作者：YvesFrancois，资深FAE（EMEA），富昌电子
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在工业应用中用微波加热技术取代热量的原因为什么射频半导体器件优于传统的磁控管恩智浦新推出的用于工业加热和加工应用的射频晶体管产品和工具射频和微波功率晶体管是蜂窝基站发射机和电视广播设备等高功率通信设备中的基本组件。
相比之下，固态射频元件在当今的工厂或加工厂中很少见。然而，随着新一代高压、高功率、工作频率适用于某些工业加工和操作的射频晶体管的推出，这种情况即将发生变化。对于有针对性的加热操作，与热量相比，射频器件的使用可以为干燥、固化、焊接和粘接过程提供巨大的好处。
正如本文所解释，最近推出了一系列用于射频能量元件的评估和开发工具，有助于那些在实施固态射频电路方面经验有限的设计人员从旧的基于磁控管的微波设备转换到基于半导体的系统。
射频能量优于热技术的优势
当今工业中使用的一些热工艺几十年来几乎没有变化。例如，食品、织物和建筑材料的干燥通常是将物品传输过烤箱，将它们暴露于热空气中来实现。塑料的粘合或粘合剂的固化通常是通过热模将压力施加到接头的位置。
如果要处理的材料具有足够高的介电损耗因数，则使用射频/微波能量即可提高其温度，无需将其暴露于外部热源（如模具或热空气），如图1所示。采用新射频能源技术替代旧的热设备为工业干燥、固化和粘接过程的操作者提供了许多好处。
因为热量在内部产生，加热时间通常要快2至20倍缩短暴露在高外部热源的时间可以减少处理材料的劣化。例如，在食品加工中，通过射频能量加热比烤箱加热保留了更多的食物营养成分。在干燥应用中，使用射频能量可以降低表面开裂的风险。由于射频能量不会加热环境空气，因此传热系统更加简单。这使过程操作员可以使用连续过程替代批处理，并减小系统体积。用于材料的射频能量和施加功率的持续时间都可以精确控制。使用来自湿度和温度传感器的信息，系统可以在达到目标湿度水平或温度时立即停止施加射频功率。
图1：各种常见材料的介电损耗因数。因数越高，用射频能量加热越容易
这些优势可降低能耗、运营成本、维护要求和停机时间。例如，使用射频加热将棉花从55％水分干燥至9％水分需要的能量比新风干燥少57％，比压力空气干燥少23％。
塑料焊接是从射频能量中获益很大的另一种应用。传统的塑料焊接需要将热模施加到两个塑料片上，直到整个材料的温度足够高，以使它们熔合在一起。然后必须用压力将它们保持在一起，直到模具冷却。这意味着将最高温度施加在材料的表面上，并且每次焊接时必须加热和冷却模具。
相比之下，电介质加热可以使用冷模具，其温度在焊接期间仅上升一点并在接合后迅速下降。由于模具很冷，最热的位置仅仅是需要热量的两片之间的界面。这降低了能源成本并大大加速了该过程。
替换旧微波能量发生器的市场需求不断增长
使用射频能量的巨大的成本节约和运营效益使这项技术成为取代烤箱和其他热能设备的关键。实际上，微波能量已经用于工业过程中，例如用于干燥或消毒食物。传统上，工业设备中的微波能量发生器一直是磁控管，这是20世纪40年代首次投入生产的技术。磁控管是腔体真空管，是一种庞大而沉重的装置。
重量和尺寸的减小是使用固态晶体管产生射频或微波能量的重要优势之一，但它还有更多的好处。
晶体管可以更好地控制功率输出和频率。低端磁控管只能处于完全开启或关闭状态，即使是高端磁控管也只能在全功率60％以上的范围内控制功率输出。相比之下，射频/微波晶体管可在低于1％至％的全功率范围内完全控制输出功率。
固态射频或微波发生器还提供一定的频率灵活性。图2显示了调整额定值为2.45GHz的晶体管频率的效果。在混合成分的材料样品中，材料的不同成分可能具有不同的介电损耗因数，并在不同频率下产生热量。晶体管频率范围内的动态频率扫描可以重新分布热点和冷点，以便在样品中均匀加热。磁控管不可能在过程中进行这种动态的频率扫描。
图2：恩智浦LabboxRFEL软件使用户能够扫描相位和频率，找到与负载最匹配的点
通过固态元件产生射频能量还可以生产出更易于在工厂中安装和操作的设备。它可以快速响应功率需求的变化，并立即启动，无需延迟升温或冷却。
晶体管系统使用可靠、紧凑、高效的开关模式电源，采用低压电源供电。
对于W的功率输出，磁控管需要4kV电源，而微波晶体管则使用更安全的50V电源。
此外，固态技术不需要复杂的机电控制和时序，并且对振动不敏感。
这也有助于提高晶体管的可靠性：高端MHz磁控管的使用寿命为至小时，或连续工作长达8个月。当磁控管需要更换或维修时，可能需要几小时到几天的停机时间。
相比之下，晶体管的额定寿命为年，并且随着时间的推移它不会出现性能下降。即使发生故障，热插拔架构也可以在最短的停机时间内快速更换故障晶体管。
最后，基于晶体管的系统将比等效的基于磁控管的设计更小更轻：在MHz下，基于晶体管的射频发生器可以是磁控管系统的一半大小和重量。
新组件和新工具可简化射频能源系统设计的实施
用固态元件替换磁控管很明显可以改善设计。但是，工业设备设计人员找到满足其特定应用要求所需的组件和工具有多容易？
恩智浦半导体推出一系列用于加热和加工应用的射频功率晶体管，大大提高了元件的可用性。重要的是，恩智浦器件涵盖了工业应用最感兴趣的频率：
MRFX1K80H：1MHz至MHz，1W额定值，65VLDMOS器件，效率为76％MRFH：MHz，W，50VLDMOS器件，效率为67％MRFN：2.45GHz，W，32VLDMOS器件，效率为60％与前几代高压射频晶体管相比，这三款器件均具有更高的功率密度和更宽的安全裕度，因此能够在应用中提供更大的功率输出。这些晶体管采用标准硅横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）制造工艺制造，与采用替代的半导体材料氮化镓（GaN）制造的竞争对手的等效射频晶体管相比，具有显著的成本优势。
现在，恩智浦为其射频能量晶体管提供了一系列新的开发工具，为这些器件提供支持，如图4所示。开发工具的范围满足了具有不同射频电路设计专业水平的设计团队的要求。在基础等级上，恩智浦为晶体管提供了参考电路原理图。如图3所示，RFEnergyPallet（RFEP）增加了射频晶体管驱动器和50Ω匹配电路。
图3：恩智浦RFEP24-功率放大器参考设计具有三级放大功能，以电路板形式提供，面积仅为50mmx76mm
图4：恩智浦RFEL24-射频能量实验室盒是一个2xW、完全集成的射频开发系统，专供射频或非射频工程师使用
除此之外，射频能量模块（RFEM）还包括一个带有嵌入式射频源、电源、电流和温度传感器、环行器和耦合器以及指令接口的微控制器。
为了完整演示射频能量系统，设计人员应使用RFEnergyLabBox（RFEL）：这包括电源、散热器和风扇，并提供与PC的USB连接，如图4所示。恩智浦提供具有自动调节功能的RFEL控制软件可在PC上运行。该软件详细地展示了固态射频能量系统使用数据来优化系统性能的能力。RFEL收集有关诸如反射能量等参数的数据，并可动态调整射频晶体管产生的频率、功率和相位，以最大化传输的能量，或将能量分配到特定位置。
固态射频能量的数百种新应用
可以使用射频能量的现有干燥、固化和粘接应用的数量是巨大的。在庞大的重型磁控管不适用的领域，小型高功率射频晶体管的现成可用性开辟了许多新的应用。例如用于皮肤消融的手持式外科手术设备。随着固态射频能量设备的优势推动全球工厂和加工厂更换磁控管技术，肯定会出现许多其他新的应用。
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