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The aviation industry has committed itself to a scenario of reduction in emissions over the 3 decades ahead, which is especially challenging to fulfil as air traffic is expected to grow in the same time span. On the technical side, this calls for the development of radical aircraft technologies, such as the hybridization of the powertrain, or the use of different energy carriers (battery, hydrogen), which have been increasingly investigated in recent years. To this day however, it is not clear which technology combination could best address a given set of aircraft requirements, how realisable are such prospective aircraft designs within the time frame considered, nor how would those radical vehicle compare against conventional aircraft on the basis of techno-economic performance metrics. The CHYLA project at providing insights on those points, by providing an overview of scaling opportunities, challenges and limitations of key radical technologies where the credibility of underlying technology assumptions is an explicit factor in developing such a landscape. The presentation presents technical progress made in the project scope on three areas. First on energy network, where the behaviour of individual components of the network are modelled rather than assumed to provide a higher-fidelity design. Then on aircraft design, where a range of radical technology combinations, together with their underlying assumptions, can be tested on aircraft of various top-level requirements. Finally on the concept of “credible aircraft design” and its integration within an optimization framework, in order to find the best-performing vehicle that abides by a certain credibility level.

Research initiatives in hybrid-electric/sustainable aviation typically address only a single vehicle or single vehicle class. However, it can be expected that for novel propulsion and energy solutions to reach a sufficient maturity level an approach not too different from the early days of aviation could be followed: starting small to prove a technology and gradually scaling it up to larger and larger classes of vehicles. Therefore, it is important to sketch a landscape of technologies and identify areas suitable for scaling, as well as limitations or challenges for development. The CHYLA project aims to contribute to the overall research and development in sustainable aviation by providing exactly this; an overview of scaling opportunities, challenges and limitations of key radical technologies where the credibility of underlying technology assumptions is an explicit factor in developing such a landscape. In CHYLA we introduce the concept of “credible aircraft design”, which refers to the influence of the uncertainty in the assumptions behind the design to quantify how realisable, or in other words, how credible, is the design. Since technical work on the project has just started, the presentation givesa general overview of the CHYLA scope, approach and objectives.&nbsp

Today, anonymous networks such as The Onion Routing (Tor) have been designed to ensure anonymity, privacy and censorship prevention, which have become major concerns in modern society. Although the Tor network provides layered encryption and traffic tunneling against eavesdropping attacks, the jamming attacks and their impact on the network and network services can not be efficiently handled today. Moreover, to defy modern censorship, it is not enough just to use the Tor network to hide the client's identity and the message content as the censorship has become a type of jamming attack, which prevents users from connecting to the censored network nodes by blocking or jamming (Tor) traffic. In network security, the main tools to protect privacy and anonymity as well as integrity and service reliability against eavesdropping and jamming, respectively, are diversity, randomness, coding or encryption and over-provisioning, all less exploit in traditional networks. This thesis provides radical new network concepts to address the needs of traditional networks for privacy, anonymity, integrity, and reliability; and designs \emph{advanced network systems} based on parallel transmission, random routing, erasure coding and redundant configurations as tools to offer diversity, randomness, coding and over-provisioning. Since the network systems designed in this thesis can not be evaluated with existing analytical models due to their rather complex configurations, the main focus of this work is a development of novel analytical approaches for evaluation of network performance, reliability and security of these systems and to show their practicality. The provided analysis is based on combinatorics, probability and information theory. In contrast to current reliability models, the analysis in this thesis takes into account the sharing of network components, heterogeneity of software and hardware, and interdependence between failed components. The significant property of the new security analysis proposed is the ability to assess the level of privacy, anonymity, integrity and censorship success when multiple jamming and eavesdropping adversaries reside in the network., Derzeit werden anonyme Internet Kommunikationssysteme, wie The Onion Routing (Tor), verwendet, um die Anonymität, die Privatsphäre und die Zensurfreiheit der Internetnutzer zu schützen. Obwohl das Tor-Netzwerk einen Schutz vor Lauschangriffe (Eavesdropping) bietet, kann ein beabsichtigtes Stören (Jamming) der Übertragung und den daraus resultierenden Auswirkungen auf die Netzwerkfunktionen derzeit nicht effektiv abgewehrt werden. Auch das moderne Zensurverfahren im Internet stellt eine Art des Jammings dar. Deswegen kann das Tor Netzwerk zwar die Identität der Tor-Nutzer und die Inhalte ihrer Nachrichten geheim halten, die Internetzensur kann dadurch nicht verhindert werden. Um die Netzwerksicherheit und insbesondere Anonymität, Privatsphäre und Integrität zusammen mit der Verfügbar.- und Zuverlässigkeit von Netzwerkservices zu gewährleisten, sind Diversität, Zufallsprinzip, Codierung (auch Verschlüsselung) und eine Überversorgung, die in den konventionellen Netzwerksystemen eher sparsam angewendet werden, die wichtigsten Mittel gegen Security-Angriffe. Diese Arbeit befasst sich mit grundlegend neuen Konzepten für Kommunikationsnetze, die einen Schutz der Anonymität und der Privatsphäre im Internet bei gleichzeitiger Sicherstellung von Integrität, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit ermöglichen. Die dabei verwendeten Konzepte sind die parallele Datenübertragung, das Random Routing, das Erasure Coding und redundante Systemkonfigurationen. Damit sollen Diversität, Zufallsprinzip, Codierung und eine Überversorgung gewährleistet werden. Da die entwickelten Übertragungssysteme komplexe Strukturen und Konfigurationen aufweisen, können existierende analytische Modelle nicht für eine fundierte Bewertung angewendet werden. Daher ist der Schwerpunkt dieser Arbeit neue analytische Verfahren für eine Bewertung von unterschiedlichen Netzwerkleistungsparametern, Zuverlässigkeit und Security zu entwickeln und die Praxistauglichkeit der in der Arbeit aufgeführten neuen Übertragungskonzepte zu beurteilen. Im Gegensatz zu existierenden Zuverlässigkeitsmodellen berücksichtigt der analytische Ansatz dieser Arbeit die Vielfalt von beteiligten Netzwerkkomponenten, deren komplexe Zusammenhänge und Abhängigkeiten im Fall eines Ausfalls.

In dieser Arbeit werden die klassischen Alterungsmechanismen Lotschicht- und Bonddraht-Degradation betrachtet. Es wird eine Messschaltung vorgestellt, die dazu in der Lage ist, an einem IGBT-Modul die urchlassspannung und die Zeitdauer des Ausschaltvorgangs (Ausschaltzeit) zu messen. An einem geöffneten IGBT-Modul mit geschwärzter Oberfläche wird gleichzeitig die Oberflächentemperatur der IGBT-Chips betrachtet. Die Abhängigkeit der Durchlassspannung und der Ausschaltzeit von der virtuellen Sperrschichttemperatur des IGBTs werden im Rahmen dieser Arbeit betrachtet. Abschließend wird ein Verfahren vorgestellt, das es erlaubt mittels einer kombinierten Auswertung von Durchlassspannung und Ausschaltzeit Veränderungen in der Bonddrahtverbindung zu erkennen. Das Verfahren wurde experimentell validiert, indem an einem geöffneten IGBT- Modul Bonddrähte durchtrennt wurden. Das beschriebene Verfahren zur Alterungsdetektion ist auch an einem kommerziell verfügbaren geschlossenen IGBT-Modul einsetzbar.

Increasing demand for efficiency and power density pushes Si-based devices to some of their inherent material limits, including those related to temperature operation, switching frequency, and blocking voltage. Recently, SiC-based power devices are promising candidates for high-power and high-frequency switching applications. Today, SiC MOSFETs are commercially available from several manufacturers. Although technology affiliated with SiC MOSFETs is improving rapidly, many challenges remain, and some of them are investigated in this work. The research work in this dissertation is divided into the three following parts. Firstly, the static and switching characteristics of the state-of-the-art 1.2 kV planar and double-trench SiC MOSFETs from two different manufacturers are evaluated. The effects of different biasing voltages, DC link voltages, and temperatures are analysed. The characterisation results show that the devices exhibit superior switching performances under different operating conditions. Moreover, several aspects of using the SiC MOSFET’s body diode in a DC/DC converter are investigated, comparing the body-diodes of planar and double-trench devices. Reverse recovery is evaluated in switching tests considering the case temperature, switching rate, forward current, and applied voltage. Based on the measurement results, the junction temperature is estimated to guarantee safe operation. A simple electro-thermal model is proposed in order to estimate the maximum allowed switching frequency based on the thermal design of the SiC devices. Using these results, hard- and soft-switching converters are designed, and devices are characterised as being in continuous operation at a very high switching frequency of 1 MHz. Thereafter, the SiC MOSFETs are operated in a continuous mode in a 10 kW / 100-250 kHz buck converter, comparing synchronous rectification, the use of the body diode, and the use of an external Schottky diode. Further, the parallel operation of the planar devices is considered. Thus, the paralleling of SiC MOSFETs is investigated before comparing the devices in continuous converter operation. In this regard, the impact of the most common mismatch parameters on the static and dynamic current sharing of the transistors is evaluated, showing that paralleling of SiC MOSFETs is feasible. Subsequently, an analytical model of SiC MOSFETs for switching loss optimisation is proposed. The analytical model exhibits relatively close agreement with measurement results under different test conditions. The proposed model tracks the oscillation effectively during both turn-on and –off transitions. This has been achieved by considering the influence of the most crucial parasitic elements in both power and gate loops. In the second part, a comprehensive short-circuit ruggedness evaluation focusing on different failure modes of the planar and double-trench SiC devices is presented. The effects of different biasing voltages, DC link voltages, and gate resistances are evaluated. Additionally, the temperature-dependence of the short-circuit capability is evaluated, and the associated failure modes are analysed. Subsequently, the design and test of two different methods for overcurrent protection are proposed. The desaturation technique is applied to the SiC MOSFETs and compared to a second method that depends on the stray inductance of the devices. Finally, the benefits of using SiC devices in continuous high-frequency, high-power DC/DC converters is experimentally evaluated. In this regard, a design optimisation of a high-frequency transformer is introduced, and the impact of different core materials, conductor designs, and winding arrangements are evaluated. A ZVZCS Phase-Shift Full-Bridge unidirectional DC/DC converter is proposed, using only the parasitic leakage inductance of the transformer. Experimental results for a 10 kW, (100-250) kHz prototype indicate an efficiency of up to 98.1% for the whole converter. Furthermore, an optimized control method is proposed to minimise the circulation current in the isolated bidirectional dual active bridge DC/DC converter, based on a modified dual-phase-shift control method. This control method is also experimentally compared with traditional single-phase shift control, yielding a significant improvement in efficiency. The experimental results confirm the theoretical analysis and show that the proposed control can enhance the overall converter efficiency and expand the ZVZCS range., Die steigende Nachfrage nach Effizienz und Leistungsdichte bringt Si-basierte Leistungsbauteile an einige inharente Materialgrenzen, die unter anderem mit der Temperaturbelastung, der Schaltfrequenz und der Blockierspannung in Zusammenhang stehen. In jüngster Zeit sind SiC-basierte Leistungsbauelemente vielversprechende Kandidaten für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Aktuell sind SiC-MOSFETs von mehreren Herstellern im Handel erhältlich. Obwohl sich die Technologie der SiC-MOSFETs rasch verbessert, werden viele Herausforderungen bestehen bleiben. Einige dieser Herausforderungen werden in dieser Arbeit untersucht. Die Untersuchungen in dieser Dissertation gliedern sich in die drei folgenden Teile: Im ersten Teil erfolgt, die statische und die transiente Charakterisierung der aktuellen 1,2 kV Planar- und Doubletrench SiC-MOSFETs verschiedener Hersteller. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Temperaturen werden analysiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigen, dass die Bauteile überlegene Schaltleistungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufweisen. Darüber hinaus wird der Einsatz der internen SiC-Bodydioden in einem DC/DC-Wandler untersucht, wobei die Unterschiede zwischen Planar- und Doppeltrench-Bauteilen aufgezeigt werden. Das Reverse-Recovery-Verhalten wird unter Berücksichtigung der Gehäusetemperatur, der Schaltgeschwindigkeit, des Durchlassstroms und der angelegten Spannung bewertet. Anhand der Messergebnisse wird die Sperrschichttemperatur geschätzt, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Ein einfaches elektrothermisches Modell wird vorgestellt, um die maximal zulässige Schaltfrequenz auf der Grundlage des thermischen Designs der SiC-Bauteile abzuschätzen. Anhand dieser Ergebnisse werden hart- und weichschaltende Umrichter konzipiert und die Bauteile werden im Dauerbetrieb mit einer sehr hohen Schaltfrequenz von 1 MHz untersucht. Danach werden die SiC-MOSFETs im Dauerbetrieb in einem 10 kW / 100-250 kHz-Tiefsetzsteller betrieben. Dabei wird die Synchrongleichrichtung, die Verwendung der internen Diode und die Verwendung einer externen Schottky-Diode verglichen. Außerdem wird die Parallelisierung von SiC-MOSFETs untersucht, bevor die Parallelschaltung der verschiedenen Bauelemente ebenso im kontinuierlichen Konverterbetrieb verglichen wird. Es wird der Einfluss der häufigsten Parametervariationen auf die statische und dynamische Stromaufteilung der Transistoren analysiert, was zeigt, dass eine Parallelisierung von SiC-MOSFETs möglich ist. Anschließend wird ein analytisches Modell der SiC-MOSFETs zur Schaltverlustoptimierung vorgeschlagen. Das analytische Modell zeigt eine relativ enge Übereinstimmung mit den Messergebnissen unter verschiedenen Testbedingungen. Das vorgeschlagene Modell bildet die Schwingungen sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten effektiv nach. Dies wurde durch die Berücksichtigung der wichtigsten parasitären Elemente in Strom- und Gatekreisen erreicht. Im zweiten Teil wird eine umfassende Bewertung der Kurzschlussfestigkeit mit Fokus auf verschiedene Ausfallmodi der planaren und double-trench SiC-Bauelemente vorgestellt. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Gate-Widerständen werden ausgewertet. Zusätzlich wird die temperaturabhängige Kurzschlussfähigkeit ausgewertet und die zugehörigen Fehlerfälle werden analysiert. Anschliessend wird die Auslegung und Prüfung von zwei verschiedenen Verfahren zum Überstromschutz evaluiert. Die „Desaturation“-Technik wird auf SiC-MOSFETs angewendet und mit einer zweiten Methode verglichen, welche die parasitäre Induktivität der Bauelemente nutzt. Schließlich wird der Nutzen des Einsatzes von SiC-Bauteilen in kontinuierlichen Hochfrequenz- Hochleistungs-DC/DC-Wandlern experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird eine Designoptimierung eines Hochfrequenztransformators vorgestellt und der Einfluss verschiedener Kernmaterialien, Leiterausführungen und Wicklungsanordnungen wird bewertet. Es wird ein unidirektionaler ZVZCS Vollbrücken-DC/DC-Wandler vorgestellt, der nur die parasitäre Streuinduktivitat des Transformators verwendet. Experimentelle Ergebnisse fur einen 10 kW, (100-250) kHz Prototyp zeigen einen Wirkungsgrad von bis zu 98,1% für den gesamten Umrichter. Abschließend wird ein optimiertes Regelverfahren verwendet, welches auf einem modifizierten Dual-Phase-Shift-Regelverfahren basiert, um den Kreisstrom im isolierten bidirektionalen Dual-Aktiv-Brücken-DC/DC-Wandler zu minimieren. Diese Regelmethode wird experimentell mit der herkömmlichen Single-Phase-Shift-Regelung verglichen. Hierbei zeigt sich eine deutliche Effizienzsteigerung durch die neue Regelmethode. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die theoretische Analyse und zeigen, dass die vorgeschlagene Regelung den Gesamtwirkungsgrad des Umrichters erhöhen und den ZVZCS-Bereich erweitern kann.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues Regelungsverfahren konzipiert und analysiert. Das neue Konzept wird als koordinierte Ansteuerung bezeichnet und dient zur Stromregelung von mehreren parallelgeschalteten Zweipunktumrichtern. Nach einer kurzen Analyse von Parallelschaltungen und der konventionellen Regelungsverfahren wird das Konzept der koordinierten Ansteuerung ausführlich erläutert. Anschließend erfolgt die Charakterisierung des Verfahrens mit Hilfe von Simulationen. Darüber hinaus wird die Funktionsfähigkeit des Verfahrens experimentell validiert.