Gegenstand der Arbeit sind die Modulation, die Modellbildung und die Energiesymmetrierung von modularen Mehrpunktstromrichtern sowie der Aufbau einer Niederspannungs-Modellanlage zum Test von Regelungsverfahren.
Die entwickelten Modulationsalgorithmen zeichnen sich durch niedrige Schaltfrequenz, geringe Spannungsunsymmetrie der Submodulspannungen, schnelle Berechnung und verbesserte eingeprägte Spannungen aus – dank einer dynamisch bevorzugten versetzten Taktung. Zur Klassifizierung von Modulationsverfahren wird hier die Unterscheidung von später und früher Submodulauswahl vorgeschlagen. Der vertiefend betrachtete Fall niedriger Submodulzahlen (n < 20) erfordert Verfahren mit früher Submodulauswahl, von diesen werden im weiteren fünf Algorithmen entwickelt, implementiert und experimentell erprobt. Eines der entwickelten Modulationsverfahren nutzt den Freiheitsgrad, der durch Aufteilung der Schaltflanken auf zwei Submodule entsteht, zur Verbesserung der eingeprägten Spannung. Die dabei durchgeführte Analyse unsymmetrischer Submodulspannungen erlaubt die sichere Ausnutzung dieses Freiheitsgrads im gesamten Betriebsbereich auch für andere Modulationsverfahren. Ein bei der Modellbildung der Zweigenergien neu eingenommener Standpunkt führt auf ein Stromrichtermodell, in welchem der Laststrom die Rolle eines zeitabhängigen Parameters annimmt. Das gestattet die getrennte Betrachtung von Stromrichter und Last, was sich vor allem bei der späteren (algebraischen) Parametrierung der Systemgrößen für die planungsbasierte Energieregelung auszahlt.
Das Symmetrierungsproblem der Energieregelung wird mit Hilfe des zuvor hergeleiteten Energiemodells aufgegriffen. Im Unterschied zu bekannten Verfahren werden die Fehlerverstärkungen der Energiefehler-Rückführung unter Berücksichtigung der Kopplungen eingestellt, welche durch gemeinsame Nutzung des Kreisstroms entstehen, was die 10-Prozent-Abklingzeit der Energiefehler um 67 % verringert. Für den Fall ohne Aussteuerung der Gleichtaktspannung konnte außerdem die zeitvariante Fehlerdynamik der Energiefehler-Rückführung in eine zeitinvariante Darstellung transformiert werden und erlaubt damit erstmals globale Stabilitätsaussagen und eine effiziente Optimierung der Polkonstellation. Eine neuartige planungsbasierte Energieregelung verbessert die Symmetrierung mit Hilfe einer Vorsteuerung, die schon während der Überfüh- rungen zu neuen Arbeitsregimes eine Verringerung der Kondensatorspannungsschwankungen erreicht. Der Aufwand der Steuerungsberechnung konnte deutlich reduziert werden, und zwar zum einen durch Aufnahme der vertikalen Energiedifferenz in die vorgegebenen Energien, und zum anderen durch die Konstruktion von Überführungen, deren Parameter vorteilhaft voneinander unabhängige Rollen einnehmen. Bei dieser Aufgabe erlaubt das hergeleitete Stromrichtermodell die bequeme Vorgabe von vier der sechs Stromrichterenergien, sodass nur zwei durch Integration bestimmt werden brauchen, was der bisher niedrigsten bekannten Ordnung für dieses Problem entspricht. Die entwickelte Steuerung reduziert die Kondensatorspannungsschwankungen und entlastet die Energiefehler-Rückführung von der Überführungsaufgabe, wie die für die Messung durchgeführte Implementierung zeigt.
Ein Parametervergleich der aufgebauten Modellanlage mit typischen Mittelspannungs-M2Cs belegt die besonders gute Nachbildung der für die Energieregelung relevanten Verhältnisse im Vergleich zu anderen Modellanlagen.
Aktualisiert: 2020-01-06
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Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und den Entwurf von integrierten Hochfrequenzschaltungen für die drahtlose Datenübertragung im Millimeterwellenbereich. Mit dem Ziel die benötigte Energie pro übertragenem Bit zu minimieren, werden die einzelnen Komponenten gleichzeitig für eine möglichst hohe Bandbreite und geringe DC-Leistungsaufnahme optimiert. Als Halbleitertechnologien kommen dabei ein 130-nm- BiCMOS-Prozess und ein 28-nm-CMOS-Prozess zum Einsatz. Beide Technologien werden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für Hochfrequenzanwendungen verglichen. Dies betrifft sowohl die Verfügbarkeit ausreichend schneller aktiver Bauelemente als auch die Möglichkeit passive Bauelemente mit hoher Güte realisieren zu können. Insbesondere in der 28-nm-Technologie wird bereits auf Bauelementebene eine Optimierung für den Millimeterwellenbereich vorgenommen. Dazu gehören die Entwicklung eines verbesserten Transistorlayouts und optimierte Strukturen für Leitungen und Kondensatoren. Zur Verteilung der Versorgungsspannungen auf dem Chip wird das Konzept der Verwendung von Leitungen mit geringem Wellenwiderstand vorgestellt, welches hervorragende elektrische Eigenschaften mit einer einfachen Modellierbarkeit kombiniert.
Für Trägerfrequenzen um 60 GHz werden in der 28-nm-CMOS-Technologie ein rauscharmer Verstärker und zwei Leistungsverstärker entworfen. Zur Maximierung der Bandbreite werden dabei zweistufige Anpassnetzwerke und eine strukturierte Vorgehensweise bei der Wahl der optimalen Lastimpedanzen verwendet. Darüber hinaus werden in der
130-nm-BiCMOS-Technologie ein rauscharmer Verstärker, ein Abwärtsmischer sowie ein spannungsgesteuerter Oszillator für Trägerfrequenzen um 200 GHz und außerdem ein Ba- sisbandverstärker und ein Wanderwellenverstärker analysiert, implementiert und charakterisiert. Die sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse von theoretischen Untersuchungen, Simulationen und Messungen bestätigt die Eignung des gewählten Entwurfsprozesses und verdeutlicht die hohe Genauigkeit der verwendeten Modelle aller entwickelten aktiven und passiven Bauelemente.
Auf Basis dieser Schaltungsblöcke wird ein 190-GHz-Übertragungssystem für die drahtlose Chip-zu-Chip-Kommunikation in Hochleistungsrechnern entwickelt. Dabei werden wichtige Schaltungsanforderungen aus Leistungs- und Bandbreitenbetrachtungen des Gesamtsystems abgeleitet. Die entworfenen Sender- und Empfängerschaltkreise werden zunächst einzeln charakterisiert und anschließend für einen Übertragungstest mit Monopolantennen kombiniert, welche mittels Draht-Bonden auf die Chips aufgebracht werden. Für die resultierende drahtlose Übertragungsstrecke werden eine 6-dB-Bandbreite im Bandpassbereich von 40 GHz sowie Datenraten von 40 Gbit/s und 50 Gbit/s für Distanzen von 20 mm und 6 mm demonstriert. Bei einem DC-Leistungsverbrauch von 154 mW führt dies zu einer Energie pro übertragenem Bit von nur 3,1 pJ für den 50-Gbit/s-Fall. Im Vergleich mit dem Stand-der-Technik von Übertragungssystemen mit On-Chip-Antennen ist dies derzeit der mit Abstand geringste Wert. Gleichzeitig stellen sowohl die Übertragungsbandbreite als auch die Symbolrate die höchsten publizierten Werte dar.
Aktualisiert: 2020-01-06
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