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In diesem Artikel wird ein neu entwickeltes Werkzeug zur Dimensionierung von Bonddrähten im ASIC-Entwurf vorgestellt. Die Berücksichtigung aller Einflussfaktoren erlaubt eine gegenüber Handrechnungen optimierte Auslegung der Bondanordnung. Dies ermöglicht zum einen die Absicherung gegen Degradationseffekte bis hin zum Durchbrennen und garantiert so die Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer. Zum anderen wird eine aus Zuverlässigkeitserwägungen resultierende Überdimensionierung vermieden.
Das Werkzeug erlaubt die Kalkulation aller für die Auslegung von Bonddrähten relevanten Parameter. Je nach Kontext der Aufgabenstellung lassen sich die Stromtragfähigkeit für Dauerstrom oder Pulsstrombelastung, kritische Temperaturen oder die maximale Bonddrahtlänge als Ausgabegrößen berechnen. Durch diese Flexibilität und die benutzerfreundliche Integration in eine industrielle Entwicklungsumgebung ist der „Bond-Rechner“ im gesamten Entwurfsverlauf einsetzbar und leistet wertvolle Hilfestellung von ersten Abschätzungen in frühen Entwurfsphasen bis hin zur abschließenden Verifikation.
Ein praktikables Mittel zur Erhöhung des Automatisierungsgrads im analogen IC-Entwurf ist die Verwendung parametrisierter Zellen. Diese sogenannten pCells werden eingesetzt, um determinierte Layouts automatisch zu erzeugen, und zwar in der Regel für einzelne Bauelemente wie Transistoren oder Dioden. Der vorliegende Beitrag zeigt die Potenziale eines erweiterten pCell-Konzepts, mit dem determinierte Layouts als auch Schaltpläne für ganze Schaltungsmodule automatisch generiert werden können. Als Beispiel wird eine solche Modul-pCell für analoge Stromspiegel beschrieben, die nicht nur die Dimensionierung der Einzeltransistoren, sondern auch verschiedene Transistortypen, beliebige Spiegelverhältnisse und sogar mehrere Topologien sowie weitere Freiheitsgrade implementiert. Das dadurch erzielte Maß an Flexibilität erlaubt es, die zahlreichen schaltungstechnischen Varianten im Analogbereich abzudecken, die ansonsten oftmals Hürden für Automatisierungsansätze darstellen.
Der Entwurf analoger integrierter Schaltkreise ist bis heute durch einen weitgehend manuellen Entwurfsstil mit anschließender Verifikation gekennzeichnet. Das Backend dieses Prozesses bildet der Layoutentwurf, der mit der SDL-Methode (schematic driven layout) durchgeführt und mit den Verifikationsschritten DRC und LVS abgeschlossen wird. Als Ziel wird i.a. in Analogie zu den im Digitalbereich existierenden Lösungen eine vollautomatische Layoutsynthese auch für Analogschaltungen angestrebt. Die hier vorgeschlagene neue Designmethodik hat nicht diese vielfach geforderte Layoutsynthese im Analogbereich zum Inhalt. Sie stellt vielmehr einen realistischeren - und aus Sicht des Autors vor allem notwendigen - Zwischenschritt dar. Die Kernaussage besteht darin, dass zunächst eine Methode bereitzustellen ist, bei der alle die Schaltungsfunktion beeinflussenden Randbedingungen (constraints) rechnergestützt prüfbar sein müssen. Erst auf dieser Basis wird es gelingen, in einem weiteren Schritt analoges Layout zu synthetisieren. Diese These wird aus einer Betrachtung der historischen Entwicklung der EDA-Werkzeuge hergeleitet. Die Extrapolation dieser Historie lässt eine Wegskizze für einen neuen "constraint-driven" Designflow erkennen, dessen Hauptvorteil in einer rechnergestützten Absicherung der Schaltungsfunktion besteht. Weitere mögliche neue Merkmale eines solchen Designflows werden diskutiert: Abkehr von den klassischen sequentiellen Designschritten wie Platzierung und Routing hin zu einer "kontinuierlichen" Layoutentstehung und neuartige Chancen für eine wesentlich verbesserte Wiederverwendbarkeit (reuse) von Layoutergebnissen durch die Nutzung höherer Abstraktionsebenen.
Die Spannungsversorgung elektronischer Steuergeräte im Automotive-Bereich wird zunehmend durch Schaltregler sichergestellt. Der SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) besitzt die Eigenschaft, eine Spannung aufwärts wie auch abwärts wandeln zu können und könnte somit klassische Buck- und Boost-Wandler ablösen. Dieser Beitrag untersucht den SEPIC hinsichtlich Eignung für Automotive-Anwendungen. Dazu wurde eine Groß- sowie Kleinsignalanalyse am Wandler durchgeführt, mit geeigneten Simulationsmodellen nachgebildet und Messungen gegenüber gestellt. Der SEPIC zeigt als Hauptvorteile:
1. einen verzugsfreien Übergang zwischen Buck-/Boost Betrieb, 2. geringe Eingangswelligkeit, 3.DC-Kurzschlussfestigkeit. Auch hinsichtlich Wirkungsgrad und EMV-Verhalten stellt der SEPIC eine interessante Alternative dar. Der zwischen Ein- und Ausgang liegende Kondensator wird dauerhaft von einem Strom durchflossen, auf Basis der Effektivströme wird das damit verbundene Ausfallrisiko diskutiert.
A fast transient current-mode buckboost DC-DC converter for portable devices is presented. Running at 1 MHz the converter provides stable 3 V from a 2.7 V to 4.2 V Li-Ion battery. A small voltage under-/overshoot is achieved by fast transient techniques: (1) adaptive pulse skipping (APS) and (2) adaptive compensation capacitance (ACC). The proposed converter was implemented in a 0.25 μm CMOS technology. Load transient simulations confirm the effectiveness of APS and ACC. The improvement in voltage undershoot and response time at light-to-heavy load step (100 mA to 500 mA), are 17 % and 59 %, respectively, in boost mode and 40 % and 49 %, respectively, in buck mode. Similar results are achieved at heavy-to-light load step for overshoot and response time.
Das Gehör ist mehr als jedes andere Sinnesorgan für die menschliche Sprache und ihre Entwicklung verantwortlich und stellt auf kleinstem Raum ein anatomisch und physiologisch einzigartiges Gebilde dar. Es beeindruckt vor allem durch seinen großen Dynamikbereich.
Während im Bereich der Hörschwelle der eben hörbare Schalldruck etwa 20 μPa beträgt, können die Drucke und Amplituden bis zur Schmerzgrenze noch etwa zweimillionenfach gesteigert werden. Derartige physiologische Schalldrücke sind jedoch immer noch verschwindend klein gegenüber den ebenfalls auf das Ohr einwirkenden statischen Luftdruckschwankungen, wie sie beispielsweise beim Treppensteigen, Zug- bzw. Autofahren, Fliegen oder beim Naseputzen vorkommen. Zwar führen diese zu einer veränderten Wahrnehmung, jedoch nicht zu einer Schäadigung des Ohrs. Diese Fähigkeit, trotz großer statischer Druckschwankungen in der Umgebung, gleichzeitig winzige physiologische Schalldrücke wahrnehmen zu können, ist hauptsächlich in den nichtlinearen, viskoelastischen Eigenschaften der Gelenke und Bänder des Mittelohrs sowie des Trommelfells begründet.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, dieses nichtlineare Verhalten des Mittelohrs bei großen Belastungen und großen Verschiebungen durch nichtlineare, räumliche Ersatzmodelle auf mechanischer Basis abzubilden. Zur Charakterisierung der nichtlinearen Eigenschaften der Gerhörknöchelchenkette werden statische und dynamische Messungen an humanen Felsenbeinen durchgeführt. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Charakterisierung der nichtlinearen, viskoelastischen Eigenschaften des Ringbands, des Trommelfells, der Trommelfellsehne und der beiden Mittelohrgelenke gerichtet. Im Blick auf die klinische Praxis wird zum einen anhand von Messergebnissen das Schädigungsrisiko bei einer Stapeschirurgie diskutiert sowie die Auswirkungen von Vorspannungen im Mittelohrapparat am Beispiel des aktiven Implantats Carina untersucht.
Universelle OTA-Testbench
(2014)
Es wird eine universell einsetzbare Testbench zur Simulation von integrierten Schaltungen innerhalb der OTA-Schaltungsklasse (Operational Transconductance Amplifier; Transkonduktanzverstärker) vorgestellt. Transkonduktanzverstärker sind in der analogen Schaltungstechnik weit verbreitet und daher von großer Bedeutung. Sie treten sowohl als eigenständige Schaltungen innerhalb eines Chips, sowie als Bestandteil anderer Schaltungen (z.B. als erste und zweite Stufe von Operationsverstärkern) auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass heute kaum ein analoger oder Mixed-Signal-Chip gefertigt wird, in dem keine Transkonduktanzverstärker verbaut sind. Die Entscheidungsfindung des Entwicklers bei der Auslegung eines OTAs beruht maßgeblich auf einer anwendungsspezifischen Simulation. Die Erstellung einer eigenen Testbench für jede Anwendung bedeutet allerdings einen hohen Zeitaufwand und erschwert den Vergleich der Simulationsergebnisse unterschiedlicher Schaltungsvarianten. Durch eine universelle Testbench kann zum einen der Zeitaufwand verringert werden, zum anderen können nun Simulationsergebnisse direkt miteinander verglichen werden. Hierdurch wird die Entscheidungsfindung des Entwicklers objektiviert und beschleunigt. Neben dem Vergleich unterschiedlicher Schaltungen innerhalb einer Technologie ist auch der Vergleich einer Schaltung in unterschiedlichen Technologien denkbar. Die Idee einer universell anwendbaren Testbench lässt sich auch auf andere analoge Schaltungsklassen anwenden und damit als Prinzip verallgemeinern.
Es wird das Ziel verfolgt, eine Möglichkeit für die sichere Wiederverwendbarkeit von Schaltungen aus der OTA-Schaltungsklasse bereitzustellen. Hierfür werden ausgewählte OTA-Schaltungstopologien für die "Copy-and-Paste"-Methode vorgestellt. Es wurde im industriellen Umfeld gezeigt, dass sie sich unter der Voraussetzung einer repräsentativen Topologieauswahl – vordimensioniert für den typischen Anwendungsbereich – schon in dieser Form für die Wiederverwendung eignen.
While digital IC design is highly automated, analog circuits are still handcrafted in a time-consuming, manual fashion today. This paper introduces a novel Parameterized Circuit Description Scheme (PCDS) for the development of procedural analog schematic generators as parameterized circuits. Circuit designers themselves can use PCDS to create circuit automatisms which capture valuable expert knowledge, offer full topological flexibility, and enhance the re-use of well-established topologies. The generic PCDS concept has been successfully implemented and employed to create parameterized circuits for a broad range of use cases. The achieved results demonstrate the efficiency of our PCDS approach and the potential of parameterized circuits to increase automation in circuit design, also to benefit physical design by promoting the common schematic-driven-layout flow, and to enhance the applicability of circuit synthesis approaches.
Mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Computer haben rechnergestützte Simulationsverfahren überall in Wissenschaft und Technik Einzug gehalten. Die modellbasierte Simulation als "virtuelles Experiment" stellt insbesondere im Entwurf technischer Systeme ein wirksames und längst unverzichtbares Hilfsmittel dar, um Entwicklungsergebnisse hinsichtlich gewünschter Eigenschaften abzusichern. Die Möglichkeiten heutiger Simulationsmethoden sind faszinierend, weshalb gerade Anfänger (aber nicht nur diese) der Gefahr ausgesetzt sind, deren Ergebnisse unkritisch zu übernehmen. Besondere Bedeutung kommt hier der Lehre zu. Neben der Anwendung der Simulationswerkzeuge ist es wichtig, den Studierenden auch deren theoretische Grundlagen nahe zu bringen und damit ihr Bewusstsein hinsichtlich der Grenzen der Simulation zu schärfen. Der Workshop der ASIM/GI-Fachgruppen "Simulation technischer Systeme" und "Grundlagen und Methoden in Modellbildung und Simulation" bringt Fachleute aus Wirtschaft und Wissenschaft zum Erfahrungsaustausch rund um die Simulation zusammen. Hierbei werden alle Aspekte von den Grundlagen über die Methoden bis hin zu Werkzeugen und Anwendungsbeispielen angesprochen.
In diesem Beitrag wurde gezeigt, wie mit Hilfe von Verfahren zur Analyse von Petri–Netzen ein in der Programmiersprache Kontaktplan erstelltes SPS–Programm analysiert werden kann. Das Ziel des Verfahrens ist dabei nicht eine Verifikation im eigentlichen Sinne sondern das Aufdecken von verbotenen oder unerwünschten Zuständen. Im Beitrag wurden Regeln zur Transformation des im Kontaktplan erstellten Ablaufs in ein Petri–Netz angegeben und anhand der Analyse eines fehlerhaft implementierten Ablaufs die Leistungsfähigkeit des Ansatzes vorgestellt. Das Beispiel zeigt, dass Programmfehler bereits vor einem Test an der realen Anlage erkannt werden können. Bei der weiteren Entwicklung des Verfahrens liegt ein Schwerpunkt auf der Verallgemeinerung auf im Kontaktplan entwickelte Programmorganisationseinheiten, die nicht nur reine
Abläufe implementieren. Ein weiterer wichtiger Entwicklungsschritt ist die graphische Unterstützung der Fehlersuche im Erreichbarkeitsgraphen, so dass insgesamt ein leistungsfähiges Werkzeug zur Unterstützung der Implementierung von Ablaufsteuerungen im Kontaktplan zur Verfügung steht.
In diesem Beitrag wurde gezeigt, wie ein bereits bekanntes Verfahren zur modellprädiktiven Regelung zur Optimierung der Energieeffizienz einer Asynchronmaschine im dynamischen Betrieb eingesetzt werden kann. Dazu wurden zunächst die Beziehungen für die Verlustleistung bei alleiniger Berücksichtigung der Kupferverluste im dynamischen Betrieb hergeleitet. Ausgehend davon wurde das Optimierungsproblem formuliert, der Einfluss von Parametern des modellprädiktiven Verfahrens auf das Optimierungsergebnis untersucht und damit Vorschlagswerte für diese Parameter ermittelt. Der Vergleich mit zwei weiteren Verfahren ohne Optimierung bzw. mit Optimierung allein für stationäre Arbeitspunkte zeigt die Vorteile des modellprädiktiven Verfahrens.
Dynamik beim Schleifen
(2014)
Schleifen ist ein Bearbeitungsverfahren zur Erzeugung höchster Oberflächengenauigkeiten. In vielen Fällen sind geschliffene Oberflächen Funktionsflächen der späteren Bauteile, bei denen es nicht nur auf die Maß- und Formhaltigkeit, sondern auch auf die Rauheit und das optische Erscheinungsbild ankommt. Doch viele Einflussgrößen aller an der Zerspanung beteiligten Komponenten können das Schleifergebnis trüben. An der FH Reutlingen forscht man daran, diese Einflussgrößen in den Griff zu bekommen.
Das Buch beinhaltet Übungsaufgaben, die im Rahmen der Vorlesung Fluidmechanik im 3. Semester des Bachelorstudiengangs Maschinenbau an der Fakultät Technik der Hochschule Reutlingen behandelt werden. Diese Übungsaufgaben sind zum größten Teil alte Prüfungsaufgaben und betreffen vier Kapitel aus der Vorlesung Fluidmechanik. Diese sind "Fluidstatik", "Fluiddynamik", "Impulssatz" und "verlustbehaftete Strömungen". Anhand der angegebenen ausführlichen Lösungen sind die Studierenden in der Lage, den Lösungsweg einzelner Aufgaben zu verifizieren und können sich so optimal auf die Prüfung vorbereiten.
IGBT modules with anti-parallel FWDs are widely used in inductive load switching power applications, such as motor drive applications. Nowadays there is a continuous effort to increase the efficiency of such systems by decreasing their switching losses. This paper addresses the problems arising in the turn-on process of an IGBT working in hard-switching conditions. A method is proposed which achieves – contrary to most other approaches – a high switching speed and, at the same time, a low peak reverse-recovery current. This is done by applying an improved gate current waveform that is briefly lowered during the turn-on process. The proposed method achieves low switching losses. Its effectiveness is demonstrated by experimental results with IGBT modules for 600V and 1200V.
Advanced power semiconductors such as DMOS transistors are key components of modern power electronic systems. Recent discrete and integrated DMOS technologies have very low area-specific on-state resistances so that devices with small sizes can be chosen. However, their power dissipation can sometimes be large, for example in fault conditions, causing the device temperature to rise significantly. This can lead to excessive temperatures, reduced lifetime, and possibly even thermal runaway and subsequent destruction. Therefore, it is required to ensure already in the design phase that the temperature always remains in an acceptable range. This paper will show how self-heating in DMOS transistors can be experimentally determined with high accuracy. Further, it will be discussed how numerical electrothermal simulations can be carried out efficiently, allowing the accurate assessment of self-heating within a few minutes. The presented approach has been successfully verified experimentally for device temperatures exceeding 500 ◦C up to the onset of thermal runaway.
This paper presents a new broadband antenna for satellite communications. It describes the procedure involved in the design of a microstrip antenna array and its multi-level passive feed network that together yield circular polarization and the necessary gain to be used in an earth-satellite link. The designed antenna is notable for its large bandwidth, circular polarization, high gain and small dimensions.
This paper presents the design and simulation processes of an Equiangular Spiral Antenna for the extremely high frequencies between 65 GHz and 170 GHz. A new approach for the analysis of the antenna’s electrical parameters is described. This approach is based on formalism proposed by Rumsey to determine the EM field produced by an equiangular spiral antenna. Analytical expressions of the electrical parameters such as the gain or the directivity are then calculated using well sustained mathematical approximations. The comparison of obtained results with those from numerical integration methods shows a good agreement.
Die Hochschule Reutlingen hat eine vergleichende Untersuchung an Spannfuttern für Schaftfräser vorgenommen. Fazit: Die Steifigkeit einer Aufnahme hat einen stärkeren Einfluss auf das Schwingverhalten als das Dämpfungsvermögen.
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen besitzt entscheidenden Einfluss auf die Bearbeitungsergebnisse. Zusammen mit dem Eigenverhalten der Maschine und dem Werkstück ergibt dies die für die Bearbeitungsgenauigkeit entscheidende statische Steifigkeit und die dynamische Nachgiebigkeit. Im Folgenden wird das Zusammenspiel dieser Komponenten im System näher dargestellt.
DMOS transistors are often subject to high power dissipation and thus substantial self-heating. This limits their safe operating area because very high device temperatures can lead to thermal runaway and subsequent destruction. Because the peak temperature usually occurs only in a small region in the device, it is possible to redistribute part of the dissipated power from the hot region to the cooler device areas. In this way, the peak temperature is reduced, whereas the total power dissipation is still the same. Assuming that a certain temperature must not be exceeded for safe operation, the improved device is now capable of withstanding higher amounts of energy with an unchanged device area. This paper presents two simple methods to redistribute the power dissipation density and thus lower the peak device temperature. The presented methods only require layout changes. They can easily be applied to modern power technologies without the need of process modifications. Both methods are implemented in test structures and investigated by simulations and measurements.
To improve the energy conversion efficiency of solar organic cells, the clue may lie in the development of devices inspired by an efficient light harvesting mechanism of some aquatic photosynthetic microorganisms that are adapted to low light intensity. Consequently, we investigated the pathways of excitation energy transfer (EET) from successive light harvesting pigments to the low energy level inside the phycobiliprotein antenna system of Acaryochloris marina, a cyanobacterium, using a time resolved absorption difference spectroscopy with a resolution time of 200 fs. The objective was to understand the actual biochemical process and pathways that determine the EET mechanism. Anisotropy of the EET pathway was calculated from the absorption change trace in order to determine the contribution of excitonic coupling. The results reveal a new electron energy relaxation pathway of 14 ps inside the phycocyanin component, which runs from phycocyanin to the terminal emitter. The bleaching of the 660 nm band suggests a broader absorption of the terminal emitter between 660 nm and 675 nm. Further, there are trimer depolarization kinetics of 450 fs and 500 fs in high and low ionic strength, respectively, which arise from the relaxation of the β84 and α84 in adjacent monomers of phycocyanin. Under conditions of low ionic strength buffer solution, the evolution of the kinetic amplitude during the depolarization of the trimer is suggestive of trimer conservation within the phycocyanin hexamer. The anisotropy values were 0.38 and 0.40 in high and in low ionic strength, respectively, indicating that there is no excitonic delocalization in the high energy level of phycocyanin hexamers.
We investigated the excitation modes of the light-harvesting protein phycocyanin (PC) from Thermosynechococcus vulcanus in the crystalline state using UV and near-infrared Raman spectroscopy. The spectra revealed the absence of a hydrogen out-of-plane wagging (HOOP) mode in the PC trimer, which suggests that the HOOP mode is activated in the intact PC rod, while it is not active in the PC trimer. Furthermore, in the PC trimer an intense mode at 984 cm−1 is assigned to the C–C stretching vibration while the mode at 454 cm−1 is likely due to ethyl group torsion. In contrast, in the similar chromophore phytochromobilin the C5,10,15-D wag mode at 622 cm−1 does not come from a downshift of the HOOP. Additionally, the absence of modes between 1200 and 1300 cm−1 rules out functional monomerization. A correlation between phycocyanobilin (PCB) and phycoerythrobilin (PEB) suggests that the PCB cofactors of the PC trimer appear in a conformation similar to that of PEB. The conformation of the PC rod is consistent with that of the allophycocyanin (APC) trimer, and thus excitonic flow is facilitated between these two independent light harvesting compounds. This excitonic flow from the PC rod to APC appears to be modulated by the vibration channels during HOOP wagging, C = C stretching, and the N–H rocking in-plan vibration.
In visual adaptive tracking, the tracker adapts to the target, background, and conditions of the image sequence. Each update introduces some error, so the tracker might drift away from the target over time. To increase the robustness against the drifting problem, we present three ideas on top of a particle filter framework: An optical-flow-based motion estimation, a learning strategy for preventing bad updates while staying adaptive, and a sliding window detector for failure detection and finding the best training examples. We experimentally evaluate the ideas using the BoBoT dataseta. The code of our tracker is available online.
The capability of the method of Immersion transmission ellipsometry (ITE) (Jung et al. Int Patent WO, 2004/109260) to not only determine three-dimensional refractive indices in anisotropic thin films (which was already possible in the past), but even their gradients along the z-direction (perpendicular to the film plane) is investigated in this paper. It is shown that the determination of orientation gradients in deep-sub-lm films becomes possible by applying ITE in combination with reflection ellipsometry. The technique is supplemented by atomic force microscopy for measuring the film thickness. For a photooriented thin film, no gradient was found, as expected. For a photo-oriented film, which was subsequently annealed in a nematic liquid crystalline phase, an order was found similar to the one applied in vertically aligned nematic displays, with a tilt angle varying along the z-direction. For fresh films, gradients were only detected for the refractive index perpendicular to the film plane, as expected.
DMOS transistors in integrated power technologies are often subject to significant self-heating and thus high temperatures, which can lead to device failure and reduced lifetime. Hence, it must be ensured that the device temperature does not rise too much. For this, the influence of the on-chip metallization must be taken into account because of the good thermal conductivity and significant thermal capacitance of the metal layers on top of the active DMOS area. In this paper, test structures with different metal layers and vias configurations are presented that can be used to determine the influence of the onchip metallization on the temperature caused by self-heating. It will be shown how accurate results can be obtained to determine even the influence of small changes in the metallization. The measurement results are discussed and explained, showing how on-chip metallization helps to lower the device temperature. This is further supported by numerical simulations. The obtained insights are valuable for technology optimization, but are also useful for calibration of temperature simulators.
Noch sind Elektrofahrzeuge die Ausnahme auf deutschen Straßen – im Gegensatz beispielsweise zu Innenstadträumen in China. Lediglich Fahrräder mit elektrischer Antriebsunterstützung haben inzwischen auch in Deutschland eine größere Verbreitung gefunden. Nach wie vor ist jedoch die breite Erfahrung im alltäglichen Einsatz von elektrisch betriebenen Fahrzeugen relativ gering. An der Hochschule Reutlingen steht eine Flotte von 10 Elektrozweirädern, bestehend aus 5 Elektrofahrrädern (Pedelecs) und 5 Elektrorollern (E-Scooter) zur Verfügung. Hiermit werden mehrere Ziele verfolgt: Zum einen soll jedes Mitglied der Hochschule die Möglichkeit haben, Elektrofahrzeuge auszuprobieren und erste Erfahrungen zu sammeln. Andererseits stellen die Fahrzeuge eine Plattform für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dar. So ist ein Internet-basiertes Reservierungs- und Flottenmanagementsystem entstanden, das auch statistische Auswertungen zulässt. Eine weitere Entwicklung befasst sich mit genauen Reichweitenvorhersagesystemen, mit dem Ziel, die bislang recht ungenaue Batterie-Ladestandsanzeige zu verbessern oder zu ersetzen.
Bionic optimisation is one of the most popular and efficient applications of bionic engineering. As there are many different approaches and terms being used, we try to come up with a structuring of the strategies and compare the efficiency of the different methods. The methods mostly proposed in literature may be classified into evolutionary, particle swarm and artificial neural net optimisation. Some related classes have to be mentioned as the non-sexual fern optimisation and the response surfaces, which are close to the neuron nets. To come up with a measure of the efficiency that allows to take into account some of the published results the technical optimisation problems were derived from the ones given in literature. They deal with elastic studies of frame structures, as the computing time for each individual is very short. General proposals, which approach to use may not be given. It seems to be a good idea to learn about the applicability of the different methods at different problem classes and then do the optimisation according to these experiences. Furthermore in many cases there is some evidence that switching from one method to another improves the performance. Finally the identification of the exact position of the optimum by gradient methods is often more efficient than long random walks around local maxima.
Enhancing the undergraduate educational experience : development of a micro-gas turbine laboratory
(2014)
A Capstone C30 MicroTurbine has been installed, instrumented, and utilized in a junior-level laboratory course at Valparaiso University. The C30 MicroTurbine experiment enables Valparaiso University to educate students interested in power generation and turbine technology. The first goal of this experiment is for students to explore a gas turbine generator and witness the discrepancies between idealized models and real thermodynamic systems. Secondly, students measure and analyze data to determine where losses occur in a real gas turbine. The third educational goal is for students to recognize the true costs associated with natural gas use, i.e. the hidden costs of transporting the gas to the consumer. Overall, the gas turbine experiment has garnered positive feedback from students. The twenty-six students who performed the lab in Spring 2014 rated the quality and usefulness of the gas turbine experiment as 4.28 and 4.19, respectively, on a 1-5 Likert scale, where 1 is low and 5 is high.
Since November 2011 the standard DIN 4709 stipulates performance tests for Micro-CHP units in Germany. In contrast to steady state measurements of the CHP unit itself, the test according to DIN 4709 includes the thermal storage tank as well as the internal control unit, and it is based on a 24 h test cycle following a specified thermal load profile. Hence, heat losses from the storage tank are as well taken into account as transient losses of the CHP unit. In addition, the control strategy for loading and unloading the storage tank affects the test results.
The DIN 4709 test cycle has been applied at the test stand for Micro-CHP units at Reutlingen University, and results for the Micro-CHP unit WhisperGen and the EC Power units XRGI 15® and XRGI 20® are available. During the analysis a method has been developed to evaluate the results in case the test cycle does not end in a time slot between 24 and 24.5 h after the starting as demanded by DIN 4709. Since this method has been successfully applied to the test of various CHP units of different size and technology so far, it is suggested to incorporate it to DIN 4709 during the next revision of the standard.
The performance numbers obtained reveal the differences in efficiencies measured at steady-state on the one hand and following the DIN 4709 test cycle on the other hand. While the deviations in electrical efficiencies are small, thermal efficiencies according to DIN 4709 fall below steady state data by 3–6 percentage points. This is attributed to transient thermal losses and heat losses from the storage tank, which are not included in steady state and separate testing of the CHP unit, only.
Die sogenannte Systemsimulation, bei der mehrere physikalische Domänen gemeinsam simuliert werden, erlaubt die Analyse komplexer und damit realitätsnaher Systeme und spielt eine zunehmend größere Rolle bei der Auslegung von Komponenten. Enthält das System Teile, die durch Feldgrößen aus unterschiedlichen physikalischen Domänen beschrieben werden müssen, kann man Co-Simulationen einsetzen, die allerdings zeitaufwändig sind. Für die Auslegung des Systems ist es dagegen notwendig, Systemsimulationen schnell durchzuführen zu können. Hierfür können für ausgewählte Bauteile oder Domänen schnellere reduzierte Ersatzmodelle (ROM) eingesetzt werden. In dieser Arbeit stellen wir ein reduziertes Modell für elektromechanische Bauteile mit Berücksichtigung von Wirbelströmen vor. Wirbelstromeffekte hängen nicht nur vom aktuellen Zustand, sondern auch von der Geschichte der elektromagnetischen Domäne ab. Das vorgestellte Ersatzmodell basiert auf Daten, die mit einer Reihe von stationären Feldsimulationen vorab erzeugt werden. Für die Modellierung der geschichtsabhängigen Wirbelstromeffekte wird ein Konvolutionsansatz (Faltungsansatz) verwendet. Vergleiche mit entsprechenden Co-Simulationen in ANSYS Maxwell und Simplorer zeigen am Beispiel eines Hubankers, dass das Ersatzmodell in der Lage ist, die wesentlichen Eigenschaften des Bauteils physikalisch korrekt abzubilden.
Compared to diesel or gasoline, using compressed natural gas as a fuel allows for significantly decreased carbon dioxide emissions. With the benefits of this technology fully exploited, substantial increases of engine efficiency can be expected in the near future. However, this will lead to exhaust gas temperatures well below the range required for the catalytic removal of residual methane, which is a strong greenhouse gas. By combination with a countercurrent heat exchanger, the temperature level of the catalyst can be raised significantly in order to achieve sufficient levels of methane conversion with minimal additional fuel penalty. This thesis provides fundamental theoretical background of these so-called heat-integrated exhaust purification systems. On this basis, prototype heat exchangers and appropriate operating strategies for highly dynamic operation in passenger cars are developed and evaluated.
Bei der Zerspanung mit geometrisch definierter Schneide (z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Reiben, Sägen, Hobeln, Stoßen, Räumen) werden Zerspanwerkzeuge mit einer definierten Schneidengeometrie verwendet. Die Werte der einzelnen geometrischen Maße basieren auf Richt- und Erfahrungswerten. Die Definition der einzelnen Geometriemerkmale (z.B. Winkel) sind in DIN 6581 enthalten. In den letzten Jahren wurden zur Ermittlung des Prozessverhaltens unterschiedlicher Geometrieparameter Forschungsprojekte durchgeführt, die die Einflüsse der Schneidengestaltung untersuchen (z.B. Zabel 2010). Die Schneidengeometrie wird in der Regel mit den Verfahren Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung erzeugt. Die Werkzeuge werden auf Universal- oder Spezial(werkzeugschleif)maschinen hergestellt und aufbereitet. Die Ausstattung und der Automatisierungsgrad richtet sich nach den zu bearbeitenden Merkmalen der Werkzeuge und deren Häufigkeit.
A millimeter-wave power amplifier concept in an advanced silicon germanium (SiGe) BiCMOS technology is presented. The goal of the concept is to investigate the impact of physical limitations of the used heterojunction bipolar transistors (HBT) on the performance of a 77 GHz power amplifier. High current behavior, collectorbase breakdown and transistor saturation can be forced with the presented design. The power amplifier is manufactured in an advanced SiGe BiCMOS technology at Infineon Technologies AG with a maximum transit frequency fT of around 250 GHz for npn HBT’s [1]. The simulation results of the power amplifier show a saturated output power of 16 dBm at a power added efficiency of 13%. The test chip is designed for a supply voltage of 3.3 V and requires a chip size of 1.448 x 0.930 mm².
Nowadays the software development plays an important role in the entire value chain in production machine and plant engineering. An important component for rapid development of high quality software is the virtual commissioning. The real machine is described on the basis of simulation models. Therefore, the control software can be verified at an early stage using the simulation models. Since production machines are produced highly individual or in very small series, the challenge of virtual commissioning is to reduce the effort to the development of simulation models. Therefore, a systematic reuse of the simulation models and the control software for different variants of a machine is essential for an economic use. This necessarily requires a consideration of the variability which may occur between the production machines. This paper analyzes the question of how to systematically deal with the software-related variability in the context of virtual commissioning. For this purpose, first the characteristics of the virtual commissioning and variability handling are considered. Subsequently, the requirements to a so-called variant infrastructure for virtual commissioning are analyzed and possible solutions are discussed.
Today’s cars are characterized by many functional variants. There are many reasons for the underlying variability, from the adaptation to diverse markets to different technical aspects, which are based on a cross platform reuse of software functions. Inevitably, this variability is reflected in the model-based automotive software development. A modeling language, which is widely used for modeling embedded software in the automotive industry, is MATLAB/Simulink. There are concepts facing the high demand for a systematic handling of variability in Simulinkmodels. However, not every concept is suitable for every automotive application. In order to present a classification of concepts for modeling variability in Simulink, this paper first has to determine the relevant use cases for variant handling in modelbased automotive software development. Existing concepts for modeling variability in Simulink will then be presented before being classified in relation to the previously determined use cases.
Durch schnell schaltende Leistungsendstufen werden durch kapazitive Umladeströme Störungen ins Substrat und in empfindliche Schaltungselemente eingekoppelt, die dort zur Störung der Funktion führen können. In dieser Arbeit werden Substratstrukturen zur gezielten Ableitung dieser Störungen vorgestellt und ihre Wirksamkeit mit Hilfe von Device Simulation evaluiert. Ohne Ableitstrukturen kann eine Potentialanhebung des Substrats bis zu 20 V entstehen. Die Untersuchungen belegen, dass die Potentialanhebung durch p-Typ Guard-Ringe um 75 %, durch leitende Trenches um 88 % sowie durch Rückseitenmetallisierung um nahezu 100 % reduziert werden kann.
Bootstrap circuits are mainly used for supplying a gate driver circuit to provide the gate overdrive voltage for a high-side NMOS transistor. The required charge has to be provided by a bootstrap capacitor which is often too large for integration if an acceptable voltage dip at the capacitor has to be guaranteed. Three options of an area efficient bootstrap circuit for a high side driver with an output stage of two NMOS transistors are proposed. The key idea is that the main bootstrap capacitor is supported by a second bootstrap capacitor, which is charged to a higher voltage and connected when the gate driver turns on. A high voltage swing at the second capacitor leads to a high charge allocation. Both bootstrap capacitors require up to 70% less area compared to a conventional bootstrap circuit. This enables compact power management systems with fewer discrete components and smaller die size. A calculation guideline for optimum bootstrap capacitor sizing is given. The circuit was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology as part of a high-voltage gate driver. Measurements confirm the benefit of high-voltage charge storing. The fully integrated bootstrap circuit including two stacked 75.8pF and 18.9pF capacitors results in a voltage dip lower than 1V. This matches well with the theory of the calculation guideline.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. The maximum switching frequency and the maximum input voltage range, respectively, is limited by the minimum propagated on-time pulse, which is mainly determined by the level shifter speed. At switching frequencies above 10 MHz, a voltage conversion with an input voltage range up to 50 V and output voltages below 5 V requires an on-time of a pulse width modulated signal of less than 5 ns. This cannot be achieved with conventional level shifters. This paper presents a level shifter circuit, which controls an NMOS power FET on a high-voltage domain up to 50 V. The level shifter was implemented as part of a DCDC converter in a 180 nm BiCMOS technology. Experimental results confirm a propagation delay of 5 ns and on-time pulses of less than 3 ns. An overlapping clamping structure with low parasitic capacitances in combination with a high-speed comparator makes the level shifter also very robust against large coupling currents during high-side transitions as fast as 20 V/ns, verified by measurements. Due to the high dv/dt, capacitive coupling currents can be two orders of magnitude larger than the actual signal current. Depending on the conversion ratio, the presented level shifter enables an increase of the switching frequency for multi-MHz converters towards 100 MHz. It supports high input voltages up to 50 V and it can be applied also to other high-speed applications.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. This leads especially at a high input voltage to a decreasing efficiency caused by switching losses. Conventional calculations are not suitable to predict the efficiency as parasitic capacitances have a significant loss contribution. This paper presents an analytical efficiency model which considers parasitic capacitances separately and calculates the power loss contribution of each capacitance to any resistive element. The proposed model is utilized for efficiency optimization of converters with switching frequencies >10MHz and input voltages up to 40V. For experimental evaluation a DCDC converter was manufactured in a 180 nm HV BiCMOS technology. The model matches a transistor level simulation and measurement results with an accuracy better than 3.5 %. The accuracy of the parasitic capacitances of the high voltage transistor determines the overall accuracy of the efficiency model. Experimental capacitor measurements can be fed into the model. Based on the model, different architectures have been studied.
Der elektrische Wirkungsgrad stellt eines der wichtigsten Bewertungskriterien für BHKW dar, da über diese Größe ausgedrückt wird, wie viel des Wertproduktes „elektrische Energie“ bezogen auf die eingesetzte oder aufzuwendende Brennstoffenergie produziert werden kann. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist somit gleichbedeutend mit hohen Erlösen aus dem Verkauf der erzeugten elektrischen Energie und damit eine grundlegende Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. Folglich sind die Hersteller von BHKW bestrebt, den elektrischen Wirkungsgrad ihrer Geräte kontinuierlich zu verbessern und nach oben zu treiben. Dieses Bemühen zeigt sich eindrucksvoll an der Entwicklung der mechanischen Effizienz von Gasmotoren der Firma GE Jenbacher. Während mit Motoren der Baureihe 6 im Leistungsbereich 1,8 – 4,4 MWel im Jahr 1988 eine mechanische Effizienz von 34% erreichbar war, liegt dieser Wert mittlerweile bei etwa 47,5%. Diese enorme Steigerung konnte im Wesentlichen durch eine Erhöhung des mittleren effektiven Zylinderarbeitsdrucks von etwa 10 bar im Jahr 1988 auf derzeit 24 bar erzielt werden. Dabei hilft der Magerbetrieb, der gleichzeitig ein Zurückdrängen der NOx-Emissionen bewirkt, die Klopfgrenze zu höheren Drücken hin zu verschieben. Eine sichere Zündung des Gas-Luft-Gemisches wird durch die Vorkammerzündung erreicht.
Ein wirtschaftlicher Betrieb von KWK-Anlagen ist erreichbar, wenn Geräte mit gutem elektrischen Wirkungsgrad und geringen Anschaffungs- und Wartungskosten eingesetzt werden und der im BHKW erzeugte Strom zum größtmöglichen Anteil im Objekt verbraucht wird. Der Pufferspeicher einer KWK-Anlage sollte ausreichend groß bemessen sein (Flexibilität, Eigenstromoptimierung...). Ein größeres BHKW ist nicht automatisch unwirtschaftlicher aufgrund der geringeren Betriebszeit. Es bietet dagegen ein höheres Potenzial für eine bedarfsgerechte Stromeinspeisung in das Netz.
An improved gate drive circuit is provided for a power device, such as a transistor. Tue gate driver circuit may in -clude: a current control circuit; a first secondary current source that is used to control the switching transient during turn off of the power transistor and a second secondary current source that is used to control the switching transient during turn on of the power transistor. In operation, the current control circuit operates, during turn on ofthe power transistor, to source a gate drive current to a control node ofthe power transistor and, during turn off ofthe power transistor, to sink a gate drive current from the control node of the power transistor. The first and second secondary current sources adjust the gate drive current to control the voltage or current rate of change and thereby the overshoot during the switching transient.
In der Mikroelektronik werden Chips häufig in Mold-Gehäusen verpackt. Die elektrischen Verbindungen vom Chip zu den Anschlussbeinchen des Gehäuses werden mit Bonddrähten realisiert. Für die Berechnung der Gleichgewichtstemperatur in einem Bonddraht bei konstantem Strom sowie von Temperaturverläufen bei transienten Strömen ist die herkömmliche FEM-Methode langsam und unhandlich. Daher wurde der Bondrechner entwickelt, der ein zylindersymmetrisches Ersatz-Modell für das Package in geeigneten mathematischen Gleichungen abbildet.
Im Gegensatz zum Bondrechner der ersten Generation [1], der auf den Gleichungen von [2] basiert, bietet ein neuer mathematischer Ansatz die Möglichkeit, eine endliche effektive Package-Größe, sowie einen endlichen Wärmeübergang zwischen Bonddraht und Mold-Masse zu berücksichtigen. Ebenso wurde die Berechnung der Interaktion von mehreren benachbarten Drähten verfeinert. Die Berechnung von beliebigen transienten Pulsformen mittlerer Länge wurde ebenfalls verbessert. Eine quadratische Komponente in der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Drahtmaterials kann jetzt ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse wurden erfolgreich mit FEM-Berechnungen verglichen und die Geschwindigkeit der Berechnung ist um Größenordnungen schneller als mit kommerziellen FEM-Programmen.
Die Wirkungsgrade ("Normnutzungsgrade") nach DIN 4709 bilden den praktischen Betrieb von Mikro-Blockheizkraftwerken besser ab. Insbesondere bei den thermischen Wirkungsgraden ergeben sich nach DIN 4709 geringere Werte im Vergleich zu stationären Messungen aufgrund der An-/Abfahrverluste und der Speicherverluste. Der Betrieb des Zusatzkessels führt zu einer Reduktion der Primärenergieeinsparung der Gesamtanlage.
Der vorliegende Beitrag stellte die beiden Verfahrensklassen parameterbasierte Verfahren und Suchverfahren für eine energieeffiziente Betriebsführung von Asynchronmaschinen im stationären Zustand kurz vor und zeigte das Potential zur Reduktion der Verlustleistung in stationären Arbeitspunkten für zwei Motoren unterschiedlicher Baugröße. Dabei wurde deutlich, dass insbesondere im unteren Teillastbereich eine erhebliche Verringerung der Verlustleistung erzielt werden kann.
Es ist landläufig bekannt, dass die Stromerzeugung zukünftig auf der Basis erneuerbarer Energien, und damit vornehmlich durch Solar- und Windkraftanlagen, erfolgen soll. Dieses unter dem Stichwort „Energiewende“ formulierte Ziel ist allgemein akzeptiert, und es existieren mittlerweile verschiedene Szenarien, die den Zeitplan dafür vorgeben.
Für Baden-Württemberg hat das Umweltministerium die Strategie „50-80-90“ ausgearbeitet: Danach sollen bis zum Jahr 2050 der Energieverbrauch um 50% reduziert, 80% der benötigten Energie aus erneuerbaren Energien erzeugt und 90% der Treibhausgasemissionen eingespart werden.
An ultra-low power capacitance extrema and ratio detector for electrostatic energy harvesters
(2015)
The power supply is one of the major challenges for applications like internet of things IoTs and smart home. The maintenance issue of batteries and the limited power level of energy harvesting is addressed by the integrated micro power supply presented in this paper. Connected to the 120/230 Vrms mains, which is one of the most reliable energy sources and anywhere indoor available, it provides a 3.3V DC output voltage. The micro power supply consists of a fully integrated ACDC and DCDC converter with one external low voltage SMD buffer capacitor. The micro power supply is fabricated in a low cost 0.35 μm 700 V CMOS technology and covers a die size of 7.7 mm2. The use of only one external low voltage SMD capacitor, results in an extremely compact form factor. The ACDC is a direct coupled, full wave rectifier with a subsequent bipolar shunt regulator, which provides an output voltage around 17 V. The DCDC stage is a fully integrated 4:1 SC DCDC converter with an input voltage as high as 17 V and a peak efficiency of 45 %. The power supply achieves an overall output power of 3 mW, resulting in a power density of 390 μW/mm2. This exceeds prior art by a factor of 11.
Virtual prototyping of integrated mixed-signal smart-sensor systems requires high-performance co-simulation of analog frontend circuitry with complex digital controller hardware and embedded real-time software. We use SystemC/TLM 2.0 in combination with a cycle-count accurate temporal decoupling approach to simulate digital components and firmware code execution at high speed while preserving clock cycle accuracy and, thus, real-time behavior at time quantum boundaries. Optimal time quanta ensuring real-time capability can be calculated and set automatically during simulation if the simulation engine has access to exact timing information about upcoming communication events. These methods fail in case of non-deterministic, asynchronous events resulting in a possibly invalid simulation result. In this paper, we propose an extension of this method to the case of asynchronous events generated by blackbox sources from which a-priori event timing information is not available, such as coupled analog simulators or hardware in the loop. Additional event processing latency and/or rollback effort caused by temporal decoupling is minimized by calculating optimal time quanta dynamically in a SystemC model using a linear prediction scheme. For an example smart-sensor system model, we show that quasi- periodic events that trigger activities in temporally decoupled processes are handled accurately after the predictor has settled.
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen ist für die Stabilität während der Bearbeitung sowie die Qualität der erzeugten Werkstücke von besonderer Bedeutung. Ein Einflussfaktor darauf ist die Dämpfung. Im Bereich der Maschinengestelle kommen seit langer Zeit unterschiedliche Materialien zum Einsatz. In diesem Fachbeitrag werden die Dämpfungskennwerte unterschiedlicher Gestellwerkstoffe an geometrisch gleichen Proben vergleichend gegenübergestellt. Als weitere Kenngröße wurde die Lage der (1. Biege-) Eigenfrequenz als Maß für die massebezogene dynamische Steifigkeit verwendet. Die Effekte beim Übergang von einfachen Bauteilen zu komplexen Strukturen runden den Fachartikel ab.
Modern power DMOS transistors greatly benefit from the continuous advances of the technology, which yield devices with very low area-specific RDS,on figures of merit and therefore allow for significantly reduced active areas. However, in many applications, where the devices must dissipate high amounts of energy and thus are subjected to significant self-heating, the active area is not dictated by RDS,on requirements, but by the energy constraints. In this paper, a simple method of improving the energy capability and reliability of power DMOS transistors operating in pulsed conditions is proposed and experimentally verified. The method consists in redistributing the power density from the hotter to the cooler device regions, hence achieving a more homogeneous temperature distribution and a reduced peak temperature. To demonstrate the principle, a simple gate offset circuit is used to redistribute the current density to the cooler DMOS parts. No technology changes are needed for the implementation, only minor changes to the driver circuit are necessary, with a minimal impact on the additional required active area. Improvements in the energy capability from 9.2% up to 39% have been measured. Furthermore, measurements have shown that the method remains effective also if the operating conditions change significantly. The simplicity and the effectiveness of the implementation makes the proposed method suitable to be used in a wide range of applications.
The paper illustrates the status quo of a research project for the development of a control system enabling CHP units for a demand-oriented electricity production by an intelligent management of the heat storage tank. Thereby the focus of the project is twofold. One is the compensation of the fluctuating power production by the renewable energies solar and wind. Secondly, a reduction of the load on the power grid is intended by a better match of local electricity demand and production. In detail, the general control strategy is outlined, the method utilized for forecasting heat and electricity demand is illustrated as well as a correlation method for the temperature distribution in the heat storage tank based on a Sigmoid function is proposed. Moreover, the simulation model for verification and optimization of the control system and the two field test sites for implementing and testing the system are introduced.
For area reasons, NMOS transistors are preferred over PMOS for the pull-up path in gate drivers. Bootstrapping has to ensure sufficient NMOS gate overdrive. Especially in high-current gate drivers with large transistors, the bootstrap capacitor is too large for integration. This paper proposes three options of fully integrated bootstrap circuits. The key idea is that the main bootstrap capacitor is supported by a second bootstrap capacitor, which is charged to a higher voltage and ensures high charge allocation when the driver turns on. A capacitor sizing guideline and the overall driver implementation including a suitable charge pump for permanent driver activation is provided. A linear regulator is used for bootstrap supply and it also compensates the voltage drop of the bootstrap diode. Measurements from a testchip in 180 nm high-voltage BiCMOS confirm the benefit of high-voltage charge storing. The fully integrated bootstrap circuit with two stacked 75.8 pF and 18.9 pF capacitors results in an expected voltage dip of lower than 1 V. Both bootstrap capacitors require 70% less area compared to a conventional bootstrap circuit. Besides drivers, the proposed bootstrap can also be directly applied to power stages to achieve fully integrated switched mode power supplies or class-D output stages.
Die zunehmende erneuerbare Stromerzeugung erfordert Anstrengungen, um den Angebotsschwankungen und der Verteilungsproblematik entgegen zu wirken. Eine dezentrale und am Bedarf orientierte Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann einen wesentlichen Beitrag leisten, um diese Schwankungen auszugleichen und die Netze zu entlasten. Zu diesem Zweck ist aber ein Steuerungssystem für die KWK-Anlagen erforderlich, das sowohl für die Deckung des Wärmebedarfs im Objekt sorgt, als auch gewährleistet, dass die elektrische Energie genau zu den Zeiten erzeugt wird, zu denen sie im Objekt benötigt wird. Die Entkopplung von Stromerzeugung und Deckung des Wärmebedarfs kann dabei über den standardmäßig vorhandenen Wärmespeicher erfolgen. Dieser stellt damit das zentrale Element der Gesamtanlage dar, für die das Steuerungssystem zur Eigenstromoptimierung im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelt und erprobt werden soll.
Im Rahmen des vorliegenden Zwischenberichtes werden die Ergebnisse des 2. des auf insgesamt drei Jahre angelegten Forschungsprojektes vorgestellt. Im Einzelnen sind die Themen Prognose, Bestimmung des Energieinhaltes im Wärmespeicher, stromoptimiertes Steuerungssystem, Aufbau der Feldtestanlagen, Simulation und sozialwissenschaftliche Begleitforschung beschrieben.
Bei den umfangreichen Arbeiten zur Wärme- und Strombedarfsprognose hat sich gezeigt, dass die naive Prognose, die auf der Übernahme der Daten der Vortage beruht, aufgrund des starken Einflusses des individuellen Nutzerverhaltens eine nur schwer zu verbessernde Vorhersagegüte aufweist. Zur Bestimmung des Energieinhaltes im Wärmespeicher wird eine Sigmoidfunktion zur Beschreibung des Temperaturverlaufs über der Speicherhöhe verwendet. Schwierig ist dabei die Anpassung der vier Funktionsparameter mit nur drei Temperaturmesswerten, was jedoch durch geeignete Randbedingungen erreicht werden kann. Das stromoptimierte Steuerungssystem verwendet die Wärmebedarfskurven bei minimalem und maximalem Energieinhalt des Wärmespeichers als Begrenzungen des Optimierungsbereiches, um so die Deckung des Wärmebedarfs zu jeder Zeit zu gewährleisten. Die zwei im Projekt zur Verfügung stehenden Feldtestanlagen wurden mit zusätzlicher Mess- und Steuerungstechnik nachgerüstet, um das entwickelte Steuerungssystem implementieren und testen zu können. Das Simulationsmodell ist im Hinblick auf verschiedene Speicherkonfigurationen erweitert und auf Basis am BHKW-Prüfstand der Hochschule gewonnener Versuchsdaten verifiziert worden, und im Zuge der sozialwissenschaftlichen Begleitforschung werden die Ergebnisse einer im Rahmen des Projektes angefertigten Studie zu den Hemmnissen der KWK vorgestellt.
Die Nachfrage nach kompakten Spannungsversorgungen ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Vor allem im Bereich der mobilen Geräte wachsen die Anforderung an die Spannungsversorgung hinsichtlich Bauvolumen und Batterielaufzeit. Für die Vollintegration von DC-DC- Wandlern als „Power Supply on Chip“ ist der SC-Wandler (Switched-Capacitor-Wandler) besonders geeignet. Insbesondere für Low-Power-Anwendungen im Bereich 10 mW kann ein SC-Wandler sehr gut, ohne externe Bauelemente, integriert werden. Während es für niedrige Eingangsspannungen (bis zu 5 V) eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Dieser Beitrag untersucht die wichtigsten Grundlagen für SC-Wandler mit Schwerpunkt auf hoher und zugleich variabler Eingangsspannung im Bereich 5 - 20 V. Am Beispiel eines Multi-Ratio-Wandlers (Wandler mit mehreren Übersetzungsverhältnissen), dem rekursiven SC-Wandler (RSC- Wandler), werden die Anforderungen eines SC- Wandler für hohe Eingangsspannungen herausgearbeitet und diskutiert.
In dieser Arbeit wird eine optimierte Bandgap-Referenz zur Erzeugung einer temperaturstabilen Spannung und eines Referenzstroms vorgestellt. Für Low-Power-Anwendungen wurde die Bandgap-Referenz, basierend auf der Brokaw-Zelle, mit minimaler Stromaufnahme und optimierter Chipfläche durch Multi-Emitter-Layout der Bipolartransistoren implementiert. Zusätzliches Merkmal ist ein verbreiteter Versorgungsspannungsbereich von 2,5 bis 5,5 V. Simulationen zeigen, dass eine stabile Ausgangsspannung von 1,218 V und ein Referenzstrom von 1,997 μA realisiert wird. Im Temperaturbereich -40 °C … 50 °C sowie dem gesamten Bereich der Versorgungsspannung beträgt die Genauigkeit der Referenzspannung ± 0,04 % mit einer Gesamtstromaufnahme zwischen 3,5 und 10 μA. Es wird eine Temperaturdrift von 2,18 ppm/K erreicht. Durch das elektronische Trimmen von Widerständen wird der Offset der Ausgangsspannung, bedingt durch Herstellungstoleranzen, auf ±3,5 mV justiert. Die Referenz wird in einer 0,18 μm BiCMOS-Technologie implementiert.
Equations for fast and exact calculation of a simple model for heat transfer from a bond wire to a cylindrical finite mold package including nonideal heat transfer from wire to mold are presented. These allow for a characterization of an arbitrary mold/bond wire combination. The real mold geometry is approximated using the mold model cylinder radius and the thermal contact conductance of the mold/bond wire interface. For changes in bond and mold material, wire length, diameter, and current transient profiles, the resulting temperature transients can then be predicted. As the method is based on numerical integration of differential equations, arbitrary pulse shapes, which are industrially relevant, can be calculated. Very high thermal contact conductance values (above 40 000 W/m2K heat transfer) have been detected in real package/bond systems. The method was validated by successful comparison with finite element method simulations and alternative calculation methods and measurements.
Im Bereich integrierter Schaltungen (ICs) für die Fahrzeugelektronik ist in den letzten Jahren ein Trend zum Einsatz komplexer Mixed-Signal-Komponenten erkennbar. Dies führt dazu, dass ein altes Problem zunehmend in den Fokus der EDA-Entwickler rückt: Während der digitale Entwurfsfluss hoch automatisiert ist, findet der Entwurf analoger Komponenten überwiegend in einem manuellen, zeitaufwändigen und interaktiven Entwurfsstil statt. Die folgende Arbeit beschreibt ein Konzept, diesen Mangel mit Hilfe eines durchgängigen analogen Entwurfsflusses unter Verwendung so genannter Modul-Generatoren zu mildern. Der vorgestellte Ansatz zur Erzeugung von Schaltkreis-Automatismen berücksichtigt die implizite Nutzung von Erfahrungswissen des Designers, bietet eine volle Topologie-Flexibilität und steigert die Wiederverwendung („re-use“) gängiger Schaltungstopologien. Die erreichten Zwischenergebnisse lassen einen erheblichen Nutzen erkennen und zeigen das Potenzial sogenannter „Parametrisierter Schaltkreise“ auf, den Automatisierungsgrad des analogen Schaltungsentwurfs zu steigern.
To prevent high buildings in endangered zones suffering from seismic attack, TMD are applied successfully. In many applications the dampers are placed along the height of the edifice to reduce the damage during the earthquake. The dimensioning of TMD is a multidimensional optimisation problem with many local maxima. To find the absolute best or a very good design, advanced optimisation strategies have to be applied. Bionic optimization proposes different methods to deal with such tasks but requires many repeated studies of the buildings and dampers design. To improve the speed of the analysis, the authors propose a reduced model of the building including the dampers. A series of consecutive generations shows a growing capacity to reduce the impact of an earthquake on the building. The proposals found help to dimension the dampers. A detailed analysis of the building under earthquake loading may yield an efficient design.
Innovative Antriebstechnik muss die aktuellen Anforderungen und die spezifischen Anwenderwünsche mit den verfügbaren technologischen Möglichkeiten in hocheffiziente Lösungen umsetzen. Dazu müssen Elektronik, Software und Mechanik von der Berechnung bis zur Ausführung passgenau integriert und optimiert sein, um auch die heutigen ökonomischen und ökologischen Ansprüche an moderne Antriebe zu erfüllen.
Large power semiconductors are complex structures, their metallization usually containing many thousands of contacts or vias. Because of this, detailed FEM simulations of the whole device are nowadays not possible because of excessive simulation time.
This paper introduces a simulation approach which allows quick identification of critical regions with respect to lifetime by a simplified simulation. For this, the complex layers are replaced by a much simpler equivalent layer, allowing a simulation of the whole device even including its package. In a second step, precise simulations taking all details of the structure into account are carried out, but only for the critical regions of interest. Thus, this approach gives detailed results where required with consideration of the whole structure including packaging. Further, the simulation time requirements are very moderate.
DMOS transistors in integrated smart power technologies are often subject to cyclic power dissipation with substantial selfheating. This leads to repetitive thermo mechanical stress, causing fatigue of the on-chip metallization and limiting the lifetime. Hence, most designs use large devices for lower peak temperatures and thus reduced stress to avoid premature failures.
However, significantly smaller DMOS transistors are acceptable if the system reverts to a safer operating condition with lower stress when a failure is expected to occur in the near future. Hence, suitable early-warning sensors are required. This paper proposes a floating metal meander embedded between DMOS source and drain to detect an impending metallization failure. Measurement results of several variants will be presented and discussed, investigating their suitability as early warning indicators.
An experimental study of a zero voltage switching SiC boost converter with an active snubber network
(2015)
This paper presents a quasi-resonant, zero voltage switching (ZVS) SiC boost converter for an output power of up to 10 kW. The converter is realized with an easily controllable active snubber network that allows a reduction of switching losses by minimizing the voltage stress applied to the active switch. With this approach, an increase of the switching frequency is possible, allowing a reduction of the system size. Experiments show a maximum converter efficiency up to 99.2% for a switching frequency of 100 kHz. A second version of the converter enables a further size reduction by increasing the switching frequency to 300 kHz while still reaching a high efficiency up to 98.4 %.
This paper evaluates experimentally the susceptibility of IT-networks under influences and the threats of HPEM (High Power Electromagnetic) and IEMI (Intentional Electromagnetic Interferences). As HPEM source a PBG 5 (Pulse Burst Generator) adapted to a TEM (Transversal Electromagnetic) Horn type antenna and a 90 cm IRA (Impulse Radiating Antenna) type antenna is used. Different network cable types and categories with different lengths are used. The immunity of the IT network is examined and the breakdown failure rate of the system is defined for a PRF (Pulse Repetition Frequency) of 500 s-1 in duration of 10 seconds. Series of measurements were carried out and disturbances of keyboards, mouse, switches, distortions on monitors and failures of the IT network and, even crash of PCs were observed. It is shown amongst other that by increasing the pulse repetition rate or frequency, generic test IT-networks are more susceptible to interference. Obtained results provide another view of the susceptibility analysis of modern generic IT-networks against UWB-Threats.
The possibility to bring the interference source, close to the potential target is characterized by the property of the source as stationary, portable, mobile, very mobile and highly mobile [3]. Starting from the existing and well-known IEME interference or IEMI (Intentional Electromagnetic Interference) and the already existing classifications an analysis of methods based on a comparative study of the methods used to classify the intentional EM environment is carried out, which takes into account the frequency, the cost, the amplitude of the noise signal, the radiated power and the energy of a pulse of radiation.
In this paper, we propose a novel fitting method that uses local image features to fit a 3D morphable face model to 2D images. To overcome the obstacle of optimising a cost function that contains a non-differentiable feature extraction operator, we use a learning-based cascaded regression method that learns the gradient direction from data. The method allows to simultaneously solve for shape and pose parameters. Our method is thoroughly evaluated on morphable model generated data and first results on real data are presented. Compared to traditional fitting methods, which use simple raw features like pixel colour or edge maps, local features have been shown to be much more robust against variations in imaging conditions. Our approach is unique in that we are the first to use local features to fit a 3D morphable model. Because of the speed of our method, it is applicable for realtime applications. Our cascaded regression framework is available as an open source library at github.com/patrikhuber/ superviseddescent.
Planungsprozesse sind komplex und aufwendig. Damit Unternehmen ihre operative Planung schneller und effizienter erstellen können, sollten sie sich an 14 erfolgskritischen Faktoren orientieren. So stellen sie sicher, dass die Planung die strategischen Ziele widerspiegelt, der Aufwand im Rahmen bleibt und die Datenqualität zieladäquat ist.
This book shows how the objectification orientated controlling approach can ensure the successful management of a company in a challenging and competitive environment, which is characterized by increasing complexity, dynamic, and uncertainty. The objectification orientated controlling approach outlined in this book is based on the philosophy of a service provider who supports managers and decision-makers. This idea is well-reflected in the term "business partner", which shows that only management and controlling together are able to ensure the success of a company. The author combines scientific and practical evidence to deduce the objectification orientated controlling approach. The challenges of globalization, a stringent alignment at company value, as well as the objectification approach are the main building blocks. Based on these criteria for success, the controlling approach can be individually shaped for each specific company. This book is aimed at students and practitioners who want to learn more about improving business using a state-of-the-art support function, controlling.
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen beeinflusst in erheblichem Maße die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit spanender Werkzeugmaschinen. Das Verständnis der das Rattern beeinflussenden Faktoren ist von entscheidender Bedeutung für die konstruktive Auslegung der Maschinen, Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozesse. Das dynamische Verhalten kann durch eine gezielte Modifikation von Steifigkeit und Dämpfung erheblich verbessert werden. Es werden unterschiedliche Möglichkeiten im Bereich der Gestelle, Komponenten und Werkzeuge aufgezeigt, mit denen die dynamischen Eigenschaften optimiert werden.
DMOS transistors often suffer from substantial self-heating during high power dissipation, which can lead to thermal destruction if the device temperature reaches excessive values. A successfully demonstrated method to reduce the peak temperature is the redistribution of power dissipation density from the hotter to the cooler device areas by careful layout modification. However, this is very tedious and time-consuming if complex-shaped devices as often found in industrial applications are considered.
This paper presents an approach for fully automatic layout optimization which requires only a few hours processing time. The approach is applied to complex shaped test structures which are investigated by measurements and electro-thermal simulations. Results show a significantly lower peak temperature and an energy capability gain of 84 %, offering potential for a 18 % size reduction of active area.
This paper presents a measurement setup and an assembly technique suitable for characterization of power semiconductor devices under very high temperature conditions exceeding 500°C. An important application of this is the experimental investigation of wide bandgap semiconductors. Measurement results are shown for a 1200V SiC MOSFET and a 650V depletion mode GaN HEMT.
A TLP system with a very low characteristic impedance of 1.5 Ω and a selectable pulse length from 0.5 to 6 μs is presented. It covers the entire operation region of many power semiconductors up to 700 V and 400 A. Ist applicability is demonstrated by determining the Output characteristics for two Cool MOS devices up to destruction.
The experimental characterization of the thermal impedance Zth of large power MOSFETs is commonly done by measuring the junction temperature Tj in the cooling phase after the device has been heated, preferably to a high junction temperature for increased accuracy. However, turning off a large heating current (as required by modern MOSFETs with low on-state resistances) takes some time because of parasitic inductances in the measurement system. Thus, most setups do not allow the characterization of the junction temperature in the time range below several tens of μs.
In this paper, an optimized measurement setup is presented which allows accurate Tj characterization already 3 μs after turn-off of heating. With this, it becomes possible to experimentally investigate the influence of thermal capacitances close to the active region of the device. Measurement results will be presented for advanced power MOSFETs with very large heating currents up to 220 A. Three bonding variants are investigated and the observed differences will be explained.
Automated stabilization of loading capacity of coal shearer screw with controlled cutting drive
(2015)
A solution of topical scientific problem of coal shearer output increase providing minimum specific power supply for coal cutting, transportation, and loading in terms of thin seams has been proposed. The solution is based on the use of earlier proposed criterion of screw gumming for optimum cutting velocity-coal shearer feed rate ratio in the context of increased screw rotation owing to phase voltage frequency increase. Simulation results of automated control system for coal shearer operations with frequency-controlled cutting drive within thin seams have confirmed the efficiency of the system using proposed algorithm of smart analysis of coal shearer power signal.
This paper presents an integrated synchronous buck converter for input voltages >12V with 10MHz switching frequency. The converter comprises a predictive dead time control with frequency compensated sampling of the switching node which does not require body diode forward conduction. A high dead time resolution of 125 ps is achieved by a differential delay chain with 8-bit resolution. This way, the efficiency of fast switching DCDC converters can be optimized by eliminating the body diode forward conduction losses, minimizing reverse recovery losses and by achieving zero voltage switching at turn off. The converter was implemented in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. The power losses were measured to be reduced by 30%by the proposed dead time control, which results in a 6% efficiency increase at VOUT = 5V and 0.2A load. The peak efficiency is 81 %.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. The maximum switching frequency and the maximum conversion ratio are limited by the duty cycle of a PWM signal. In DCDC converters, a sawtooth generator is the fundamental circuit block to generate the PWM signal. The presented PWM generator is based on two parallel, fully interleaved PWM generator stages, each containing an integrator based sawtooth generator and two 3-stage highspeed comparators. A digital multiplexing of the PWM signals of each stage eliminates the dependency of the minimum on-time on the large reset times of the sawtooth ramps. A separation of the references of the PWM comparators in both stage allows to configure the PWM generator for a DCDC converter operating in fixed frequency or in constant on-time mode, which requires an operation in a wide frequency range. The PWM generator was fabricated in an 180 nm HV BiCMOS technology, as part of a DCDC converter. Measurements confirm minimum possible ontime pulses as short as 2 ns and thus allows switching frequencies of DCDC converters of >50 MHz at small duty cycle of <10%. At moderate duty cycles switching frequencies up to 100 MHz are possible.
Substrate coupling is a critical failure mechanism especially in fast-switching integrated power stages controlling high-side NMOS power FETs. The parasitic coupling across the substrate in integrated power stages at rise times of up to 500 ps and input voltages of up to 40V is investigated in this paper. The coupling has been studied for the power stage of an integrated buck converter. In particular, dedicated diverting and isolation structures against substrate coupling are analyzed by simulations and evaluated with measurements from test chips in 180nm high-voltage BiCMOS. The results are compared regarding effectiveness, area as well as implementation effort and cost. Back-side metalization shows superior characteristics with nearly 100% noise suppression. Readily available p-guard ring structures bring 75% disturbance reduction. The results are applicable to advanced and future power management solutions with fully integrated switched-mode power supplies at switching frequencies >10 MHz.
Socially interactive robots with human-like speech synthesis and recognition, coupled with humanoid appearance, are an important subject of robotics and artificial intelligence research. Modern solutions have matured enough to provide simple services to human users. To make the interaction with them as fast and intuitive as possible, researchers strive to create transparent interfaces close to human-human interaction. Because facial expressions play a central role in human-human communication, robot faces were implemented with varying degrees of human-likeness and expressiveness. We propose a way to implement a program that believably animates changing facial expressions and allows to influence them via inter-process communication based on an emotion model. This will can be used to create a screen based virtual face for a robotic system with an inviting appearance to stimulate users to seek interaction with the robot.
Eine neue Methode zur Berechnung von Temperaturen in Bonddrähten umgeben von einem endlichen Mold wird vorgestellt. Sie ist schneller als die übliche Finite Elemente-Methode (FEM), während sie vergleichbare Resultate produziert. Für manche Parameter funktioniert unsere Methode, während die FEM-Methode versagt. Der Algorithmus ist im sogenannten Bondrechner implementiert, der eine leicht zu benutzende Oberfläche für Designer von mikroelektronischen Systemen bereitstellt. Seine Anwendung hat das Potential, die Zuverlässigkeit von Bonddrähten zu verbessern. Ein nichtidealer Parameter für den Wärmetransfer vom Bonddraht zum Mold-Package wurde ebenfalls berücksichtigt. Dieser Parameter ändert sich wahrscheinlich unter Alterseinflüssen und ist daher sehr wichtig für Zuverlässigkeits-Schätzungen. In unserer Methode wird die Wechselwirkung von Nachbardrähten ebenfalls berücksichtigt. Diese wird immer wichtiger, weil der Durchmesser und der wechselseitige Abstand der Bonddrähte sich verringert, wegen der fortschreitenden Miniaturisierung der Chip-Verpackungen. Unser Programm kann ebenfalls Temperaturen für transiente Ströme berechnen und den Strom berechnen, der zu einer gegebenen Maximaltemperatur gehört.
When a bonding wire becomes too hot, it fuses and fails. The ohmic heat that is generated in the wire can be partially dissipated to a mold package. For this cooling effect the thermal contact between wire and package is an important parameter. Because this parameter can degrade over lifetime, the fusing of a bonding wire can also occur as a long-term effect. Another important factor is the thermal power generated in the vicinity of the bond pads. Nowadays, the reliability of bond wires relies on robust dimensioning based on estimations. Smaller package sizes increase the need for better predictive methods.
The Bond Calculator, a new thermo-electrical simulation tool, is able to predict the temperature profiles along bond wires of arbitrary dimensions in dependence on the applied arbitrary transient current profile, the mold surrounding the wire, and the thermal contact between wire and mold.
In this paper we closely investigated the spatial temperature profiles along different bond wires in air in order to make a first step towards the experimental verification of the simulation model. We are using infrared microscopy in order to measure the thermal radiation generated along the bond wire. This is easier to perform quantitatively in air than in the mold package, because of the non-negligible absorbance of the mold material in the infrared wavelength region.
In practice, the use of layout PCells for analog IC design has not advanced beyond primitive devices and simple modules. This paper introduces a Constraint-Administered PCell-Applying Blocklevel Layout Engine (CAPABLE) which permits PCells to access their context, thus enabling a true "bottom-up" development of complex parameterized modules. These modules are integrated into the design flow with design constraints and applied by an execution cockpit via an automatically built layout script. The practical purpose of CAPABLE is to easily generate full-custom block layouts for given schematic circuits. Perspectively, our results inspire a whole new conception of PCells that can not only act (on demand), but also react (to environmental changes) and interact (with each other).
A generic, knowledge-based method for automatic topology selection of analog circuits in a predefined analog reuse library is presented in this paper on the OTA (Operational Transconductance Amplifier) example. Analog circuits of a given circuit class are classified in a topology tree, where each node represents a specific topology. Child nodes evolve from their parent nodes by an enhancement of the parent node’s topological structure. Topology selection is performed by a depth first-search in the topology tree starting at the root node, thus checking topologies of increasing complexity. The decisions at each node are based on solving equations or – if this is not possible – on simulations. The search ends at the first (and thus the simplest) topology which can meet the specification after an adequate circuit sizing. The advantages of the generic, tree based topology selection method presented in this paper are shown in comparison to a pool selection method and to heuristic approaches. The selection is based on an accomplished chip investigation.
Physical analog IC design has not been automated to the same degree as digital IC design. This shortfall is primarily rooted in the analog IC design problem itself, which is considerably more complex even for small problem sizes. Significant progress has been made in analog automation in several R&D target areas in recent years. Constraint engineering and generator-based module approaches are among the innovations that have emerged. Our paper will first present a brief review of the state of the art of analog layout automation. We will then introduce active and open research areas and present two visions – a “continuous layout design flow” and a “bottom-up meets top-down design flow” – which could significantly push analog design automation towards its goal of analog synthesis.
In this paper a double hogger used in woodworking machines is considered. The machining tools are driven by induction machines operated by standard inverters. During production the load of these motors changes periodically between low load and high load at a given speed. This paper investigates the reduction of power losses in such an application using an appropriate energy efficient control strategy for the induction machines.
Planung ist komplex und aufwendig. Die Schnelligkeit und Effizienz der Planung kann durch die Orientierung an 16 erfolgskritischen Faktoren optimiert werden. Mittels dieser Kriterien wird sichergestellt, dass strategische und operative Aspekte integriert sind, der Aufwand im Rahmen bleibt und die Qualität der Daten zieladäquat ist.
In this article feedback linearization for control-affine nonlinear systems is extended to systems where linearization is not feasible in the complete state space by combining state feedback linearization and homotopy numerical continuation in subspaces of the phase space where feedback linearization fails. Starting from the conceptual simplicity of feedback linearization, this new method expands the scope of their applicability to irregular systems with poorly expressed relative degree. The method is illustrated on a simple SISO–system and by controlling the speed and the rotor flux linkage in a three phase induction machine.
Lehr- und Übungsbuch zur Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Aus- und Fortbildung, Studium und Praxis. Das Lehrbuch beschreibt den Aufbau und die Eigenschaften der wichtigsten metallischen und nicht-metallischen Werkstoffe (Stähle, Eisengusswerkstoffe, Nichteisenmetalle und deren Legierungen, Kunststoffe, keramische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe) sowie die Wechselwirkungen zwischen Werkstoffeigenschaften und Fertigungsverfahren. Es enthält jeweils ein Kapitel zur Tribologie und zur Werkstoffprüfung sowie die aktuelle europäische und internationale Werkstoffnormung. Für die 5. Auflage wurden Teile des Bildmaterials aktualisiert. Die CD enthält zusätzlich Musterklausuren mit Lösungsvorschlägen sowie das gesamte Bildmaterial des Buches in Dateiform zur Unterrichts- oder Vorlesungsgestaltung. Geeignet zur Verwendung am Whiteboard.
DC-DC-converters are used in many different applications. Specifying the switching frequency is the most important parameter to calculate component costs and required space. Especially automotive applications of small brushed- or brushless dc-motors and the increasing number of DC-DC-converters have high requirements on the structual space (low box volume). This is of particular importance for automotive converters for the new 48 V board net. Multiplying the frequency by two will reduce the size of the power inductor by half at a given specification for output-voltage ripple. Smaller power inductors result in reduced losses due to smaller series resistance and parasitic capacitance. Furthermore a larger switching frequency decreases the size of the DC link capacitors. The circuit will get more idealized. However, as the switching losses increase with frequency, a DC-DC-converter can only benefit from these advantages if the switching behavior can be improved.
This paper presents an optimization method to increase switching slope and switching frequency of a 3.6 kW 3-phase step-up converter by separating the design and layout process into two parts. The first part is the power stage which carries the load current. It contains the power inductance and the drain-source-channel of the power MOSFETs. The second part is the driver circuit which contains the driver ICs, the gate resistor and the gate input impedance. While the switching slope was measured to be improved by 50 % , the switching time decreased by 20 %. Hence, the switching frequency of the step-up converter could be increased from 100 kHz to 200 kHz without loss increase. By mounting the driver ICs in a piggyback configuration in close proximity to the power stage, the parasitics could be further reduced significantly and 500 kHz switching frequency could be achieved with 97.5 % efficiency.
We presented our robot framework and our efforts to make face analysis more robust towards self-occlusion caused by head pose. By using a lightweight linear fitting algorithm, we are able to obtain 3D models of human faces in real-time. The combination of adaptive tracking and 3D face modelling for the analysis of human faces is used as a basis for further research on human-machine interaction on our SCITOS robot platform.
Decentralisation and increasing energy efficiency are factors of success of the 'Energiewende'. Sensible interlinking of various energy markets will support and speed up the energy system transformation process. This concept study looks at and discusses an innovative approach to integrate power, heat and the mobility market using hybrid vehicles. Automobile electrification is steadily rising and goes hand-in-hand with qualitative (larger energy storage options) and quantitative storage capacity (much more hybrid vehicles). Further utilisation options of electrical storage units in e-vehicles for intermediate storage to compensate volatile renewable energy sources are being discussed and tested. The innovative approach of integrating future full-hybrid vehicles with the principle of 'combined heat and power' to supply energy to buildings is not being pursued in depth, or even at all. In this approach both the electrical and also the thermal energy produced would be used as supply sources for the building.
A 20 V, 8 MHz resonant DCDC converter with predictive control for 1 ns resolution soft-switching
(2015)
Fast switching power supplies allow to reduce the size and cost of external passive components. However, the capacitive switching losses of the power stage will increase and become the dominant part of the total losses. Therefore, resonant topologies are the known key to reduce the losses of the power stage. A power switch with an additional resonant circuit can be turned on under soft-switching conditions, ideally with zero-voltage-switching (ZVS). As conventional resonant converts are only efficient for a constant load, this paper presents a predictive regulation loop to approach soft-switching conditions under varying load and component tolerances. A sample and hold based detection circuit is utilized to control the turn-on of the power switch by a digital regulation. The proposed design was fabricated in a 180 nm high-voltage BiCMOS technology. The efficiency of the converter was measured to be increased by up to 16 % vs. worst case timing and by 13 % compared to a conventional hard-switching buck converter at 20 V input voltage and at approximately 8 MHz switching frequency.
There is a growing need for motor drives with improved EMC in various automotive and industrial applications. An often referenced approach to reduce EME is to change the shape of the switching signal to reduce the EMI caused by the voltage and current transitions. This requires very precise gate control of the power MOSFET to achive better switching behaviour and lower EME without a major increase in switching losses. In order to find an optimal trade-off, this work utilizes a monolithic current mode gate driver with a variable output current that can be changed within 10ns. With this driver, measurements with different gate current profiles were taken. The di/dt transition was confirmed to be as important as the dv/dt transition in the power MOSFET. As a result of the improved switching behavior the emissions were reduced by up to 20dB between 7MHz and 60MHz with a switching loss that is 52% lower than with a constantly low gate current.
Galvanic isolated gate drivers require a control signal as well as energy transmission from the control side (lowside) to the driver side (high-side). An additional backward signal transmission is preferred for error signals, status information, etc. This is often realized by means of several transformers or opto-couplers. Decreasing the number of isolation elements results in lower cost and a higher degree of miniaturization. This work presents a gate driver with bidirectional signal transmission and energy transfer via one single transformer. The key concept proposed in this paper is to combine bootstrapping to deliver the main gate charge for the driven power switch with additional energy transfer via the signal transformer. This paper also presents a very efficient combination of energy transfer to two high-side supply rails with back channel amplitude modulation. This way an isolated gate driver can be implemented that allows 100% pulse-width modulation (PWM) duty cycle at low complexity and system cost. The proposed high-side driver IC with integrated power supply, modulation and demodulation circuits was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. Measurements confirm the concept of bidirectional signal transmission with a 1MBit/s amplitude modulation, 10/20MHz frequency modulation and a maximum power transmission of 14mW via the transformer.