Vysoce účinné vysokofrekvenční výkonové zesilovače pro lékařské a průmyslové aplikace

Abstract

Snížení spotřeby energie v elektronických systémech je nutné ke zvýšení provozní doby u produktů napájených bateriemi, ke snížení velikosti a hmotnosti snížením požadavků na chlazení a je nezbytné pro snížení emisí oxidu uhličitého. Vzhledem k tomu, že výkonové zesilovače patří mezi energeticky nejnáročnější komponenty ve vysokofrekvenčním vysílacím systému, zlepšení jejich účinnosti je zásadní pro snížení celkové spotřeby energie. Tato práce studuje výkonový zesilovač třídy E, koncept vysoce účinného zesilovače, ve kterém se aktivní zařízení chová jako spínací prvek. Tento druh konceptu mohou využít aplikace, jako je vysokofrekvenční ohřev, pro kterou linearita nepatří mezi kritické parametry. Bylo prokázáno, že nadměrná výstupní kapacita tranzistoru snižuje výkon v této třídě zesilovačů, snižuje účinnost a omezuje jeho nejvyšší provozní frekvenci. V této práci je navržena nová obvodová topologie pro umístění zařízení s nadměrnou výstupní kapacitou, čímž se zvýší účinnost a prodlouží maximální frekvence provozu. Navrhovaná topologie, složená z induktoru v sérii se subharmonickými rezonátory, nahrazuje stejnosměrný napájecí induktor v klasickém obvodu zesilovače třídy E. Tímto způsobem je dosaženo kompenzace výstupní kapacity. V této práci jsou vyvinuty odpovídající teorie a návrhové rovnice. Pro ověření navržených konceptů byl navržen, postaven a změřen obvodový demonstrátor. Tento kompenzační přístup, který se v této práci nazývá frekvenčně závislá indukční kompenzace - FDIC (Frequency-Dependent Inductive Compensation), je dále hodnocen, tak aby byla pochopena jeho platnost ve spodní části mikrovlnného spektra. Po extrahování zjednodušeného modelu GaN HEMT pro velké signály jsou využity rozsáhlé simulace k vyhodnocení dopadu nadměrné výstupní kapacity tranzistoru na třídu E. Tento přístup odstraňuje hlavní idealizaci při analýze této třídy zesilovačů, tedy, že přepínač je nahrazen napěťově řízeným zdrojem proudu. Použití extrahovaného modelu místo ideálního spínače nám umožňuje vyhodnotit účinky neideálního spínání, vlastní kapacitní závislost na napětí, zpětnovazební kapacity a saturačního odporu. Je studován vliv FDIC na průběhy napětí a proudu tranzistoru v topologii třídy E a jsou diskutována omezení tohoto přístupu. Ještě jednou je navržen a postaven demonstrátor obvodu pro ověření studie. Závěrečná část práce se zabývá výkonovými zesilovači pro hypertermické systémy. Je navržen a postaven prototyp 250 W zesilovače pracujícího na frekvenci 70 MHz pro regionální hypertemii. V tomto případě jsou studovány dva přístupy k návrhu, a to pomocí konvenční metody návrhu třídy E založené na existujících rovnicích a za druhé pomocí load-pull simulací s využitím dostupného modelu zařízení LDMOS pro velký signál. Vlastní průběhy proudu a napětí se používají k vedení procesu návrhu a k optimalizaci účinnosti. Nakonec se provádějí experimenty s vysokofrekvenčním ohřevem s použitím agarového fantomu, aby se vyhodnotil zesilovač při dodávání energie za podmínek blízkých reálným.

Cutting down energy consumption in electronic systems is required to increase operating time in battery-powered products, to reduce size and weight by alleviating cooling requirements and is essential to reduce carbon dioxide emissions. Since power amplifiers are among the power hungriest components in an RF transmitting system, improving their efficiency is essential to reduce overall power consumption. This thesis studies the class-E power amplifier, a high-efficiency amplifying concept, in which the active device behaves like a switching element. Applications like RF heating in which linearity is not a demanding requirement, can resort to this kind of concept. It has been shown that excessive transistor output capacitance degrades performance in this amplifier class, reducing efficiency and limiting its highest frequency of operation. In this thesis, a new circuit topology is proposed to accommodate devices with excessive output capacitance, thereby improving efficiency and extending maximum frequency of operation. The proposed topology, composed of an inductor in series with sub-harmonic resonators, replaces the DC feed inductor in the classical finite-feed class-E amplifier circuit. In this way, output capacitance compensation is achieved. The corresponding theory and design equations are developed in this work. To validate the proposed concepts, a circuit demonstrator has been designed, built and measured. This compensating approach, which is called Frequency-Dependent Inductive Compensation (FDIC) in this thesis, is further evaluated to understand its validity at microwaves. After extracting a simplified large-signal model of a GaN HEMT, extensive simulations are used to evaluate the impact of excessive transistor output capacitance on class-E. This approach removes the main idealization when analyzing this amplifier class, i.e., the switch is replaced by a voltage-controlled current source. Using the extracted model instead of the ideal switch, allows us to evaluate the effects of non-ideal switching, intrinsic capacitance voltage-dependency, feedback capacitance and saturation resistance. The effect of the FDIC on the transistor drain voltage and current waveforms in the class-E topology is studied and the limitations of this approach are discussed. Once more, a circuit demonstrator is designed and built to validate the study. The final part of the thesis addresses power amplifiers for hyperthermia systems. A 250 W amplifier prototype operating at 70 MHz for regional hyperthemia is designed and built. In this case, two design approaches are studied, namely, using the conventional class-E design method based on existing equations, and secondly, by performing load-pull simulations using the available large-signal model of the LDMOS device. The intrinsic drain current and voltage waveforms are used to guide the design process and to optimize efficiency. Finally, RF heating experiments using an agar phantom are performed to evaluate the amplifier when delivering power under close-to-real conditions.