NXP Semiconductors Gezielt erwärmen mit HF-Leistungstransistoren

HF-Transistor statt Magnetron

Tatsächlich wird Mikrowellenenergie bereits in industriellen Prozessen eingesetzt, beispielsweise beim Trocknen oder Sterilisieren von Lebensmitteln. Bisher wurde die Energie mithilfe von Magnetronen bereitgestellt, einer Technik die erstmal in den 1940-er Jahren ihren Weg in die Produktion gefunden hat. Ein Magnetron ist eine evakuierte Elektronenröhre – ein schweres und sperriges Bauteil. Nutzt man stattdessen HF-Transistoren, lassen sich Größe und Gewicht solcher Anlagen reduzieren. Es gibt jedoch einige weitere Vorteile.

Ein Transistor lässt sich in der Ausgangsleistung und der Frequenz wesentlich besser regeln. Ein einfaches Magnetron kann nur ein- oder ausgeschaltet werden. Selbst ein High-End-Magnetron lässt sich nur im Bereich zwischen 60 Prozent und voller Leistung regeln, HF- bzw. Mikrowellentransistoren dagegen im gesamten Bereich von unter einem Prozent bis zur vollen Leistung.

Ein halbleiterbasierter HF- oder Mikrowellengenerator lässt sich auch in der Frequenz besser variieren. Bild 1 zeigt, was passiert, wenn die Frequenz eines Transistors, der nominal für 2,45 GHz vorgesehen ist, verändert wird. Bei Materialmischungen können die verschiedenen Bestandteile unterschiedliche dielektrische Verlustfaktoren haben und sich bei verschiedenen Frequenzen erwärmen. Kann man die Frequenz dynamisch variieren, lässt sich das gesamte Material gleichmäßig erwärmen und es kommt zu keinen lokalen Überhitzungen oder Kaltstellen. Ein Magnetron dagegen lässt sich nicht so dynamisch in der Frequenz variieren.

Stellt man HF-Energie mit Halbleiterkomponenten bereit, lassen sich die Anlagen in einem Werk leichter installieren und betreiben. Zudem lassen sich die Anlagen bei Änderungen des Leistungsbedarfs rascher anpassen, und sie starten unverzüglich, ohne Zeit zum Aufwärmen oder Abkühlen berücksichtigen zu müssen.
Transistoren lassen sich mit zuverlässigen, kompakten und effizienten Schaltnetzteilen aus der Steckdose heraus betreiben. Ein Magnetron dagegen benötigt für eine Ausgangsleistung von 800 W eine Versorgungsspannung von 4 kV, während ein Mikrowellentransistor mit einer wesentlich sichereren Spannung von 50 V arbeitet.

Zudem erfordern Halbleiter keine komplizierten elektromechanischen Steuerungen und Sequenzen, und sie sind unempfindlich gegenüber Erschütterungen. Die Lebensdauer eines High-End-Magnetrons für 915 MHz beträgt zwischen 2000 Stunden und 6000 Stunden oder bis zu acht Monate im Dauerbetrieb. Ist ein Magnetron zu ersetzen oder zu warten, fällt die Anlage für mehrere Stunden bis zu mehrere Tage aus. Dagegen beträgt die Nennlebensdauer eines Transistors hundert Jahre, und während dieser Zeit nimmt seine Leistungsfähigkeit nicht ab. Und selbst wenn ein Fehler auftritt, lässt sich der schadhafte Transistor über eine Hot-Swap-Architektur mit minimaler Ausfallzeit tauschen.

Und schließlich ist ein transistorbasiertes System bei 915 MHz nur etwa halb so groß und schwer wie eine vergleichbare Anlage mit einem Magnetron (Bild 2).

Neue Komponenten und Werkzeuge

Die Verbesserungen, die sich aus dem Ersatz eines Magnetrons durch Halbleiterkomponenten ergeben, liegen also klar auf der Hand. Doch wie einfach ist es für die Entwickler industrieller Anlagen, die Komponenten und Werkzeuge zu finden, die sie benötigen, um die Anforderungen ihrer jeweiligen Anwendung zu erfüllen?

NXP Semiconductors hat eine neue Serie von HF-Leistungstransistoren vorgestellt, die sich für den Einsatz in Heizungs- und Prozessanwendungen eignen. Besonders hervorzuheben ist, dass diese Bauteile die für industrielle Anwendungen wichtigsten Frequenzen abdecken (Tabelle 2). Alle drei Bauteile bieten eine höhere Leistungsdichte und größere Sicherheitsreserven als frühere Generationen von HF-Transistoren und können in der Anwendung daher eine höhere Ausgangsleistung liefern. Diese im herkömmlichen LDMOS-Prozess (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) hergestellten Bausteine bieten Kostenvorteile gegenüber HF-Transistoren aus Galliumnitrid.

TypbezeichnungFrequenzbereichNennleistungSperrspannungWirkungsgrad
MRFX1K80H1,8 MHz bis 400 MHz1800 W65 V76 %
MRF13750H700 MHz bis 1300 MHz750 W50 V67 %
MRF24300N2,45 GHz300 W32 V60 %

 

Tabelle 2: Kennwerte für die neuen HF-Leistungstransistoren von NXP Semiconductors.

Auch unterstützt NXP diese Bauteile mit einem neuen Portfolio von Entwicklungswerkzeugen. Diese decken die Anforderungen von Entwicklerteams mit unterschiedlichen Erfahrungsniveaus bei der Entwicklung von HF-Schaltungen ab. In der einfachsten Ausführung liefert NXP den Transistor mit einem Referenzschaltplan. Die in Bild 2 gezeigte RF Energy Pallet (RFEP) enthält zusätzlich die HF-Transistortreiber und eine 50-Ω-Anpassungsschaltung. Zusätzlich umfasst das RF Energy Module (RFEM) einen Mikrocontroller mit eingebetteter HF-Quelle, Leistungs-, Strom- und Temperatursensoren, Zirkulator und Koppler sowie eine Steuerschnittstelle.

Für ein komplettes Demo-HF-Energiesystem sollten die Entwickler die RF Energy Lab Box (RFEL) einsetzen (Bild 3). Sie enthält zusätzlich ein Netzteil, Kühlkörper und Lüfter und hat einen USB-Anschluss für einen PC. NXP liefert eine Steuersoftware mit automatischer Abstimmung zum Betrieb auf einem PC. Durch diese Software lassen sich ausführliche Versuche durchführen, um die Fähigkeiten von halbleiterbasierten HF-Energiesystemen auszutesten. Mit den daraus gewonnenen Daten lässt sich die Systemleistung optimieren. Die RFEL erfasst die Daten (zum Beispiel die reflektierte Energie) und kann Frequenz, Leistung und Phase des HF-Transistors dynamisch anpassen, um die übertragene Energie zu maximieren oder auf bestimmte Stellen zu verteilen.

Neue Anwendungen

Die Anzahl vorhandener Anwendungen zum Trocknen, Aushärten und Verkleben, bei denen HF-Energie eingesetzt werden könnte, ist enorm. Doch die Verfügbarkeit kleiner, leistungsstarker HF-Transistoren eröffnet viele neue Anwendungen, für die ein schweres und sperriges Magnetron ungeeignet ist. Ein chirurgisches Handgerät, mit dem sich Hautunebenheiten abtragen lassen, ist nur ein Beispiel dafür.