Manyetik kuplajlı rezonans devrelerinde kompanzasyon şemalarının matematiksel analizi ve deneysel uygulanması

Abstract

Manyetik rezonans devreleri MR görüntüleme ve bazı kritik fizik uygulamalarının yanı sıra son yıllarda kablosuz güç transferi gibi güç elektroniği uygulamalarında da sıklıkla kullanılmaya başlamıştır. Kablosuz güç transferi, arada herhangi bir bağlantı bulunmadan hava sayesinde güç kaynağından yüke güç aktarılması olarak ifade edilebilir. Manyetik rezonans tekniği, maksimum verimli güç transferi için orta mesafelerde kullanılmaktadır. Manyetik rezonans temelli sistemlerde manyetik alan ile bağlaşımda olan primer ve sekonder bobinlerinden oluşan bobin çiftlerinin her biri kompanzasyon kapasitörünün bağlantı şekline göre, seri-seri (SS), seri-paralel (SP), paralel-paralel (PP) ve paralel-seri (PS) olarak bilinen dört ana kompanzasyon şemasından birine sahiptirler. Bu kompanzasyon topolojileri sayesinde mevcut devrenin rezonans frekansında reaktif gücü sıfırlanması ve maksimum aktif güç ile çalışabilmesi sağlamaktadır. Böylece en yüksek verimlilik ile güç aktarımı sağlanmaktadır. Bu tez çalışmasında manyetik rezonans devrelerinde kullanılan SS, SP, PS ve PP topolojilerinin matematiksel analizleri yapılmıştır. Bu analizler sonucu SS ve SP için tek rezonans ve frekans ayrılması diye bilinen üç rezonans koşulları çıkarılmıştır. PS ve PP için ise bazı koşullarda çok uzun analitik ifadeler elde edildiği ve analitik çözümler bulunamadığı için devre simülasyon programları üzerinden simülasyonları yapılıp rezonans cevapları incelenmiştir. Analitik ifadeleri çıkarılan SS kompanzasyon şeması örnek bir manyetik pasif sensör uygulamasında kullanılmıştır.

In addition to MR imaging and some critical physics applications, magnetic resonance circuits have been used frequently in power electronics applications such as wireless power transfer systems in recent years. Wireless power transfer can be expressed as the transfer of power to the load from a high frequency power source through the air without any connection in between. The magnetic resonance technique is used at medium distances for maximum efficient power transfer. In magnetic resonance-based systems, each of coil pair consists of so-called primary and secondary coils coupled via the magnetic field. Capacitors are connected to both primary and secondary coils so as to eliminate the reactive component of the input impedance. The most common connection schemes of the compensation capacitors are series-series (SS), series-parallel (SP), parallel-parallel (PP), and parallel-series (PS). With these connection schemes, power transmission is provided with the highest efficiency. In this thesis, athematical analyses of SS, SP, PS and PP topologies used in magnetic resonance circuits are performed. As a result of these analyses, three resonance conditions, known as single resonance and frequency separation, are deduced for SS and SP schemes. For the PS and PP compensation schemes, since very long analytical expressions are obtained and analytical solutions could not be found for certain cases, simulations are made through circuit simulation programs and resonance responses are examined. The SS compensation scheme, whose analytical expressions are extracted, is utilized in a sample magnetic passive sensor application.