Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

The contents of this work investigate the capability of integrating the PT in applications by invoking the ratio of the throughput power to volume represented by the term: power density. The fundamentals of the PT are introduced in chapter two. In chapter three, the fundamental limitations of the PT's capability of transferring power to the load are studied. There are three major limitations: temperature rise due to losses during operation, electromechanical limits of material, and interactions with output rectifier. The analysis and estimation are then verified by experiments and calculations implemented on three different PT samples fabricated from three different manufacturers. The subject of chapter four is the behavior of the PT's power amplifier. This chapter concentrates on two main amplifier topologies, optimized based on the simplicity of structure and minimization of components (passive and active): class D and class E amplifiers. The operational characteristics of these amplifiers with the PT are then comparison. Methods to track the optimum frequency and discontinuous working mode of the PT are proposed as the approaches to improve the energy transfer of the PT. In chapter five, prototypes of four devices using a PT are developed and introduced as illustrations of the integration of PTs into practical applications: an igniter for high intensity discharge (HID) lamps, high DC voltage power supplies, and electronic ballasts for LEDs, and stand-alone ionizers for food sterilizers. Some concluding statements and ideas for future works are located in the last chapter - chapter six.

The contents of this work investigate the capability of integrating the PT in applications by invoking the ratio of the throughput power to volume represented by the term: power density. The fundamentals of the PT are introduced in chapter two. In chapter three, the fundamental limitations of the PT's capability of transferring power to the load are studied. There are three major limitations: temperature rise due to losses during operation, electromechanical limits of material, and interactions with output rectifier. The analysis and estimation are then verified by experiments and calculations implemented on three different PT samples fabricated from three different manufacturers. The subject of chapter four is the behavior of the PT's power amplifier. This chapter concentrates on two main amplifier topologies, optimized based on the simplicity of structure and minimization of components (passive and active): class D and class E amplifiers. The operational characteristics of these amplifiers with the PT are then comparison. Methods to track the optimum frequency and discontinuous working mode of the PT are proposed as the approaches to improve the energy transfer of the PT. In chapter five, prototypes of four devices using a PT are developed and introduced as illustrations of the integration of PTs into practical applications: an igniter for high intensity discharge (HID) lamps, high DC voltage power supplies, and electronic ballasts for LEDs, and stand-alone ionizers for food sterilizers. Some concluding statements and ideas for future works are located in the last chapter - chapter six.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range. / Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der "Voltage-Modus-Ansatz" mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert.

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.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range. / Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der 'Voltage-Modus-Ansatz' mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert.

Fahrbahnunebenheiten und Gleislagestörungen können als Repräsentanten schwach stationärer Prozesse aufgefasst werden. Die Beschreibung der Qualitätsklassen von Fahrwegen erfolgt konventionell über die Spektraldichte (Leistungsdichte). Ausgehend von der Spektraldichte-Beschreibung wird die Generierung synthetischer Fahrwegstörungen für die numerische Simulation von Fahrzeugen als Mehrkörpersystem mit den Mitteln der Fourieranalyse und mit Hilfe von Wavelets untersucht. / Road unevenness and track irregularities can be considered as realisations of weakly stationary stochastic processes. A description of track quality levels is given by the (power)spectral density of the related process. Here, the synthesis of track irregularities for a given spectral density using fourier series and wavelets is considered.

Fahrbahnunebenheiten und Gleislagestörungen können als Repräsentanten schwach stationärer Prozesse aufgefasst werden. Die Beschreibung der Qualitätsklassen von Fahrwegen erfolgt konventionell über die Spektraldichte (Leistungsdichte). Ausgehend von der Spektraldichte-Beschreibung wird die Generierung synthetischer Fahrwegstörungen für die numerische Simulation von Fahrzeugen als Mehrkörpersystem mit den Mitteln der Fourieranalyse und mit Hilfe von Wavelets untersucht. / Road unevenness and track irregularities can be considered as realisations of weakly stationary stochastic processes. A description of track quality levels is given by the (power)spectral density of the related process. Here, the synthesis of track irregularities for a given spectral density using fourier series and wavelets is considered.