Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf, der Optimierung und Charakterisierung von GaN-HEMT-Leistungsverstärkern für Mobilfunkanwendungen. Der Fokus liegt hierbei auf steuerbaren Transformationsnetzwerken auf Basis elektronisch anpassbarer Barium-Strontium-Titanat (BST)-Varaktoren. Dabei konnte die Leistungsverträglichkeit jener BST-Varaktoren bis zu 50 W gesteigert werden, verbunden mit einer guten Linearität und geringen Temperaturabhängigkeit. Dies zielte darauf, den Wirkungsgrad von Leistungsverstärkern bei Leistungen deutlich unterhalb der Sättigung zu verbessern. Die so entwickelten steuerbaren Transformationsnetzwerke sind für gehäuseintegrierte Transistormodule optimiert. Auf diese Weise lassen sich platzsparende und äußerst flexibel einsetzbare Komponenten für Hochfrequenzanwendungen realisieren. Die Transistormodule erreichen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 72% PAE in der Sättigung. Sie verbessern zudem die PAE bei reduzierter Leistung um mehrere Prozentpunkte gegenüber statisch angepassten Transistoren.
Darüber hinaus sind sie über der Frequenz im S-Band nicht nur gut steuerbar, sondern lassen sich auch durch Änderung der Steuerspannung auf optimalen Wirkungsgrad oder Linearität bei verschiedenen Leistungspegeln anpassen. Auch hybride Verstärker werden vorgestellt, in denen diskret aufgebaute Varaktoren verbaut sind. Dank der verwendeten Modulatoren, für welche ebenfalls GaN-Transistoren und Dioden genutzt werden, bieten die Verstärker das Potenzial zur Lastmodulation. Dadurch steigt die Effizienz beim Betrieb mit modulierten Signalen. Für LTE-äquivalente Signale lässt sich die mittlere PAE um mehrere Prozentpunkte erhöhen, ohne die Linearität in einem System mit Vorverzerrung zu belasten.
Aktualisiert: 2021-04-16
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Das hochfrequente Schalten leistungselektronischer Komponenten im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen ruft in dessen Hochvolt-Bordnetz signifikante Strom- und Spannungsoberwellen hervor. Neben den erhöhten Verlusten im Leitungssatz und Filtern können diese als Rippel bezeichneten Oberwellen beispielsweise zu Fehlfunktionen einzelner Komponenten wie der Batteriezellüberwachung, zu beschleunigter Alterung von Filterkondensatoren und elektrochemischen Energiespeichern sowie zur fälschlichen Auslösung von Sicherungen führen. Die zu erwartende Strom- und Spannungswelligkeit sowie deren Auswirkungen auf das Bordnetz stellen daher eine wichtige Eingangsgröße für die Auslegung elektrischer Antriebsstränge dar und müssen möglichst frühzeitig in der Entwicklungsphase ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung des Hochvolt-Bordnetzes von Elektrofahrzeugen sowie den darin hervorgerufenen Strom- und Spannungsoberwellen in einem Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 20 kHz. Als Ergebnis steht für alle Komponenten eine mathematische Beschreibung der Impedanz und der durch das Halbleiterschalten erzeugten Stromoberwellen in Abhängigkeit der relevanten Einflussfaktoren wie Arbeitspunkt, Reglereigenschaften oder Temperatur zur Verfügung. Auf Basis der Teilmodelle wird das Bordnetzmodell eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges erstellt und durch umfangreiche Simulationen und Messungen validiert. Anhand dieses Bordnetzmodells werden die relevanten, bei der Auslegung von Zwischenkreisfiltern zu berücksichtigenden Effekte im Bordnetz ermittelt und das Potential einer modellbasierten Filterauslegung aufgezeigt.
Aktualisiert: 2020-12-08
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