Gasisolierte Systeme im Gleichspannungsbetrieb vereinen für Anwendungen moderner Energieübertragung die Forderungen nach kleinräumigen Anlagen und verlustarmem Energietransport über große Entfernungen. Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb muss das Verhalten der eingesetzten Gas-Feststoff-Isolierung im technologischen System bis an die Grenzen des Isolationsvermögens bekannt sein. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung. Dabei stehen zwei wesentliche Einflussfaktoren im Vordergrund: die Temperatur, motiviert durch reale Stromwärmeverluste, und eine feste Störstelle auf der Gas-Feststoff-Grenzfläche, motiviert durch in der Praxis nicht völlig auszuschließende, metallische Partikel. Die Effekte dieser beiden Parameter auf die Feldverteilung, die Oberflächen- und Raumladungsbildung sowie das Isolationsvermögen bei Gleichspannung werden zunächst in zwei Versuchsanordnungen separat experimentell untersucht. Anschließend wird deren Zusammenwirken und gegenseitige Beeinflussung im Gesamtsystem analysiert. Die betriebsbedingte Erwärmung der Leiter gasisolierter Systeme führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung, die sich auf die Eigenschaften der Isolierstoffe Gas und Epoxidharz auswirkt. Die von der Temperatur abhängige Leitfähigkeit der Feststoffisolatoren führt zu einer temperaturabhängigen Feldverteilung, bei der sich der Ort der Höchstfeldstärke verschiebt. Dabei kann sich der Absolutwert der Höchstfeldstärke erhöhen und somit das Isolationsvermögen verringern. Gleichzeitig weist das Isoliergas nahe des erwärmten Leiters lokal eine geringere Dichte und damit eine geringere dielektrische Festigkeit auf. Die thermisch bedingte Minderung des Isolationsvermögens bei Gleichspannung beträgt in der untersuchten Anordnung (25 ... 35) %. In den schwach inhomogenen Feldern gasisolierter Anlagen erweisen sich metallische Partikel auf Isolatoren ab drei Millimetern Länge als besonders kritisch. Bei einem Gasdruck unterhalb von 0,3 MPa setzen an den Partikelspitzen zum Teil bereits ab 50 % der Durchschlagsspannung ohne Partikel Teilentladungen ein, sodass die Koronastabilisierung zu einer vergleichsweise hohen Überschlagsspannung führt. Durch diese stabilen Glimmentladungen kann die Störstelle bei Gleichspannung durch die üblichen Detektionsverfahren jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Oberhalb von 0,3 MPa treten vor dem Überschlag keine Teilentladungen auf. Aufgrund der fehlenden Koronastabilisierung kann die Isolationsfestigkeit durch einen erhöhten Gasdruck nicht oder nur stark unterproportional gesteigert werden. Die mit der Modellanordnung gewonnenen Erkenntnisse sind nachweislich auf Isolatoren kommerzieller Anlagen übertragbar. Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung wird maßgeblich durch die Temperaturverteilung und durch feste Störstellen auf der Grenzfläche beeinflusst. Oberflächen- und Raumladungen verändern das üblicherweise ohmsch-kapazitiv beschriebene Verhalten des Isolierstoffsystems bei Gleich- und Mischspannungsbelastung. Der Einfluss zusätzlicher Ladungsträger auf die stark temperaturabhängige Feldumbildung demonstriert, dass das Isoliergas in diesem Fall mit teilchendichte- und feldstärkeabhängigen Drift- und Diffusionsprozessen zur Modellierung des transienten Verhaltens von Gleichspannungssystemen berücksichtigt werden muss. Die Untersuchung des Systemverhaltens an den Grenzen des Isolationsvermögens ist wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung innovativer Technologien der modernen Energieübertragung bei steigender Übertragungsleistung. / DC operated gas-insulated systems combine the demand for space saving installations and lowloss energy transport over long distances for applications of recent energy transmission. In order to ensure a reliable and safe operation, the behaviour of the gas-solid insulation, which is used in the technological system, has to be known up to the limits of the insulation properties. Hence, this thesis deals with the flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress. Thereby, it focuses on two main influence factors: the temperature, due to real current heat losses, and an adhesive defect on the gas-solid interface, due to metallic particles that cannot be fully excluded in practice. Firstly, it is investigated experimentally in two test arrangements, how each parameter separately affects the electrical field distribution, the surface and volume charge accumulation and the insulation performance under DC voltage stress. Following that, their interaction and mutual influence is analysed in the whole system. Due to operating currents, the heating of the conductors in gas-insulated systems causes an inhomogeneous temperature distribution, that affects the properties of the insulating materials gas and epoxy resin. The temperature-dependent conductivity of the solid insulators leads to a temperature-dependent field distribution. Thereby, the location of the highest field strength is shifted. Since the absolute value of the highest field strength can increase, the insulation performance can decrease. Simultaneously, the insulating gas close to the heated conductor locally has a lower gas density and therefore a lower dielectric strength. The thermal related reduction of the insulation performance under DC voltage stress amounts to (25 ... 35) % in the investigated arrangement. Metallic particles, with a length of more than three millimetres and adhering on spacers, turn out to be particularly critical in the weakly inhomogeneous field of gas-insulated systems. At pressures below 0,3 MPa, partial discharges at the particle tips partly ignite already at 50 %of the breakdown voltage without a particle. The corona stabilisation leads to a relatively high flashover voltage. However, due to these stable glow discharges under DC voltage stress, the defect can not be unequivocally proven by usual detection methods. Above 0,3 MPa, no partial discharges occur before the flashover. Due to the missing corona stabilisation, with a higher gas pressure, the insulation strength is not or only disproportionately low increasing. The findings gained with the model arrangement are evidently applicable to spacers of commercial installations. The flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress, examined in this thesis, is influenced significantly by the temperature distribution and adhesive particles on the interface. Surface and volume charges change the generally resistive-capacitive described behaviour of the insulation system under DC and superimposed voltage stress. The influence of additional charge carriers on the strongly temperature-dependent field transition demonstrates, that in this case, the insulating gas with its drift and diffusion processes, depending on the particle density and the field strength, has to be considered, when modelling the transient behaviour of DC operated systems. Investigating the system behaviour to the limits of the insulation properties is a crucial element of developing innovative technologies of the modern energy transmission at increasing transmissions powers.

Kenntnisse über das prinzipielle Verhalten der Lasten und deren Benutzung durch die Endabnehmer sind im Wesentlichen vorhanden. Viele der aktuell notwendigen Untersuchungen benötigen jedoch Zeitreihen elektrischer Lasten, sogenannte Lastgänge. Mit der Synthese von Zeitreihen elektrischer Lasten können unter Berücksichtigung verschiedenster Anforderungen Lastgänge aufgebaut werden, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf Haushaltsabnehmer liegt. Wichtige Eingangsdaten für die Lastgangsynthese sind die technischen Kenngrößen der elektrischen Geräte und die sozialen Kennzahlen zur Benutzung der Geräte durch die Endabnehmer. Anhand dieser Eingangsdaten wird die Lastgangsynthese durchgeführt und werden Anwendungsbeispiele dargestellt. Die Entwicklung von klassischen Versorgungsnetzen hin zu aktiven Verteilungsnetzen ist bedingt durch neue Verbraucher, wie Wärmepumpen, Elektroautos, sowie vielen dezentralen Erzeugungsanlagen. Speziell die fluktuierende Einspeisung durch Photovoltaik-Anlagen ist Anlass zur Forderung nach einem Verbrauchs- und Lastmanagement. Mit dem Verbrauchsmanagement wird die Last an die Einspeisung angepasst und das Lastmanagement berücksichtigt zusätzlich die Versorgungssituation des Netzes. Für die Lastgangsynthese werden die Haushaltsgeräte in fünf Geräteklassen unterteilt, für die spezifische Kennzahlen aus technischer und sozialer Sicht angegeben werden. Diese Kennzahlen sind Leistung pro Gerät oder Energieverbrauch pro Nutzung sowie Ausstattungsgrade, Benutzungshäufigkeiten und Zeiten für das Ein- und Ausschalten der Geräte. Damit wird ein neuer Ansatz gewählt, welcher nicht mehr auf die detaillierte Beschreibung des Bewohnerverhaltens beruht, da die Datenbereitstellung dafür äußerst schwierig war und ist. Vorzugsweise in Niederspannungsnetzen sind mit synthetischen Zeitreihen umfangreiche und umfassende Untersuchungen realisierbar. Es gibt verschiedenste Möglichkeiten, die Zeitreihen zusammenzustellen. Mit Lastgängen je Außenleiter können beispielsweise unsymmetrische Zustände der Netze analysiert werden. Zudem können auch Lastgänge für Geräte bzw. Gerätegruppen erstellt werden, welche für Potenzialanalysen des Verbrauchsmanagement essenziell sind. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass viele Berechnungen nicht mehr auf deterministische Extremwerte beruhen, sondern die stochastischen Eigenschaften der Endabnehmer mit den resultierenden Lastgängen berücksichtigt werden. / Distributed generation and novel loads such as electric vehicles and heat pumps require the development towards active distribution networks. Load curves are needed for the appropriate design process. This thesis presents a feasible and expandable synthesis of load curves, which is performed exemplary on residential customers with a period under review of 1 year and time steps of as little as 30 s. The data is collected for up-to-date appliances and current statics examining the way of life. The main focus lies on the input data for the synthesis and distinguishes between technical and social factors. Some thirty home appliances have been analyzed and are classified into five appliance classes by incorporating switching operations and power consumptions. The active power is the key figure for the technical perspective and the data is derived from manufacturer information. For the social perspective six different customer types are defined. They differ in sizes of household and housekeeping. The social key figures are appliance penetration rate and depending on the appliance class the turn-on time, turn-off time, operating duration or cycle duration. The elaborated two-stage synthesis is efficiently implemented in Matlab®. First, artificial load curves are created for each appliance of the households under consideration of the appliance class. In the second step, the individual load curves of the appliances are combined to load curves per line conductor. The algorithms have been validated in the implementation process by retracing the input data in the load curves. Also, the feasibility of the results is shown by comparing the key figures maximum load and power consumption to data in literature. The generated load curves allow for unsymmetrical calculations of distribution systems and can be used for probabilistic investigations of the charging of electric vehicles, the sizing of thermal storage combined with heat pumps or the integration of battery storage systems. A main advantage is the possibility to estimate the likelihood of operating conditions. The enhancement to further appliances and the changeability of the input data allows for versatile further possible investigations.

Eine angemessene Qualität der Elektroenergie ist Grundvoraussetzung für den störungsfreien Betrieb aller angeschlossenen Geräte und Anlagen und spielt in den Verteilungsnetzen moderner Industriegesellschaften wie Deutschland eine zentrale Rolle. Die Elektroenergiequalität (EEQ) wird in Strom- und Spannungsqualität unterteilt. Während die Stromqualität maßgeblich im Verantwortungsbereich der Hersteller von Geräten und Anlagen liegt, sind für die Sicherung einer angemessenen Spannungsqualität im Wesentlichen die Netzbetreiber verantwortlich. Durch die technische Weiterentwicklung bspw. neuer Gerätetechnologien und die zunehmende Integration dezentraler Erzeugungsanlagen wie Photovoltaikanlagen ist zu erwarten, dass die EEQ auch künftig weiter an Bedeutung gewinnt. Die EEQ im Niederspannungsverteilungsnetz ist abhängig von Ort und Zeit und wird durch verschiedene Qualitätskenngrößen beschrieben. Die örtliche und zeitliche Abhängigkeit resultieren aus einer Vielzahl verschiedener Einflussfaktoren, welche sich entweder der elektrischen oder der nicht-elektrischen Umgebung des betrachteten Verteilungsnetzes zuordnen lassen. Die elektrische Umgebung wird durch die Art und Anzahl angeschlossener Verbraucher bzw. Erzeuger (Abnehmer- bzw. Erzeugerstruktur) sowie Struktur und technische Parameter des Verteilungsnetzes (Netzstruktur) bestimmt. Die nicht-elektrische Umgebung umfasst u.a. Einflüsse der klimatischen Umgebung wie bspw. Temperatur oder Globalstrahlung. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Identifikation korrelativer Zusammenhänge zwischen den genannten Umgebungseinflüssen und der EEQ sowie deren Quantifizierung auf Basis geeigneter Indizes und Kenngrößen. Die Ergebnisse der Arbeit helfen grundlegende Prinzipien der Ausprägung der Elektroenergiequalität im öffentlichen Verteilungsnetz besser zu verstehen sowie die Verteilungsnetze im Hinblick auf die Elektroenergiequalität zu charakterisieren und zu klassifizieren. Analog zu den Standard-Lastprofilen erfolgt die Definition von Standard-Qualitätsprofilen. / Power quality levels in public low voltage grids are influenced by many factors which can either be assigned to the electrical environment (connected consumers, connected genera-tion, network characteristics) or to the non-electrical environment (e.g. climatic conditions) at the measurement site. Type and amount of connected consumers (consumer topology) are expected to have a very high impact on power quality (PQ) levels. The generation topology is characterized by number and kind of equipment and generating installations like photovoltaic systems which are connected to the LV grid. The electrical parameters of the grid define the network topology. The parameters which are most suitable to describe each of the three topologies and the climatic environment will be identified. Voltage and current quality in public low voltage (LV) grids vary depending on location and time. They are quantified by a set of different parameters which either belong to events (e.g. dips) or to variations (e.g. harmonics). This thesis exclusively addresses continuous parameters describing variations. Continuous phenomena like harmonics are closely linked to an one-day-cycle which implies a more or less periodic behavior of the continuous power quality parameters. Consumer topologies such as office buildings or residential areas differ in their use of equipment. Time series analysis is used to distinguish between different consumer topologies and to identify characteristic weeks. The clustering of one-day time series is applied to identify characteristic days within the weeks of certain topologies. Based on the results, emission profiles for certain current quality parameters of different consumer topologies will be defined. Due to the characteristic harmonic current emission of certain consumer topologies which represents the typical user behaviour a classification system is developed. It is used to automatically classify the emission profiles of harmonic currents for unknown measurements and to estimate a likely consumer topology. A classification measure is introduced in order to identify unusual or false classified emission profiles. The usage behaviour of equipment by customers usually varies over the year. Subsequently, the levels of PQ parameters like harmonics may show seasonal variations which are identified by using newly defined parameters. The introduction of new device technologies on a large scale like the transition from incandescent to LED lamps might result in long-term changes to the levels of PQ parameters (e.g. harmonics). The analysis of the long-term behavior (trend) will be applied in order to quantify global trends (looking on the measurement duration as a whole) and local trends (looking on individual segments of the whole time series).

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177 / The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177

Benutzungsschnittstellen (UIs) dienen in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik der Bedienung und Beobachtung technischer Prozesse. Das sogenannte Model-based User Interface Development (MBUID) stellt ein vielversprechendes Konzept zur automatischen Erzeugung solcher UIs dar. Allerdings erfordert die Umsetzung dieses Konzeptes für einen spezifischen Anwendungsfall jeweils die Entwicklung einer oder mehrerer Modell-zu-Modell-Transformationen (M2M). Hierbei handelt es sich unter Verwendung aktueller Ansätze für Transformations-Frameworks um einen aufwändigen, fehleranfälligen und daher kostenintensiven Prozess. Dies gilt vor allem für Entwickler ohne tiefgreifendes Wissen über modellbasierte Technologien und kann unter Umständen sogar die durch die MBUID propagierten Vorteile aufwiegen. Zur Erleichterung des Prozesses der Entwicklung von Modelltransformationen schlägt diese Arbeit eine spezielle Methodik sowie deren prototypische Implementierung in Form des PAMTraM-Frameworks vor. Die Methodik greift dabei die speziellen Rahmenbedingungen bei der UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik auf und basiert auf drei Hauptkonzepten: Die Basis stellt die Konfiguration von M2M-Transformationen in mehrdeutigen, bedingten Abbildungsmodellen dar. Diese Abbildungsmodelle beschreiben dabei lediglich Zuordnungen zwischen Elementen der Quell- und Ziel-UI-Beschreibungssprache einer durchzuführenden Transformation. Im Gegensatz zu existierenden Ansätzen erlaubt die entwickelte Methodik die explizite Berücksichtigung mehrdeutiger Abbildungen, die in der Domäne der UI-Entwicklung häufig auftreten. Darüber hinaus können explizite Kontextbedingungen formuliert werden, die die Notwendigkeit der Anpassung bzw. Neu-Erstellung eines Abbildungsmodells bei Vorliegen eines geänderten Nutzungskontextes (z.B. einer neuen Hardware-Plattform) verhindern. Konkrete Transformationen für ein oder mehrere Quell- und Kontextmodelle können anschließend auf Basis eines konfigurierten Abbildungsmodells durchgeführt werden. Hierzu wird ein spezieller generischer Transformations-Algorithmus vorgestellt. Dieser ist in der Lage, basierend auf einer selbstständigen Analyse der Ziel-UI-Beschreibungssprache auch unvollständige Abbildungsmodelle auszuführen. Hierdurch muss der Entwickler eines Abbildungsmodells weniger Informationen in dieses integrieren. Allerdings führt dieses Vorgehen auch dazu, dass im Rahmen der Durchführung einer Transformation an verschiedenen Stellen Mehrdeutigkeiten auftreten können. Zur Auflösung dieser Mehrdeutigkeiten stellt diese Arbeit unterschiedliche Strategien wie z.B. die Konsultation des Nutzers vor. Das dritte Hauptkonzept wird durch zwei Ansätze für sog. Higher-Order Transformations gebildet. Diese ermöglichen die teilweise semi-automatische Erstellung bzw. Vervollständigung von Abbildungsmodellen u.a. im Rahmen iterativer Entwicklungsprozesse. Dadurch wird die Entwicklung von Abbildungsmodellen weiter vereinfacht und die während einer Transformation auftretenden Mehrdeutigkeiten können schrittweise soweit notwendig reduziert werden. Ein Nachweis über die Funktionalität der entwickelten Methodik sowie deren prototypischer Implementierung erfolgt zum einen anhand repräsentativer Fallstudien aus der betrachteten Domäne und zum anderen auf Basis einer Analyse hinsichtlich allgemeiner Kriterien zur Bewertung von Transformations-Frameworks. Eine abschließende Bewertung zeigt, dass die entwickelte Methodik die speziellen Anforderungen in Bezug auf die UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik erfüllt und zur Vereinfachung der Entwicklung von Modelltransformationen geeignet ist. / User Interfaces (UIs) in the domain of industrial automation serve the operation and monitoring of technical processes. The Model-based User Interface Development (MBUID) represents a promising concept for the automatic generation of such UIs. However, the realization of this concept for a specific use case requires the development of one or multiple model-to-model (M2M) transformations. Using existing transformation frameworks, this represents a complex, error-prone, and thus costly task. This applies especially to developers without deep knowledge of model-based technologies and can in some circumstances even cancel out the advantages promised by MBUID. In order to simplify the process of developing model transformations, this thesis proposes a specific methodology as well as its prototypic implementation by means of the PAMTraM framework. This methodology addresses the special underlying conditions of UI development in the domain of industrial automation and is based on three main concepts: The basis is formed by the configuration of M2M transformations in ambiguous, conditional mapping models. These only capture mappings between elements of the source and the target UI modeling language of a transformation. In contrast to existing approaches, the developed methodology explicitly takes into account the possibility for ambiguous mappings that are common in the domain of UI development. Furthermore, developers can specify explicit context conditions that prevent the necessity of a modification or redevelopment of a mapping model in case of a changed context of use (e.g. a new hardware platform). Individual transformations for one or multiple source and context models can be executed based on a configured mapping model. Therefore, a special generic transformation algorithm is presented. By autonomously analyzing the target UI modeling language, this algorithm is even capable of executing incomplete mapping models. As a result of this, the developer has to integrate less information in the mapping model. However, due to this approach, ambiguities may occur at various points during the course of a transformation. In order to be able to resolve these ambiguities, various strategies like the consultation of the user are presented in this thesis. The third main concept is formed by two approaches for higher-order transformations that allow the partial semi-automatic generation resp. completion of mapping models among others in the context of iterative development processes. This further simplifies the development of mapping models and allows for the step-wise reduction of occurring ambiguities as far as necessary. Representative case studies from the considered domain as well as an analysis with regard to general criteria for the assessment of transformation frameworks prove the functionality of the proposed methodology and its prototypical implementation. A concluding evaluation shows that the developed methodology satisfies the specific requirements concerning UI development in the domain of industrial automation and is suited to simplify the development of model transformations.

This work presents different novel gate drive unit (GDU) concepts for IGBT and reverse conducting IGBT (RC-IGBT). They have been experimentally tested with medium voltage class IGBT modules (1200...1700V/650…1400A) and a RC-IGBT module (1200V/200A). The switching behaviour of the RC-IGBT was investigated, and a new trigger pulse pattern to drive the RC-IGBT was developed, designed and implemented. The experimental results showed that the switching losses were reduced by 20% in the RC-IGBT compared to the switching losses of a standard diode. Two novel schemes are introduced to estimate the collector current through the IGBT, based on the measurement of the voltage across the internal stray inductance of the IGBT module. Furthermore, a GDU concept was derived to balance the on-state collector currents of parallel-connected IGBTs, reducing the current imbalance to 5%. Also, a new fast short circuit protection method (FSCP) for IGBT modules was developed, designed and implemented in another GDU, allowing turning-off the considered IGBT in less than 1μs, reducing the IGBT stress. Another scheme implemented in a GDU features an improved gate current switching profile of the IGBT, which reduces the switching losses by 25% compared to the standard switching method. In order to reduce the conduction losses, a GDU with an increased turn-on gate-emitter voltage (larger than 20 V) was investigated. In the investigated IGBT, the on-state losses were reduced by 18% when a gate-emitter voltage of 35V is used compared to when a gate-emitter voltage of 15V is used. All these new GDU concepts have been implemented with a simple and inexpensive electronic circuitry, which is an important feature for a possible industrial implementation.

Eine wichtige Eigenschaft von Leistungsdioden ist ihre Stoßstromrobustheit, also die Fähigkeit, einem kurzeitigen hohen Strom standzuhalten. Bei Dioden aus SiC wird dabei häufig auf die MPS-Struktur zurückgegriffen. In dieser Arbeit wird das Stoßstromverhalten von neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden von Infineon untersucht. Dabei wird gemessen, welchem Strom die Dioden bei einem Halbsinus-Puls von 10ms standhalten. Das Ergebnis wird mit der Robustheit herkömmlicher SiC-Schottky-Dioden verglichen. Die Stoßstromrobustheit bei Parallelschaltung wird untersucht. Mittels elektro-thermischer Simulationen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoßstromrobustheit der Dioden erörtert. Hierbei wird die Schichtdicke erhöht und Kupfer statt Aluminium als Anodenmetallisierung angenommen. Des Weiteren wird das Simulationsmodell hinsichtlich der Lotschicht und eines reduzierten SiC-Substrats variiert. Die MPS-Dioden weisen bei hohem Strom einen negativen differentiellen Widerstand auf, hervorgerufen durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern aus den p-dotierten Gebieten. Die Aktivierung der Injektion von Minoritätsladungsträgern in Abhängigkeit der Größe der p-dotierten Gebiete wird ebenfalls mittels Simulationen untersucht. Ein Vergleich verschiedener Caughey-Thomas-Parameter zur Modellierung der Ladungsträgermobilität in FEM-Bauelementsimulatoren wird durchgeführt. Das Ausschaltverhalten der MPS-Dioden wird unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dazu zählen das Abschalten unter Anwendungsbedingungen, das Abschalten unter Überlast von bis zum fünfzehnfachen Nennstrom, das Abschalten mit hohen Strom- und Spannungssteilheiten und das Abschalten in Parallelschaltung und mit zusätzlicher parasitärer Induktivität. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Robustheit der neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden. / The surge current ruggedness is an import property of power diodes. In case of SiC diodes this is realized by a Merged-pin-Schottky (MPS) structure. In this thesis the surge current ruggedness of novel 1200V SiC MPS diodes from Infineon is investigated. The maximum current during a half sine surge current pulse of 10ms is determined in measurements for various diodes and compared to the surge current ruggedness of conventional Schottky diodes. Furthermore, the surge current ruggedness in parallel arrangement is measured. By the means of electro-thermal simulations options to improve the surge current ruggedness are investigated. The simulation model is varied concerning the diodes anode metalization layer thickness and material. The layer thickness is increased and the typical aluminum is replaced by copper. Additionally, the influence of the silicon carbide substrate thickness and the solder layer thickness and material on the surge current ruggedness is simulated. The MPS diodes possess a negative differential resistance at high currents caused by the injection of minority carriers by the p-doped regions. The injection of minority carriers in dependence of the size of the p-regions is also examined in simulations. Furthermore, different parameter sets of the the Caughey-Thomas formula to describe the carrier mobility are compared. The turn-off behavior of the diodes is measured under different conditions such as the turn-off from fifteen times the rated current, the turn-off with high current and voltage slopes and the turn-off in parallel arrangement and with additional inductance. The investigation show a high robustness of the novel 1200V SiC MPS diodes.

Die zunehmende Überalterung der Bevölkerung in Europa und speziell in Deutschland stellt die Gesellschaft vor große personelle und finanzielle Herausforderungen. Diese Problematik wird im Forschungsfeld Ambient Assisted Living (AAL) adressiert. AAL hat die Zielsetzung, ältere Menschen bei Aktivitäten des täglichen Lebens zu unterstützen. Ein wesentliches Element hierbei ist die Vernetzung verschiedener Systeme im Haushalt, sodass das Verhalten einer Person erfasst werden kann. Angehörige und medizinisches Personal können somit im Notfall automatisiert verständigt werden. Hierfür ist das Monitoring von Vitalparametern ein wichtiger Baustein, da damit der momentane Gesundheitszustand einer Person erfasst und analysiert werden kann. Konventionelle Systeme zur Bestimmung von Vitalparametern erfordern eine direkte Applizierung am Körper und werden häufig als störend empfunden. Verfahren, welche auf einer kontaktlosen, optischen Erkennung von Vitalparametern mittels Bildverarbeitung basieren, können diese Problematik lösen. Allerdings sind bestehende Verfahren eher ungeeignet, da sie die notwendigen Anforderungen an Genauigkeit und Robustheit nicht erfüllen. Diese Dissertation leistet einen Beitrag, um diese Lücke zu schließen und genaue, robuste Verfahren zur Bestimmung von Vitalparametern mit intelligenten Verfahren der Bildverarbeitung zu untersuchen. Hierfür werden die Vitalparameter der Herzfrequenz, der Respirationsfrequenz und der Sauerstoffsättigung analysiert. Auf Grundlage einer Quantifizierung der beiden stärksten Störquellen, der Intensitäts- und Bewegungsartefakte, wird ein neues Verfahren, die Ratio-Methode, zur Herzfrequenzbestimmung vorgestellt. Zur Beseitigung dieser beiden Störquellen wird ein weiteres Verfahren präsentiert, welches auf einem individuellen, situationsabhängigen Hautfarbenmodell, einem erweiterten KLT-Tracking, einer ICA, einer Kanalextraktion sowie einer adaptiven Filterung beruht. Aus der Evaluierung geht hervor, dass der gemittelte RMSE für alle Szenarien stets unter einer Schwelle von 3 BPM liegt. Die Ermittlung der Respirationsfrequenz im sichtbaren Wellenlängenbereich wird mit Methoden des optischen Flusses, einer PCA sowie einer FFT analysiert. Es wird gezeigt, dass sich der gemittelte RMSE für alle Testfälle unterhalb von 2,5 Atemzyklen pro Minute befindet. Als weiterer Vitalparameter wird die Sauerstoffsättigung untersucht. Dabei werden sowohl Systeme bestehend aus einer Kamera als auch aus zwei Kameras betrachtet. Neben dem sichtbaren Wellenlängenbereich wird die Vitalparameterbestimmung auch im mittleren Infrarotbereich analysiert. Die Untersuchung fokussiert sich dabei auf die Vitalparameter der Respirations- und der Herzfrequenz. Um die Einsatzfähigkeit von Vitalparametern im Bereich AAL realistisch zu evaluieren, werden Messungen in der AAL-Testwohnung der TU Chemnitz durchgeführt und analysiert. Dabei hat sich herausgestellt, dass sowohl die Herz- als auch die Respirationsfrequenz zuverlässig erfasst werden können. Zudem wird gezeigt, dass neben perspektivischen Kameras auch omnirektionale Kameras zur Bestimmung von Vitalparametern geeignet sind. In einer weiteren Untersuchung erfolgt die Analyse für die Vitalparameterbestimmung bei Dunkelheit im nahen Infrarotbereich. Neben dem Bereich AAL eröffnen sich weitere Anwendungsszenarien auf den folgenden Feldern: Fahrerüberwachung im Fahrzeug, Detektion des plötzlichen Kindstods, E-Rehabilitation und Triage im Krankenhaus. / Europe, in particular Germany, is facing the problem of a steadily ageing society. This development goes hand in hand with a higher demand for technical assistance systems, which can assist elderly people with their self-determined living. A key element is the interconnection of different systems in the home environment in order to recognise the behaviour of a person. In case of an emergency, relatives and medical personnel can be notified automatically. In order to ensure that functionality, the monitoring of vital parameters is a crucial element to determine and to analyse the health status of a person. Conventional systems that determine vital parameters require body contact and are therefore uncomfortable for the person who wars such as system. In contrast to that, contact-less optical methods based on image processing do not share these problems. However, existing methods in this field do not fulfil the requirements regarding accuracy and robustness. This thesis contributes to close this gap by investigating accurate and robust methods to determine vital parameters by means of highly sophisticated image processing techniques. To that aim, vital parameters such as the heart rate, the respiration rate and the oxygen saturation are considered. On the basis of the quantisation of intensity and motion artefacts, a new method, the so-called ratio method, is introduced to determine the heart. In order to eliminate these artefacts another method based on an individual, scene depending skin colour model, an extended KLT tracking, an ICA, a channel selection and an adaptive filtering is presented. The evaluation shows that the mean RMSE is always below a threshold of 3 BPM. The determination of the respiration rate in the visual spectrum is realised by using optical flow, a PCA and an FFT. It can be shown that the mean RMSE is below a threshold of 2.5 breath cycles per minute for all test cases. For the oxygen saturation two setups consisting of one and two cameras respectively are investigated. Determining vital parameters is not limited to the visual spectrum. It is as well feasible to analyse long-wavelength thermal images in order to determine the heart rate and the respiration rate, which was also studied in this thesis. For a realistic evaluation the developed algorithms in the field of AAL, measurements in the AAL living lab of TU Chemnitz are conducted and analysed. It can be demonstrated that the heart rate and the respiration rate can be reliably detected. Moreover, it can be shown that omni-directional cameras can be used in the home environment for vital parameter extraction. Furthermore, this thesis provides the evidence that the determination of the heart rate and the respiration rate is also possible in case of short-wavelength infrared light. Besides the field of AAL, there exist more application areas such as driver monitoring, detection of sudden infant death syndrome, e-rehabilitation or triage in hospital.

Die Magnetisierungskurven und Ummagnetisierungsverluste weichmagnetischer Werkstoffe zeigen sich stark abhängig von den zur Bearbeitung eingesetzten Trennverfahren. Nach dem theoretischen Ergründen der Ursachen und dem Entwurf einer genauen und praxistauglichen Prüfmethodik erfolgt die messtechnische Charakterisierung dieser Abhängigkeiten an ausgewählten Werkstoffen, Trennverfahren, Probengeometrien und Magnetisierungsbedingungen. Dies ermöglicht erste Rückschlüsse auf die Sensitivität magnetischer Eigenschaften gegenüber Bearbeitungseffekten. Anhand der Ergebnisse können schließlich Modelle zur Beschreibung der Materialdegeneration an Bearbeitungskanten identifiziert werden. Weiterführend werden drei Methoden zur Nachrechnung von Magnetkreisen eingeführt, um im Entwurfsprozess elektrischer Maschinen den Einfluss von degenerierten Eigenschaften abzuschätzen. Diese werden abschließend an praktisch relevanten Anordnungen mit konventionellen Berechnungen und Messwerten verglichen. / Magnetization curves and core losses of soft magnetic materials are strongly dependent on the applied cutting processes. After identifying the theoretical causes and designing an accurate and convenient measuring technique those dependencies are determined from selected materials, cutting processes, sample geometries and magnetization conditions. Thus, first conclusions about the sensitivity of magnetic properties to cutting effects are possible. The results eventually enable the identification of models specifying the material degeneration at cutting edges. Furthermore, three methods are introduced in order to describe magnetic circuits, as common in electrical machines, but under the influence of degenerated properties. Finally, those methods are compared to conventional calculations and measurements at practically relevant cores.

Siliziumnanodrähte (SiNWs) bieten aufgrund ihrer exzellenten elektrostatischen Kontrollierbarkeit eine gute Grundlage für die Entwicklung neuartiger Bauelemente, wie rekonfigurierbarer Feldeffekttransistoren (RFETs). Da SiNWs durch die Oxidation gezielt verzerrt werden können und diese Verzerrung die Bandstruktur des Siliziums verändert, bietet der Oxidationsprozess eine Möglichkeit, die Leitungseigenschaften der RFETs zu modulieren und eine symmetrische Transfercharakteristik zu erhalten. Die Untersuchung von SiNWs mit Durchmessern im einstelligen Nanometerbereich bedarf eines atomistischen Ansatzes. In der vorliegenden Arbeit wird mit einem reaktiven Kraftfeld die initiale Phase der Oxidation dünner SiNWs molekulardynamisch simuliert. Gegenstand der Untersuchungen sind die Temperaturabhängigkeit der Oxidation von <110>-SiNWs mit Anfangsradien von 10.2 Å sowie das Oxidationsverhalten von <110>- und <100>-SiNWs mit Anfangsradien von 5.1 Å. Dabei wird neben dem Sauerstoffanteil im Simulationssystem und der radial aufgelösten Dichte auch das radial aufgelöste Verhältnis zwischen Sauerstoff- und Siliziumatomen während der gesamten Simulationsdauer untersucht und ein Zusammenhang zur Dichte festgestellt. Darüber hinaus wird bei 300 K erstmals eine Analyse der Verzerrungsentwicklung während der initialen Oxidationsphase durchgeführt, bei der sich sowohl für <110>-SiNWs als auch für <100>-SiNWs eine tensile Verzerrung im unoxidierten Drahtkern einstellt. Wie eine Analyse der partiellen radialen Verteilungsfunktion zeigt, kommt es zu dieser Verzerrung, weil während der Oxidation die Grundstruktur des Siliziums im Oxid erhalten bleibt, durch die Einlagerung des Sauerstoffs allerdings der Bindungsabstand erhöht wird. Dieser erhöhte Bindungsabstand wird durch Bindungen zu Siliziumatomen im Oxid auch Siliziumatomen im unoxidierten Kern aufgezwungen.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Molekulardynamik 2.2. Siliziumnanodrähte 2.3. Verzerrung und Verspannung 3. Modellsystem 3.1. Ausgangsstruktur 3.2. Vorrelaxation 3.3. Ablauf der Oxidation 4. Untersuchungsmethoden 4.1. Sauerstofffluenz, Oxidationsgrad und Oxidationsrate 4.2. Massendichte und Siliziumanteil 4.3. Radiale Verteilungsfunktion 4.4. Verzerrung 4.4.1. <110>-Draht 4.4.2. <100>-Draht 5. Ergebnisse und Diskussion 5.1. Festlegung des Einsetzintervalls 5.2. Temperaturvariation 5.2.1. Oxidationsgrad 5.2.2. Siliziumanteil 5.2.3. Massendichte 5.2.4. Radiale Verteilungsfunktion 5.3. Radius- und Orientierungsvariation 5.4. Verzerrung 6. Zusammenfassung und Ausblick 6.1. Zusammenfassung 6.2. Ausblick A. Festlegung des Einsetzintervalls Literaturverzeichnis