硅基GaN为固态射频能量应用带来更多可能

电子技术应用ChinaAET 发表于 2018-03-30 09:08:14 收藏 已收藏
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硅基GaN为固态射频能量应用带来更多可能

电子技术应用ChinaAET 发表于 2018-03-30 09:08:14

所谓射频能量应用,即使用受控的电磁辐射加热物品或者为各种工序提供动能。现阶段这种能量一般由磁控管产生,未来将会由全固态半导体链产生,即固态射频能量。固态射频能量拥有前所未有的控制范围甚至能量分配,并快速适应不断变化的负载条件。这项技术具有无限的潜力,到2020年,其市场预计将增长到14亿美元。

Mark Murphy

MACOM公司射频功率营销与业务拓展高级总监

据MACOM公司射频功率营销与业务拓展高级总监Mark Murphy介绍,固态射频能量可广泛应用于微波炉、汽车点火、照明系统,以及包括射频等离子照明、原料烘干、血液和组织加热和消融等在内的工业、科学和医疗应用。它具有其他解决方案不具备的优势:低电压驱动、半导体式可靠性、较小外形因子以及一个“全固态电子”的印迹。固态射频能量最激动人心的特性可能是由超高精度补偿的快速的频率、相位、功率捷变。总得来说,该技术实现了前所未有的过程控制范围,甚至能量分配,以及对不断变化的负载条件的快速适配。

传统射频能量产生(上图) VS 固态射频能量产生(下图) 

鉴于固态射频能量作为高效可控的热源和功率源所具有的诸多优势,该技术有着不可估量的市场机会,不仅能够改善现有的射频能量应用,而且有助于开发新的能量应用。

应用一:固态烹饪

射频能量的一个主要目标应用是传统的微波炉,如今由磁控管供电,高压真空管主要与磁场相互作用的电子。磁控管具有简单的开关功能,可控制放入烤箱的能量,平均寿命为500至1000小时。目前,标准连锁餐厅使用磁控管供电的微波加热顾客的食物,考虑到每天准备的餐具数量,磁控管微波的寿命非常有限。

使用射频晶体管,微波烹饪可以彻底改变。射频晶体管产生超高精度、受控的能量场,对控制器的反应非常敏感,从而实现射频能量的最佳和精确的使用和分配。固态射频能量通过替代解决方案(包括低电压驱动、高效率、半导体型可靠性、更小的外形尺寸和固态电子设备占用空间)提供了无法提供的优势。也许最引人注目的好处是这种技术所带来的功率敏捷性和超高精度、产生均匀的能量分布、前所未有的过程控制范围以及快速适应不断变化的负载条件。此外,固态射频晶体管很容易使用寿命超过10年。

实质上,这意味着通过使用RF能量代替磁控管,我们可以在微波炉中实现固态、高度可控的烹饪。微波炉内的旋转盘不需要均匀分配热量。相反,微波炉可以通过程序设定以不同能量的特定区域,最终产生更彻底、更高效的烹饪。

应用二:等离子照明

等离子灯自发明以来便由磁控管供电,磁控管的平均寿命预计在500至1000小时。在评估等离子灯的价值时,这是一个重要的考虑因素。对此,美国海军天文台提供了一种工具来计算给定时间段内的黑夜小时数(即整个太阳低于地平线的时间)。以洛杉矶为例,今年八月份平均每日黑夜时间为10小时9分钟,一个月的黑夜时间总共为313小时。如果在这些黑夜时间段内持续点亮,则由磁控管供电的等离子灯的使用寿命最短2个月,最长4个月。因此,由于更换灯泡的成本过高,诸如室外、街道、体育场或区域照明的应用将无法从基于磁控管的等离子照明中获益。

不过,利用氮化镓技术的性能优势,基于固态射频能量的等离子照明极大延长了光源的使用寿命,为等离子灯提供了前所未有的市场机会。由于固态射频能量的高效率和长寿命,等离子照明现在可以为大面积照明应用提供极高的价值。由氮化镓驱动的射频能量不仅提供更高的效率和更长的使用寿命,还可实现可控的能量。由射频能量供电的超高精度灯泡能够适应时间或者过往行人或车辆的运动,并相应地转换发出的光。利用射频能量,电力将不再浪费在空置的地方,这进一步延长了灯泡的寿命。

尽管这是一个极具吸引力的概念,但从以往记录来看,固态芯片的成本结构比磁控管更昂贵,这使射频能量应用成为一种奢侈品。然而,凭借MACOM的硅基氮化镓产品的优异效率和增益性能,等离子照明首次有望主宰照明市场。

应用三:医疗应用

当今的射频医疗设备转为加热生物细胞和组织而设计,适用于射频/微波消融到细菌灭菌的医疗治疗,侵入性极小。与传统半导体技术相比,采用氮化镓的射频医疗设备在精密控制、高功率、更高效率方面更具关键优势:(1)精密控制--氮化镓能够在低于3GHz的ISM频率下提供高效率,同时还支持5.8 GHz及更高频率。频率越高,波长越短,这可增强射频能量场的精密控制。这提高了治疗的准确性,同时降低了损伤邻近组织和器官的风险。(2)高功率、更高效率 -- 氮化镓的原始功率密度远远高于LDMOS,效率提高了10%。 这样一来,便可将更多的能量引至治疗部位,使肿瘤和不需要的组织脱水和/或烧掉,同时在系统级降低功耗和热限制。

射频/微波消融技术目前通常用于消除癌性肿瘤,而随着氮化镓进入射频医疗设备市场,这一现状将会得到持续改善。

温热疗法正迅速成为射频能量的另一个核心目标应用。此疗法通常与其他癌症治疗联合实施,医生可以使用靶向射频能量来提高患者癌症部位身体组织的温度。受控热量(104 oF至108oF)作用于癌细胞并减少癌细胞复制,但不妨碍健康细胞中的DNA复制。这项技术具有成为未来几年主流癌症治疗方法的巨大潜力。

未来,基于氮化镓的射频医疗设备将用于在输血和移植时加热血液和器官。输血时,射频能量可以使储存的冷冻血液迅速而均匀地加热而不会产生有害毒素,从而在紧急情况下快速输血。同样,冻结和快速解冻捐献的器官而不引起细胞损伤的能力可以延长器官的保存期限,并增加在长时间、长距离的情况下供体/受体成功匹配的可能性。

应用四:工业加热和干燥

从工业角度来看,射频能量并不是一种新技术。多年来,射频干燥器一直为对传统方法反应不佳的材料进行工业加热和干燥。陶瓷、玻璃和玻璃纤维应用需要干燥时不发生开裂的工艺。在其他方法完全失败时,在许多情况下,射频能量为干燥这些材料提供了唯一选择,因为它能以受控的方式除去水分。

而射频技术的创新将使整个加热和干燥过程实现更高的效率和更优的控制。以前的射频应用需要使用磁控管来产生能量,但是通过使用半导体器件,整个系统的成本结构会降低,可实现更高的精度和更优的控制。在食品加工、工业加热和干燥以及能源工业的应用之外,射频能量还有其他多方面的应用。例如,对于谷物、豆类和种子,射频干燥方法可以更快速地去除对于谷物、豆类和种子中的水分、缩短加工时间,使作物发挥最大潜力和营养价值;木材、塑料、药物、纸张和纺织品都可以使用射频能量来降低工业过程的成本、提高工业过程的效率;射频能量有望帮助石油公司更多地开采石油,更好地控制石油开采过程,还可以减少浪费、提高投资回报率以及降低加热和开采过程的成本,同时改变石油开采对环境的影响。

硅基GaN:LDMOS首选替代技术

以上介绍的所有固态射频能量应用,要求支持这些系统的射频器件必须在性能、功率效率、紧凑体积和可靠性中找到最佳平衡,以及推动其成为商业化主流应用的最合理的价格点。这个过程中,射频器件工艺制程技术的选择成为关键因素。

纵观射频半导体市场,数十年来,横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术一直起主导作用。直至两三年前,这种平衡发生了转变,硅基GaN (GaN-on-Si)技术成为接替传统LDMOS技术的首选技术。

与LDMOS相比,硅基氮化镓的性能优势已牢固确立--它可提供超过70%的功率效率,将每单位面积的功率提高4到6倍,并且可扩展至高频率。同时,综合测试数据已证实,硅基氮化镓符合严格的可靠性要求,其射频性能和可靠性可媲美甚至超越昂贵的碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)替代技术。

未来,基于硅基氮化镓的射频技术有望取代旧式磁控管和火花塞技术,充分发挥烹饪、照明和汽车点火等商用固态射频能量应用的价值和潜力,我们相信上述应用的能源/燃料效率以及加热和照明精度将在不久的将来发生质的飞跃。

MACOM GaN的优势

MACOM提供了射频和微波行业中唯一包含硅基GaN产品组合,并致力于将硅基氮化镓技术应用于主流射频市场和应用。不久前,MACOM和ST就硅基GaN晶圆的开发达成一项协议,即由ST负责生产,供MACOM在各种射频应用中使用。通过这项协议,MACOM得以扩大硅基晶圆供应来源,有望提高硅晶圆生产能力,改进成本结构,以取代现有的硅LDMOS技术,还可加速硅基氮化镓在主流市场的普及。

全新射频能量工具包

MACOM推出一款射频能量系统开发工具包MATK-102425-300,旨在帮助商业OEM快速、轻松地调整其产品设计,从而将基于氮化镓的射频能量源融合到烹饪、照明、工业加热/烘干、医疗/制药和汽车点火系统等各种应用之中。

该工具包也可以单独或者与其他远程编程或嵌入任意数量的射频矢量(功率、相位、频率、时间和能量)的控制器一起运行复杂配方,以控制复杂或可变的过程。该工具连接到功率放大器时无需特殊集成。对于射频能量工程师而言,MATK-102425-300可用于控制、优化和工业化射频能量应用及其相关控制器。

与基于LDMOS的同价位晶体管相比,这一射频能量工具包随附的MACOM硅基氮化镓功率晶体管的功率效率最多高出10%,这是连续波射频能量应用的一个主要优势,在持续使用过程中,功效越高,功耗越低且运营成本也越低。这一工具包可帮助系统设计人员简化和加快产品开发,使其能够轻松微调射频能量输出水平,从而最大限度地提高效率和增强性能。它将MACOM的硅基GaN功率晶体管的优势与直观、灵活的软件和信号控制能力相结合,省去了射频能源设计阶段的推测工作,从而有助于缩短上市时间。

Mark Murphy总结到,固态射频能量技术具有从生活消费品到工业、科学和医疗系统及基础设施的全方位优势,有望在未来撼动整个市场划分。

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