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Dc biased equivalent series resistance measurement and loss estimation in ferro electric ceramic capacitors

  • In this thesis the effect of dc voltage bias on the equivalent series resistance (ESR) of capacitors and especially ferroelectric dielectric ceramic capacitors (FDCC) is analysed. Further the influence of the dc biased ESR on the losses of capacitors is investigated. Also piezoelectric resonances (PR) occurring in FDCCs with applied dc bias and their influence on the losses are analysed. Therefore a measurement circuit to measure the impedance and thus the ESR of capacitors in combination with a vector network analyser (VNA) is developed. Using the developed circuit the ESR of capacitors of different technologies is measured and their behaviour with dc bias is evaluated. The losses of an FDCC are measured in a power electronic (PE) circuit with a developed calorimetric measurement system (CMS). The influence of the PR is investigated by tuning the switching frequency of the PE system and thus the frequency of the capacitor current exactly into the PR. The measured losses are then compared to a calculation based on the capacitor current harmonics and the respective ESR. The measurements show an increase of the ESR with dc bias for all measured FDCCs. The loss measurements show a significant increase of the losses in an FDCC if the current frequency matches the PR frequency. Consequently a decrease of the PE system's efficiency is measured. The loss calculations do not exactly match the measurements but there is a systematic deviation of the same order for all measurements.
  • In dieser Arbeit wird der Effekt von Gleichspannung auf den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von Kondensatoren und im speziellen von ferroelektrischen Keramikkondensatoren (FDCC) untersucht. Weiters wird der Einfluss des ESR unter Gleichspannung auf die Verluste in den Kondensatoren untersucht. Piezoelektrische Resonanzen (PR) welche in FDCCs mit anliegender Gleichspannung auftreten werden analysiert und deren Einfluss auf die Verluste inspiziert. Für diese Untersuchungen wird eine Messschaltung entwickelt um die Impedanz bwz. den ESR von Kondensatoren in Kombination mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator mit anliegender Gleichspannung zu messen. Die Schaltung wird verwendet um den ESR von Kondensatoren unterschiedlicher Technologie zu messen und deren Verhalten in Bezug auf Gleichspannung zu evaluieren. Die Verluste eines FDCCs werden in einer leistungselektronischen Schaltung mit einem kalorimetrischen Messsystem gemessen. Der Einfluss der PR auf die Verluste wird gemessen indem die Schaltfrequenz der leistungselektronischen Schaltung genau der PR Frequenz entsprechend eingestellt wird. Somit entspricht auch die Frequenz des Kondensatorstromes der Frequenz der PR. Die gemessenen Verluste werden mit einer Berechnung verglichen, die die Fourier Koffzienten des Stromes, sowie den entsprechenden ESR verwendet. Die Messungen zeigen einen zunehmenden ESR mit Gleichspannung für die gemessenen FDCCs. Die Verlustmessungen zeigen eine signifikante Zunahme der Verluste in einem FDCC wenn der Strom genau einer PR entspricht. Folglich ist auch eine Abnahme des Gesamtwirkungsgrades der Schaltung an diesem Punkt zu beobachten. Die Verlustberechnungen stimmen nicht exakt mit den Messungen überein, aber die Abweichungen liegen für alle Messungen in der gleichen Größenordung und Richtung.

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Metadaten
Author:Hermann Haag
DOI:https://doi.org/10.25924/opus-3148
Title Additional (German):Messung des äquivalenten Serienwiderstandes und Verlustbestimmung von ferroelektrischen Keramikkondensatoren unter anliegender Gleichspannung
Advisor:André Mitterbacher
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Year of publication:2019
Publishing Institution:FH Vorarlberg
Granting Institution:FH Vorarlberg
Release Date:2019/11/19
Tag:Ceramic Capacitor; Dc Bias; ESR; Ferroelectric; Piezoelectric Effect
Number og pages:73
DDC classes:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau / 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Open Access?:ja
Course of Studies:Energietechnik und Energiewirtschaft
Licence (German):License LogoUrhG - The Austrian Copyright Act applies - Es gilt das österr. Urheberrechtsgesetz