Mikrowellenöfen, Plasma und Zündungen Mit HF-Leistungsverstärkern in die Consumer-Märkte

Markus Schäfer,Macom: »In High-End-Geräten, wie sie etwa in der Gastronomie verwendet werden, gibt es bereits erste Produkte. Zunächst hatten die Gerätehersteller LDMOS eingesetzt, jetzt sehen sie, dass GaN Vorteile bringt. Die Kochzeit reduziert sich damit um 25 bis 75 Prozent.«

Hersteller von HF-Komponenten visieren einen neu entstehenden Markt an: RF-Energy. Die Anbieter von HF-Leistungsverstärkern wollen damit in Consumer-Produkte wie Mikrowellenöfen vordringen.

Mit der RF Energy Alliance (REFA) hat sich bereits ein Industrie-Konsortium gegründet, das sich zum Ziel gesetzt hat, ein Ökosystem rund um die neue Technik zu schaffen. Dr. Klaus Werner, Executive Director der REFA, ist überzeugt, dass sie kurz vor dem Durchbruch steht. »Wir wollen uns dabei nicht auf eine einzige Anwendung konzentrieren wie dies etwa bei USB oder im drahtlosen Laden der Fall ist«, so Werner. »RF Energy hat das Potenzial, die Karten in vielen Industriebereichen neu zu mischen.«

Mikrowellenöfen sind nur ein Beispiel für neue Einsatzmöglichkeiten. Dort sollen künftig Leistungsverstärker auf Basis von Halbleitern die Magnetrons ersetzen, die relativ groß sind und Spannungen von mehreren kV brauchen. Dagegen kommen Leistungsverstärker auf Basis von Halbleitern mit einer viel niedrigeren Treiberspannung aus, sie sind viel kleiner als Magnetrons, Zuverlässigkeit und Lebensdauer steigen. Außerdem lässt sich die benötigte Energie mit rein auf Halbleitern basierenden Systemen sehr viel präziser einstellen, was eine viel bessere Kontrolle des Garprozesses ermöglicht und damit ganz neue Kochanwendungen eröffnet (siehe unten).

Weitere Beispiele für Anwendungen der RF-Energy-Leistungstransistoren im RF-Energy-Bereich sind Beleuchtungen (Plasma-Lampen), Zündsysteme in Autos und Medizintechnik. Die neuen Zündsysteme haben gegenüber herkömmlicvhern Zündkerzen den Vorteil, dass sie sich einfacher einbauen lassen, den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent senken und den Schadstoffausstoß deutlich reduzieren. Laut Ampleon sind Autohersteller in Japan bereits dabei, die neue Technik in die Kraftfahrzeuge zu bringen.

Die HF-Plasma-Lampen bestehen aus einer gasgefüllten »Glühbirne« aus Quarz, die ohne Elektroden auskommt und deshalb sehr langlebig ist. Die HF-Strahlung ionisiert das Gas, und es entsteht ein sehr helles Licht – sehr viel heller als LED-Licht –, dessen Farbe sich über die Zusammensetzung des Plasmas sehr genau steuern lässt. Die Lampen erreichen eine Lebensdauer von 50.000 Stunden, und sie arbeiten sehr effizient: 1 W HF-Energie wird in 140 lm Licht umgesetzt. Erste Anwendungen finden sich dort, wo mehr als 5000 lm erforderlich sind, beispielsweise in Straßen- und Bühnenbeleuchtungen.

Die RF-Energie lässt sich aber auch zum Erwärmen und Trocknen nutzen. Die Vorteile sind hier, dass sich die Wärme sehr gleichmäßig verteilt und genau steuern lässt und örtliche Überhitzungen vermieden werden. Anwendungen finden sich in Haushaltsgeräten, in der Medizin (Erwärmung von Blut und Organen) und in industriellen Anwendungen, etwa wenn Holz, Kleidungstücke, Farbe oder andere Materialien getrocknet werden sollen. Auch in diesen Anwendungen trägt die HF-Energie dazu bei, Emissionen zu reduzieren, die Effizienz zu steigern und die Prozesse zu beschleunigen.

Laut einer Marktstudie von SuTrust Robinson Humphrey soll sich der Markt für RF Power bis 2020 auf 2,7 Mrd. Dollar mehr als verdoppeln. Den größten Anteil an den neuen Märkten werden dann nach dieser Studie Power-Systeme für Zündungen einnehmen, gefolgt von Systemen für Mikrowellenöfen und Plasma-Lampen.
Reinier Beltmann, CEO von Ampleon, ist überzeugt, dass ganz neue Wachstumsmärkte für die HF-Technik entstehen, vor allem rund ums Kochen.

Markus Schäfer, Sales Director EMEA von Macom, setzt ebenfalls auf Mikrowellenöfen: »In High-End-Geräten, wie sie etwa in der Gastronomie verwendet werden, gibt es bereits erste Produkte. Zunächst hatten die Gerätehersteller LDMOS eingesetzt, jetzt sehen sie, dass GaN Vorteile bringt. Die Kochzeit reduziert sich damit um 25 bis 75 Prozent«, erklärte er kürzlich im Interview mit Markt&Technik (Ausgabe 49/2015; S. 20). Damit erhofft er sich vor allem einen Schub für die eigene GaN-auf-Silizium-Technik, zu der sich das Unternehmen über den Kauf von Nitronix Zugang verschafft hat.

Auch Infineon glaubt an HF-Power-Amplifier für künftige Mikrowellenöfen. Allerdings ist Bertil Skoglund, Regional Marketing Manager von Infineon, überzeugt, dass zunächst die Power-Amplifier auf Basis von LDMOS-FETs das Rennen in Consumer-Anwendungen machen werden. Infineon hat bereits einen Demonstrator entwickelt, in dem zwei 250-W-LDMOS-FETs sowie ein XMC-Controller und eine getaktete Stromversorgung – beide ebenfalls von Infineon – kombiniert sind. Die Eingangsleistung liegt bei 1 kW, der Verstärker arbeitet mit 2,4 bis 2,5 GHz. Der Demonstrator kann direkt an die Antennen des Mikrowellenofens angeschlossen werden, zusätzliche externe Komponenten sind nicht erforderlich. Und weil die Mikrowellenöfen der kommenden Generationen selbstverständlich über Internet kommunizieren werden, ist der Demonstrator mit einer intelligenten WiFi-Anbindung ausgestattet. »Damit können wir ein komplettes Referenzsystem anbieten, so dass die Anwender 30 Prozent ihrer Entwicklungskosten sparen und ihre Produkte sehr schnell auf den Markt bringen können«, sagt Bertil Skoglund.

Jetzt seien die Hersteller der Mikrowellenöfen also in der Lage, sich von den Vorteilen des »Solid State-Cookings« gegenüber den traditionellen Magnetron-Techniken zu überzeugen. Weil sich die HF-Leistung und die Frequenzen sehr genau einstellen ließen, könnten die Hersteller der Öfen ihre eigenen Kochalgorithmen und -methoden entwickeln. Auf Basis von Magnetrons wäre das nicht möglich.

Für den Endkunden bedeutet dies ein neues Kocherlebnis: Er kann sehr viel präziser kochen – etwa durch selektives Erwärmen, und damit die Qualität des Essens steigern. »Damit gehen wir weit über die Möglichkeiten der bisherigen Mikrowellenöfen hinaus: Statt die Speisen nur zu erwärmen, können neue Mikrowellen-Generationen auf Basis von Halbleiter-HF-Verstärkern künftig wirklich kochen«, so Skoglund. Und noch etwas ist neu: Die Endanwender können sich über ihre Kocherfahrungen direkt mit Communities und Freunden über das Internet austauschen und sehr präzise nachvollziehen, was sie von anderen lernen.

Skoglund ist überzeugt, dass Infineon eine gute Ausgangsposition hat, um in die neuen Märkte rund um HF-Power vordringen zu können. Denn jetzt komme es vor allem darauf an, die Kosten weiter zu reduzieren. Mit seinem breiten Spektrum an Leistungshalbleitern kann Infineon die Stromversorgung und die LDMOS-FETs sehr gut aufeinander abstimmen, die Kosten für die Kühlung reduzieren und die Anzahl externer Komponenten senken. Zunächst besteht das Ziel darin, den Demonstrator Mitte 2016 auf den Markt zu bringen. Mit Stückzahlen rechnet Skoglund in rund zwei Jahren.

»Es tut sich derzeit also sehr viel«, erklärt Dr. Klaus Werner. Die RFEA will nach seinen Worten dazu beitragen, die HF-Power in die unterschiedlichen Anwendungen zu bringen. Dabei spielen die Halbleiter eine entscheidende Rolle. Mit Ampleon und Macom konnte die RFEA bereits zwei Hersteller aus diesem Bereich gewinnen. Weil diese Hersteller auf Wafer mit großen Durchmessern übergehen, um die Komponenten zu fertigen, und zunehmend kostengünstige Plastikgehäuse einsetzen, leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Kostensenkung.

Damit das große Ziel erreicht werden kann, müssen aber auch die Hersteller der übrigen Komponenten mit einbezogen werden. Dazu zählen die Hersteller passiver Bauelemente genauso wie etwa von HF-Steckverbindern und die Systemhersteller. Firmen wie Panasonic, Huber + Suhner, Rogers, EGO, Anaren, Passive Plus, Whirlpool und ITW sind bereits Mitglieder der RFEA. Anfang dieses Jahres will die RFEA eine Roadmap vorstellen, und Klaus Werner ist überzeugt, das 2016 noch eine ganze Reihe weiterer Firmen aus unterschiedlichen Branchen der RFEA beitreten werden – die Gespräche dazu laufen schon. (ha)