations and parasitic-afflicted, timevariant circuit-simulations. Already in hardswitching operation under conventional switching-frequencies significant improvements in converter-efficiency can be achieved. Furthermore the advantages of higher switching-frequencies, offered by the GaN-transistors, are investigated. Up to 20 times higher switching-frequencies necessitate a resonant operating mode of the circuit (Zero-voltage-switching) and the use of an aircoil as main-inductor. On ECU-level power-losses can be reduced down to less than one third, which enables a more simplified and compact housing-concept, so that the overall weight can drop to about the half. Finally the designed circuit is build up in a prototype and the functional capability is verified in ZVS-mode with up to 10 MHz switching-frequency.

The intentions of the so-called "More Electrical Aircraft" (MEA) are higher efficiency and lower weight. A main topic here is the application of electrical instead of hydraulical, pneumatical and mechanical systems. The necessary power electronic devices have intermediate DC-links, which are typically supplied by a three-phase system with active B6 and passive B12 rectifiers. A possible alternative is the B6 diode bridge in combination with an active power filter (APF). Due to the parallel arrangement, the APF offers a higher power density and is able to compensate for harmonics from several devices. The use of the diode bridge rectifier alone is not permitted due to the highly distorted phase current. The following investigations are dealing with the development of an active power filter for a three-phase supply with variable frequency from 360 to 800 Hz. All relevant components such as inductors, EMC-filters, power modules and DC-link capacitor are designed. A particular focus is put on the customized power module with SiC-MOSFETs and SiC-diodes, which is characterized electrically and thermally. The maximum supply frequency slope has a value of 50 Hz/ms, which requires a high dynamic and robustness on the control algorithm. Furthermore, the content of 5th and 7th harmonics must be reduced to less than 2 %, which demands a high accuracy. To cope with both requirements, a two-stage filter algorithm is developed and implemented in two independent signal processors. Simulations and laboratory experiments confirm the performance and robustness of the control algorithm. This work comprehensively presents the design of aerospace rectifiers. The results were published in conferences and patents. / Hauptziele des sogenannten "More Electrical Aircraft" (MEA) sind Effizienzerhöhung und Gewichtseinsparung. Ein Schwerpunkt hierbei ist die Nutzung von elektrischen statt hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Systemen. Die notwendigen Leistungselektroniken haben DC-Zwischenkreise, welche mittels aktiven B6 und passiven B12 Gleichrichtern aus dem Dreiphasennetz gespeist werden. Eine mögliche Alternative ist die B6 Diodenbrücke in Kombination mit einem aktiven Netzfilter, welcher aufgrund der parallelen Anordnung eine höhere Leistungsdichte aufweist und darüber hinaus mehrere Geräte gleichzeitig entstören kann. Die alleinige Nutzung einer Diodenbrücke ist aufgrund des hohen Anteils von Stromharmonischen nicht zulässig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines aktiven Filters für ein Dreiphasensystem mit variabler Frequenz von 360 bis 800 Hz. Es werden alle relevanten Bauteile wie Induktivitäten, EMV-Filter, Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensator ausgelegt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem kundenspezifischen Modul mit SiC-Dioden und SiCMOSFETs, welches vollständig elektrisch und thermisch charakterisiert wird. Die Änderung der Netzfrequenz beträgt bis zu 50 Hz/ms, was eine hohe Dynamik und Robustheit von der Filterregelung verlangt. Weiterhin ist im statischen Fall eine hohe Genauigkeit gefordert, da die 5. und 7. Harmonische auf unter 2% geregelt werden müssen. Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, wird ein zweistufiger Regelungsalgorithmus entwickelt der auf zwei digitalen Signalprozessoren implementiert wird. Simulationen und Labormessungen bestätigen die Robustheit des Regelungskonzeptes. Diese Arbeit stellt umfassend die Entwicklung von Luftfahrtgleichrichtern dar. Die Ergebnisse wurden in Konferenzen und Patenten veröffentlicht.