使用固态半导体的新兴微波加热应用

John Lee, RFHIC

利用射频能量加热材料的概念并不新鲜。贝尔电话实验室在1937年就获得了一项专利，其中涉及一项发明，即在高功率射频信号的作用下，通过介质损耗对物体进行均匀加热。¹ 这种方法被称为介电加热，已被证明适用于导电性差的材料。类似的另一种技术被称为感应加热，用于导电性好的材料。

在感应加热中，射频源产生的电磁场会激发位于感应器电磁场内的材料中的电流。由于材料有电阻，因此这些电流会加热物体。产生的热量取决于感应电流的大小、材料的电阻和磁场的持续时间。

在电介质加热中，导电性差的材料被置于变化的射频电磁场中。通常情况下，这些系统会有两块金属板作为电极，这两块金属板之间的材料形成一个电容器。热量来自构成电容器的介电材料中的电损耗。电介质加热的优势在于电介质是均匀的，从而使整个物体均匀受热。在含水材料的特殊情况下，射频发生器会在两个电极之间产生交变电场。材料中的极性水分子会随着电场极性的变化而重新定向，分子运动产生的摩擦会产生热量。这就是微波炉的基本原理，微波炉是在1945年第二次世界大战结束后研制成功的。

工业射频加热应用和微波炉这些早期设备从真空电子管中获取加热所需的射频能量。电子管可以产生必要的射频功率，但也有缺点。管子体积较大，这意味着加热系统的作用点单一。电磁波干扰很容易导致加热腔内出现冷点和热点，因为电磁波会产生建设性和破坏性干扰。真空管的工作电压通常极高，而且真空管是一种发射技术，这意味着电子束是从源头产生并放大的，从而限制了真空管的使用寿命。随着这些应用的发展，真空管仍被广泛用作电源，但固态解决方案正在成为具有竞争力的替代品。

固态半导体器件缓解了真空管在射频能量应用中的许多问题。设备本身体积小，电压也更低。这意味着射频加热设备可以在加热腔内设置多个作用点。这就提供了一个更加均匀的加热环境。与电子管不同，固态器件可以设置中间输出功率，这些功率水平可以随时间和传感器反馈而变化，以提供优化的加热曲线。最重要的是，固态源的寿命长很多。

虽然消费级微波炉因其市场容量大而仍是最具吸引力的应用，但成本敏感度较低的工业应用已成为固态射频加热技术的早期采用者。氮化镓器件在射频加热应用中的性能，特别是功率密度，使该技术具有竞争优势。固态技术，特别是氮化镓技术，正在促成新的射频加热应用和现有射频加热应用的新性能标准。

热解就是其中的一种应用。热解是将有机材料加热到高于材料分解温度的过程，通常在没有氧气的情况下进行。在这些温度下，材料分子中的化学键会断裂，碎片通常会变成更小的分子。这就是用木材生产木炭的过程，而且这种方法已经使用了很长时间。据说古埃及人就是从木材热解中获得防腐液的。² 这一工艺的新应用以及氮化镓如何实现这些新应用，正在带来令人兴奋的创新机遇。

海洋船舶，尤其是游轮，会产生大量碳基废物。据路透社2022年的一篇文章估计，一艘典型的游轮每天会产生超过一吨的固体废物。³ 随着游轮数量超过疫情前的水平，以及新游轮变得越来越大，这个问题只会越来越严重。虽然游轮是这一问题最明显的例子，但它存在于所有海洋船舶中。

前进之路

致力于将生物质和废物转化为其他资源和替代能源的挪威公司Vow通过其子公司Scanship与RFHIC建立了合作关系。双方合作的目的是开发一种用于废物处理的创新型微波辅助热解（MAP）系统。热解系统的核心是RFHIC的30千瓦氮化镓固态微波发生器系统。RIK0930K-40TG是全机架式系统，工作频率为900至930MHz，配有八个固态功率放大器(SSPA)架、一个电源装置、一个主控制装置和一个WR975波导输出端口。机架式系统如图1所示。

图1：RFHIC RIK0930K-40TG 30千瓦系统。

除游轮外，Scanship还为水产养殖业和陆地工业提供服务。在游轮领域，自2017年以来，Scanship已为31艘投入运营的游轮持续交付废物处理系统。作为技术的进化，Scanship开发了一种MAP系统，利用前文描述的技术将碳基废物转化为有价值的生物燃料和能源。Scanship的系统结合了RFHIC微波发生器，最近已安装在"海洋标志"号上。如图2所示，这艘游轮可容纳7600名乘客，加上船员，总容量将达到近10,000人。当载客量达到这样的水平时，废物处理系统的效率和容量就变得至关重要。

图2：皇家加勒比的海洋标志号游轮。

微波辅助热解系统

图3a是MAP系统的功能图。该系统是整个船舶废物处理系统的一部分。如图3a左上角所示，生物废物被收集并转化为颗粒。颗粒从这里流入反应器，RFHIC微波发生器在这里启动热解过程。从反应器中产生的生物炭是一种宝贵的生物燃料，具有多种工业用途。此外，热解过程中产生的残余气体还可转化为电力或蒸汽，供进一步使用。剩余的生物炭有许多用途。包含RFHIC微波发生器的Scanship系统如图3b所示，剩余的生物炭如图3c所示。

图3：(a) Scanship的MAP系统框图。(b) MAP系统舱室。(c) MAP系统产生的生物炭。

MAP系统面临的挑战

在开发MAP系统的最初阶段，Scanship尝试使用磁控管作为微波发生器的组件。然而，他们遇到了以下挑战：

加热模式不一致和不均匀：由于磁控管难以提供稳定的频率信号，因此在提供稳定的微波功率源方面存在固有问题。温度波动、长期使用造成的磨损以及电源变化等因素都会导致磁控管频率发生意想不到的变化。此外，由于其固定的谐振结构，磁控管对频率和相位的控制都很有限。

在最初版本的Scanship MAP系统中，磁控管不仅无法均匀加热有机废料，而且还会因磁控管频率的不断变化而损坏精密部件。特别是，杂散谐波导致放电，不断损坏热解室的窗户。除了造成系统损坏外，这些放电还对产生的生物炭和可再生气体的质量产生了不利影响。

长期使用故障率高：磁控管的寿命通常很短，运行时间在4000到6000小时之间。除了寿命有限之外，磁控管的工作电压也非常高，通常高达2万伏。由于这些因素，用户经常发现自己需要更换出现故障的磁控管以及相关组件，如循环器、二极管和发射器。

频繁更换不仅增加了运营开支，还部分抵消了磁控管节省的成本。此外，Scanship的MAP系统设计用于在海上航行的游轮。如果热解系统中的磁控管单元发生故障，就意味着在回到陆地上更换部件之前，所有操作都将停止。这种中断会导致游轮使用备用系统，从而降低效率并增加运营成本。图4显示了MAP系统磁控管故障的图像。

图4：高压磁控管故障。

解决方案：替换磁控管

RFHIC采用RIK0930K-40TG微波发生器解决了Scanship在磁控管方面遇到的问题。RIK0930K-40TG采用GaN-on-SiC进行射频功率放大。该系统可在900-930MHz频率范围内提供30千瓦的输出功率。RIK0930K-40TG中的射频功率放大器采用RFHIC自己的碳化硅基氮化镓工艺。该系统配备了一个三相380VAC电源装置、一个控制模块和八个SSPA支架。图5显示RFHIC的微波发生器安装在Scanship的MAP系统中。

图5：安装在船上的RIK0930K-40TG。

除上述优点外，RIK0930K-40TG还能对频率和相位进行精确的数字控制。这是磁控管做不到的，这使得Scanship MAP系统能够根据有机废物的成分调整运行环境。微波发生器还实现了更均匀一致的加热模式，使热解系统能够在更短的时间内处理更大量的废物。RFHIC的软件可以实现这些新增功能。图6显示了Scanship MAP系统中微波发生器所用软件的代表性界面。

图6：微波发生器的控制软件。

RIK0930K-40TG的工作电压为50V，远低于它所取代的磁控系统。它的平均寿命约为50,000至100,000小时。八个功率放大器中的每一个都具有冗余功能，以确保性能平稳、逐渐下降。如果一个或两个放大器发生故障，微波发生器将继续正常工作，直到这些放大器被更换。微波发生器还配备了热插拔电源，用户甚至可以在运行过程中更换任何故障组件。

固态氮化镓技术的主要优势

一致、均匀的加热模式

氮化镓固态微波发生器能产生均匀一致的加热模式。这一特性对于实现热解过程和有效加热船上产生的碳基废物至关重要。图7显示了915MHz和30kW输出功率下的热分布模型。

图7：微波热分布模型

与基于磁控管的微波发生器相比，基于氮化镓的发生器能保持更高的频率稳定性。这就避免了磁控管对包括腔室窗口在内的连接部件造成的意外损坏。因此，微波发生器的这些改进使得使用氮化镓功率放大器的系统能够产生更多的生物炭和可再生气体。本文所述的微波热解工艺可用于生产各种类型的可再生气体，包括氢气、合成气等。

提高系统寿命和稳定性

如前所述，固态放大器的寿命比电子管放大器要长得多。图8显示了寿命的定量比较，以及RFHIC固态解决方案与以前在此应用中使用的磁控管的OPEX的定性比较。

图8：GaN与磁控管的比较

除了性能和成本优势外，GaN放大器的尺寸和重量所带来的内置冗余功能，使微波发生器在其中一个功率放大器发生故障时仍能继续工作。这增加了系统设计和运行的灵活性。这一功能大大减少了系统故障，从而进一步降低了维护和运行成本。

微波热解的可持续未来

RFHIC与Scanship的合作标志着废物处理领域向前迈出了重要一步。利用RFHIC的碳化硅基氮化镓微波技术，Scanship能够克服传统磁控管系统的局限性，为更高效、更环保的废物转化工艺铺平道路。随着全球不断寻求更清洁、更可持续的废物处理解决方案，氮化镓和固态微波技术成为实现绿色未来的有力推动者。

参考文献

1. J. G. Chaffee, U.S. Patent US2147689A, Web: patents.google.com/patent/US2147689.
2. J. Koller, U. Baumer, Y. Kaup, M. Schmid and U. Weser, Ulrich, “Analysis of a Pharaonic Embalming Tar,” Nature, October 2003, 425 (6960): 784. doi:10.1038/425784a. ISSN 1476-4687.
3. C. Palmer, “Cruise Industry Faces Choppy Seas as It Tries to Clean Up Its Act on Climate,” Reuters, July 2022, Web: reuters.com/business/sustainable-business/cruise-industry-faces-choppy-seas-it-tries-clean-up-its-act-climate-2022-07-27/.