A gate modulated digitally controlled modified class-e amplifier for on-coil application in MRI
MRG'de bobin üzeri uygulama için kapı kiplemeli sayısal kontrollü değiştirilmiş sınıf-e güç yükselteci
- Tez No: 495976
- Danışmanlar: PROF. DR. ERGİN ATALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Yüksek çıkış gücü kapasitesi ve iyi verimliliği ile tanınan anahtarlamalı RF güç yükselteçleri, MRG donanımındaki bobin uygulamaları için değerli olduğunu kanıtladı. Sınıf-D ve sınıf-E güç yükselteci topolojilerinin, MR donanımında kullanılan ve tarayıcı odasının dışına yerleştirilen geleneksel verimsiz doğrusal RF güç yükselteçlerinin yerine ümit verici adaylar olduğu kanıtlanmıştır. Geleneksel olarak, bu tür anahtar özellikli RF güç amplifikatör uygulamalarında çıkış dalga formunun genlik kiplemesi, ya güç yükseltecinin kanalında bir genlik kipleme bloğu uygulanarak ya da genlik kipleme bilgisinin, taşıyıcı sinyalin fazındaki genlik kipleme bilgisinin yükseltecinin kapısında kodlanmasıyla elde edilir. Her iki yaklaşım da ek donanım gerektirir, böylece sistemin maliyetini ve karmaşıklığını arttırır. Yukarıda bahsedilen önbilgi göz önüne alındığında, güç yükseltecinin kendisi için sürücü devresinden başka herhangi bir ek donanıma ihtiyaç duymadan çıkış dalga formunun hem genliğini hem de frekansını kiplemeye yönelik yeni bir teknik, E sınıfı amplifikatör topolojisi için sunulmakta ve uygulanmaktadır. 64 MHz'de (1.5 T), hem açma-kapama durumları için güç yükseltecinin analitik modelleri ilk olarak yazılımda türetilir ve uygulanır. Güç yükseltecinin kapısındaki dijital taşıyıcı sinyalin periyodu daha sonra k'nin 2'den büyük olduğu k bitlerine bölünür. Daha sonra çıkış dalga formunun genliğinin ve frekansının bu dijital girişin uygun bir şekilde değiştirerek kontrol edilebileceğine dikkat çekilir. Tipik bir 2 ms 1.5 T MRG RF darbesi için, dijital taşıyıcı bit akışı k × 128000 bitten oluşacaktır. Bu, istenen çıktı dalga formunu elde etmek için 2(k × 128000) bit akışlı birleşimlerinin test edilmesini gerektirebilir ve bu da olası hesaplama güçlüğü gerektirir. Bununla birlikte, seçilen devirler için bit akış desenlerinin akıllıca programlanmasıyla ve bu desenlerin seçilen bir süre boyunca tekrarlanmasıyla, çıkış dalga formunun arzu edilen genlik ve frekans kiplemesinin gerçekleştirilebileceği gösterilmiştir. Böyle bir yaklaşım kullanılarak tasarlanmış bir 2 ms sinc darbesi için normalleştirilmiş kök ortalama kare hatası (NRMSE) %11 olarak hesaplanmıştır. Tasarlanan bit akışları, hem tezgâh üstü hem de MRG deneylerinde donanımda da test edilir. Tezgâh üstü deney sonuçları, yazılım tahminleriyle iyi bir ilgileşim göstermektedir. Amplifikatör 50 W giriş gücünde %89'luk bir tepe kaynak verimi gösterir. Sunulan yaklaşımı kullanarak tasarlanmış bir 2 ms sinc darbesi kullanılarak 50 W giriş gücünde elde edilen MR görüntüleri hiçbir artifakt olmadığını göstermektedir. Mevcut araştırmanın nihai amacı, toplam yaklaşık 10 kW çıkış gücü sunabilen, MRG için 32 kanallı bir iletim dizisi bobini tasarlamaktır. Her amplifikatör elemanı bu nedenle yaklaşık 300 W çıkış gücü sunabilmelidir. Bu bağlamda, sunulan modülasyon yaklaşımını kullanarak böyle bir çıktı gücü seviyesine ulaşmak için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir. Bununla birlikte, yaklaşım geneldir ve diğer anahtarlamalı RF güç amplifikatörü topolojilerine de uygulanabilir. Sistemin genel maliyetini ve karmaşıklığını aynı anda azaltırken diğer kipleme yaklaşımlarına eşdeğer bir performans sağlamayı vaat ediyor.
Özet (Çeviri)
The switch-mode RF power amplifiers, known for their high output power capability and good efficiency, have proved valuable for on-coil applications in MRI hardware. The class-D and class-E amplifier topologies have been demonstrated to be promising candidates to replace the conventional inefficient linear RF power amplifiers used in MR hardware which are placed away from the scanner room. Conventionally, the amplitude modulation of the output waveform in such switch-mode RF power amplifier applications is achieved either by implementing an amplitude modulation block at the drain of the amplifier, or by encoding the amplitude modulation information in the phase of the carrier signal at the gate of the amplifier. Both these approaches require additional hardware, thus increasing the cost and complexity of the system. Considering the aforementioned background, a novel technique of modulating both the amplitude and frequency of the output waveform, without the need for any additional hardware other than the driver circuitry for the amplifier itself, is presented and implemented for class-E amplifier topology. At 64 MHz (1.5 T), the analytical models of the amplifier for both the switch-on and switch-off cases are first derived and implemented in software. The period of the digital carrier signal at the gate of the amplifier is then divided into k bits, where k is greater than 2. It is then noted that both the amplitude and frequency of the output waveform can be controlled by altering this digital input in a certain manner. For a typical 2 ms 1.5 T MRI RF pulse, the digital carrier bitstream would consist of k×128000 bits. This would require testing 2^(k×128000) bitstream combinations to achieve the desired output waveform, requiring infeasible computational power. It is however shown that by intelligently programming the bitstream patterns for a selected number of periods, and by repeating those patterns for a chosen duration of time, the desired amplitude and frequency modulation of the output waveform can be achieved. The normalized root mean square error (NRMSE) for a 2 ms sinc pulse designed using such an approach is calculated to be 11%. The designed bitstreams are tested on hardware as well, both in bench-top and MRI experiments. Bench-top experiment results correlate well with the software predictions. The amplifier shows a peak drain efficiency of 89% at 50 W input power. The MR images obtained at 50 W input power using a 2 ms sinc pulse designed using the presented approach show no artifacts. The ultimate goal of the current research is to design a 32-channel transmit array coil for the MRI, capable of delivering a total of approximately 10 kW output power. Each amplifier element should therefore be able to deliver about 300 W output power. In this regard, further research needs to be conducted to achieve such output power level using the presented modulation approach. Nonetheless, the approach is general and can be implemented to other switch-mode RF power amplifier topologies as well. It promises to provide a performance equivalent to the other modulation approaches while reducing the overall cost and complexity of the system at the same time.
Benzer Tezler
- Contributions to design of dsp controlled pulse width modulated ac-ac converters with new generation semiconductor switches
Yeni nesil anahtarlama elemanları ile sayısal işaret kontrollü, darbe genişlik modülasyonlu alternatif akım kıyıcı tasarımına katkılar
ENİS BARIŞ BULUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Three-phase pwm rectifier driving A dc motor with minimized in put harmonics
Üç-faz darbe genlik modülasyonlu doğrultucu ve A motor sürücü
ALİ TUĞRUL İŞLİER
Yüksek Lisans
İngilizce
1994
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN ERSAK
- Linear sweep controller design and FPGA implementation for FMCW radar applications
FMCW radar uygulamalarına yönelik doğrusal tarama denetimcisi tasarımı ve FPGA gerçekleştirimi
BURAK DURSUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBaşkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA DOĞAN
- Sayısal modulasyon tekniklerinin FPGA (Alan programlanabilir kapı dizisi) ile gerçekleştirilmesi için yeni yaklaşımlar
New approaches for FPGA (Field programmable gate array) implementation of digital modulation techniques
TÜRKER AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FIRAT KAÇAR
- IGBT'lerle tasarlanan PWM'li bir invertör ile üç fazlı asenkron motorun hız kontrolü
Three phase induction motor speed control by PWM inverter using IGBT
ALİ KIRÇAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MUSTAFA TEMİZ