半导体技术在大功率微波加热应用研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)广东美的微波电器制造有限公司 作者:唐相伟

  研究大功率半导体微波技术应用与微波炉加热,通过半导体微波炉控制系统、半导体微波馈入系统研究,实现半导体微波技术在大功率微波炉上应用。试验测试表明:半导体微波加热功率输出能够达到600W,半导体微波炉负载及频率牵引特性满足要求,加热均匀性在70%以上。加热效率在40%左右,还需进一步提升。

  微波炉从上世纪40年代发明至今均是使用磁控管发出微波加热食物,微波频率以2450±50MHz为主。高压变压器、电容、二极管等提供约4000V 高压,供磁控管工作。磁控管、变压器耗费大量铜、硅钢等,且体积大、重量高。磁控管工作寿命短、微波频率不可调整、材料标准要求高、制造难度大,限制了目前微波炉能效进一步提升及成本降低。

  目前半导体微波技术主要应用在通信上,与微波加热应用主要区别是频段差异。半导体微波应用于加热一直存在很高的技术难度,主要包括功率小、效率低、成本高、馈入腔体困难等问题。但随着半导体微波技术发展日新月异,半导体微波效率越来越高、成本越来越低、重量越来越轻、单位体积功率密度越来越大,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其在微波炉上的应用是半导体微波技术发展的必然趋势。

1、半导体微波炉原理

  目前微波炉包括磁控管、高压变压器、高压电容、高压二极管、腔体、炉门、控制系统等。交流电源首先经高压变压器为磁控管提供3.3V灯丝电压。交流电源经高压变压器、电容、二极管升压整流后,变成直流脉动高压,输出给磁控管。2450MHz微波经矩形波导馈入微波炉腔体后,快速加热微波炉腔体内食物。普通微波炉输入功率多在300 W 以上、1500W 以下,整机加热效率在54%以上,加热均匀性在70%以上。

  目前半导体微波技术多采用源发生2450MHz小信号微波,再对小信号微波进行放大的原理。其中放大部分多采用两级放大,初次小信号放大和二次放大(图1)。源、放大原理在大功率微波加热应用中成本高、系统复杂、设计开发困难。

源、放大原理半导体微波

图1 源、放大原理半导体微波

  源、放大原理半导体微波更适合通信行业对微波信号要求。2400±50MHz微波用于加热,对微波信号要求低,需要简化半导体微波源的微波发生原理,降低大功率半导体微波成本,提升半导体微波可靠性,提出了一种振荡式微波发生原理的半导体微波,如图2所示。

振荡式微波发生原理

图2 振荡式微波发生原理

  半导体振荡微波发生微波工作原理为:LDMOS管通过自振荡电路产生频率2450±50MHz的微波,微波功率大小由LDMOS管的功率大小和数量决定。通过调节自振荡电路的可变电容值,可改变半导体微波输出微波频率大小根据实际食物的类型、加热状态变化时腔体驻波比大小,在2450±50MHz范围内选择驻波最小频率进行加热。半导体微波源所需电压为直流0~32V,通过调节输入电压的高低,能够调节半导体微波源的微波输出功率大小,实现半导体微波炉功率无级可调。半导体功率源包括:LDMOS管、偏压及控制电路、功率合成器、功率检测及控制电路等。偏压及控制电路包括:半导体功率源输出功率检测、半导体功率源反射功率检测、半导体功率源关断信号、半导体功率源频率调整信号、半导体功率源直流+、-输入。

5、结论

  研究了半导体微波源及相应的微波炉腔体馈入系统,同时研究适合半导体微波的微波炉驻波比检测,改变半导体微波频率,提升了半导体微波炉的整机加热效率。因为半导体微波的核心器件LDMOS管效率影响,半导体微波炉的整机加热能效在40%左右,距离54%还有很大的距离,需要进一步研究。

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