硅基GaN為固態(tài)射頻能量應(yīng)用帶來更多可能

所謂射頻能量應(yīng)用，即使用受控的電磁輻射加熱物品或者為各種工序提供動能?，F(xiàn)階段這種能量一般由磁控管產(chǎn)生，未來將會由全固態(tài)半導(dǎo)體鏈產(chǎn)生，即固態(tài)射頻能量。固態(tài)射頻能量擁有前所未有的控制范圍甚至能量分配，并快速適應(yīng)不斷變化的負(fù)載條件。這項技術(shù)具有無限的潛力，到2020年，其市場預(yù)計將增長到14億美元。

Mark Murphy

MACOM公司射頻功率營銷與業(yè)務(wù)拓展高級總監(jiān)

據(jù)MACOM公司射頻功率營銷與業(yè)務(wù)拓展高級總監(jiān)Mark Murphy介紹，固態(tài)射頻能量可廣泛應(yīng)用于微波爐、汽車點(diǎn)火、照明系統(tǒng)，以及包括射頻等離子照明、原料烘干、血液和組織加熱和消融等在內(nèi)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用。它具有其他解決方案不具備的優(yōu)勢：低電壓驅(qū)動、半導(dǎo)體式可靠性、較小外形因子以及一個“全固態(tài)電子”的印跡。固態(tài)射頻能量最激動人心的特性可能是由超高精度補(bǔ)償?shù)目焖俚念l率、相位、功率捷變?？偟脕碚f，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了前所未有的過程控制范圍，甚至能量分配，以及對不斷變化的負(fù)載條件的快速適配。

傳統(tǒng)射頻能量產(chǎn)生(上圖) VS固態(tài)射頻能量產(chǎn)生(下圖)

鑒于固態(tài)射頻能量作為高效可控的熱源和功率源所具有的諸多優(yōu)勢，該技術(shù)有著不可估量的市場機(jī)會，不僅能夠改善現(xiàn)有的射頻能量應(yīng)用，而且有助于開發(fā)新的能量應(yīng)用。

應(yīng)用一：固態(tài)烹飪

射頻能量的一個主要目標(biāo)應(yīng)用是傳統(tǒng)的微波爐，如今由磁控管供電，高壓真空管主要與磁場相互作用的電子。磁控管具有簡單的開關(guān)功能，可控制放入烤箱的能量，平均壽命為500至1000小時。目前，標(biāo)準(zhǔn)連鎖餐廳使用磁控管供電的微波加熱顧客的食物，考慮到每天準(zhǔn)備的餐具數(shù)量，磁控管微波的壽命非常有限。

使用射頻晶體管，微波烹飪可以徹底改變。射頻晶體管產(chǎn)生超高精度、受控的能量場，對控制器的反應(yīng)非常敏感，從而實(shí)現(xiàn)射頻能量的最佳和精確的使用和分配。固態(tài)射頻能量通過替代解決方案(包括低電壓驅(qū)動、高效率、半導(dǎo)體型可靠性、更小的外形尺寸和固態(tài)電子設(shè)備占用空間)提供了無法提供的優(yōu)勢。也許最引人注目的好處是這種技術(shù)所帶來的功率敏捷性和超高精度、產(chǎn)生均勻的能量分布、前所未有的過程控制范圍以及快速適應(yīng)不斷變化的負(fù)載條件。此外，固態(tài)射頻晶體管很容易使用壽命超過10年。

實(shí)質(zhì)上，這意味著通過使用RF能量代替磁控管，我們可以在微波爐中實(shí)現(xiàn)固態(tài)、高度可控的烹飪。微波爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)盤不需要均勻分配熱量。相反，微波爐可以通過程序設(shè)定以不同能量的特定區(qū)域，最終產(chǎn)生更徹底、更高效的烹飪。

應(yīng)用二：等離子照明

等離子燈自發(fā)明以來便由磁控管供電，磁控管的平均壽命預(yù)計在500至1000小時。在評估等離子燈的價值時，這是一個重要的考慮因素。對此，美國海軍天文臺提供了一種工具來計算給定時間段內(nèi)的黑夜小時數(shù)(即整個太陽低于地平線的時間)。以洛杉磯為例，今年八月份平均每日黑夜時間為10小時9分鐘，一個月的黑夜時間總共為313小時。如果在這些黑夜時間段內(nèi)持續(xù)點(diǎn)亮，則由磁控管供電的等離子燈的使用壽命最短2個月，最長4個月。因此，由于更換燈泡的成本過高，諸如室外、街道、體育場或區(qū)域照明的應(yīng)用將無法從基于磁控管的等離子照明中獲益。

不過，利用氮化鎵技術(shù)的性能優(yōu)勢，基于固態(tài)射頻能量的等離子照明極大延長了光源的使用壽命，為等離子燈提供了前所未有的市場機(jī)會。由于固態(tài)射頻能量的高效率和長壽命，等離子照明現(xiàn)在可以為大面積照明應(yīng)用提供極高的價值。由氮化鎵驅(qū)動的射頻能量不僅提供更高的效率和更長的使用壽命，還可實(shí)現(xiàn)可控的能量。由射頻能量供電的超高精度燈泡能夠適應(yīng)時間或者過往行人或車輛的運(yùn)動，并相應(yīng)地轉(zhuǎn)換發(fā)出的光。利用射頻能量，電力將不再浪費(fèi)在空置的地方，這進(jìn)一步延長了燈泡的壽命。

盡管這是一個極具吸引力的概念，但從以往記錄來看，固態(tài)芯片的成本結(jié)構(gòu)比磁控管更昂貴，這使射頻能量應(yīng)用成為一種奢侈品。然而，憑借MACOM的硅基氮化鎵產(chǎn)品的優(yōu)異效率和增益性能，等離子照明首次有望主宰照明市場。

應(yīng)用三：醫(yī)療應(yīng)用

當(dāng)今的射頻醫(yī)療設(shè)備轉(zhuǎn)為加熱生物細(xì)胞和組織而設(shè)計，適用于射頻/微波消融到細(xì)菌滅菌的醫(yī)療治療，侵入性極小。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)相比，采用氮化鎵的射頻醫(yī)療設(shè)備在精密控制、高功率、更高效率方面更具關(guān)鍵優(yōu)勢：（1）精密控制--氮化鎵能夠在低于3GHz的ISM頻率下提供高效率，同時還支持5.8 GHz及更高頻率。頻率越高，波長越短，這可增強(qiáng)射頻能量場的精密控制。這提高了治療的準(zhǔn)確性，同時降低了損傷鄰近組織和器官的風(fēng)險。（2）高功率、更高效率 -- 氮化鎵的原始功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LDMOS，效率提高了10%。 這樣一來，便可將更多的能量引至治療部位，使腫瘤和不需要的組織脫水和/或燒掉，同時在系統(tǒng)級降低功耗和熱限制。

射頻/微波消融技術(shù)目前通常用于消除癌性腫瘤，而隨著氮化鎵進(jìn)入射頻醫(yī)療設(shè)備市場，這一現(xiàn)狀將會得到持續(xù)改善。

溫?zé)岑煼ㄕ杆俪蔀樯漕l能量的另一個核心目標(biāo)應(yīng)用。此療法通常與其他癌癥治療聯(lián)合實(shí)施，醫(yī)生可以使用靶向射頻能量來提高患者癌癥部位身體組織的溫度。受控?zé)崃?104 oF至108oF)作用于癌細(xì)胞并減少癌細(xì)胞復(fù)制，但不妨礙健康細(xì)胞中的DNA復(fù)制。這項技術(shù)具有成為未來幾年主流癌癥治療方法的巨大潛力。

未來，基于氮化鎵的射頻醫(yī)療設(shè)備將用于在輸血和移植時加熱血液和器官。輸血時，射頻能量可以使儲存的冷凍血液迅速而均勻地加熱而不會產(chǎn)生有害毒素，從而在緊急情況下快速輸血。同樣，凍結(jié)和快速解凍捐獻(xiàn)的器官而不引起細(xì)胞損傷的能力可以延長器官的保存期限，并增加在長時間、長距離的情況下供體/受體成功匹配的可能性。

應(yīng)用四：工業(yè)加熱和干燥

從工業(yè)角度來看，射頻能量并不是一種新技術(shù)。多年來，射頻干燥器一直為對傳統(tǒng)方法反應(yīng)不佳的材料進(jìn)行工業(yè)加熱和干燥。陶瓷、玻璃和玻璃纖維應(yīng)用需要干燥時不發(fā)生開裂的工藝。在其他方法完全失敗時，在許多情況下，射頻能量為干燥這些材料提供了唯一選擇，因?yàn)樗芤允芸氐姆绞匠ニ帧?/p>

而射頻技術(shù)的創(chuàng)新將使整個加熱和干燥過程實(shí)現(xiàn)更高的效率和更優(yōu)的控制。以前的射頻應(yīng)用需要使用磁控管來產(chǎn)生能量，但是通過使用半導(dǎo)體器件，整個系統(tǒng)的成本結(jié)構(gòu)會降低，可實(shí)現(xiàn)更高的精度和更優(yōu)的控制。在食品加工、工業(yè)加熱和干燥以及能源工業(yè)的應(yīng)用之外，射頻能量還有其他多方面的應(yīng)用。例如，對于谷物、豆類和種子，射頻干燥方法可以更快速地去除對于谷物、豆類和種子中的水分、縮短加工時間，使作物發(fā)揮最大潛力和營養(yǎng)價值；木材、塑料、藥物、紙張和紡織品都可以使用射頻能量來降低工業(yè)過程的成本、提高工業(yè)過程的效率；射頻能量有望幫助石油公司更多地開采石油，更好地控制石油開采過程，還可以減少浪費(fèi)、提高投資回報率以及降低加熱和開采過程的成本，同時改變石油開采對環(huán)境的影響。

硅基GaN：LDMOS首選替代技術(shù)

以上介紹的所有固態(tài)射頻能量應(yīng)用，要求支持這些系統(tǒng)的射頻器件必須在性能、功率效率、緊湊體積和可靠性中找到最佳平衡，以及推動其成為商業(yè)化主流應(yīng)用的最合理的價格點(diǎn)。這個過程中，射頻器件工藝制程技術(shù)的選擇成為關(guān)鍵因素。

縱觀射頻半導(dǎo)體市場，數(shù)十年來，橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)技術(shù)一直起主導(dǎo)作用。直至兩三年前，這種平衡發(fā)生了轉(zhuǎn)變，硅基GaN (GaN-on-Si)技術(shù)成為接替?zhèn)鹘y(tǒng)LDMOS技術(shù)的首選技術(shù)。

與LDMOS相比，硅基氮化鎵的性能優(yōu)勢已牢固確立--它可提供超過70%的功率效率，將每單位面積的功率提高4到6倍，并且可擴(kuò)展至高頻率。同時，綜合測試數(shù)據(jù)已證實(shí)，硅基氮化鎵符合嚴(yán)格的可靠性要求，其射頻性能和可靠性可媲美甚至超越昂貴的碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)替代技術(shù)。

未來，基于硅基氮化鎵的射頻技術(shù)有望取代舊式磁控管和火花塞技術(shù)，充分發(fā)揮烹飪、照明和汽車點(diǎn)火等商用固態(tài)射頻能量應(yīng)用的價值和潛力，我們相信上述應(yīng)用的能源/燃料效率以及加熱和照明精度將在不久的將來發(fā)生質(zhì)的飛躍。

MACOM GaN的優(yōu)勢

MACOM提供了射頻和微波行業(yè)中唯一包含硅基GaN產(chǎn)品組合，并致力于將硅基氮化鎵技術(shù)應(yīng)用于主流射頻市場和應(yīng)用。不久前，MACOM和ST就硅基GaN晶圓的開發(fā)達(dá)成一項協(xié)議，即由ST負(fù)責(zé)生產(chǎn)，供MACOM在各種射頻應(yīng)用中使用。通過這項協(xié)議，MACOM得以擴(kuò)大硅基晶圓供應(yīng)來源，有望提高硅晶圓生產(chǎn)能力，改進(jìn)成本結(jié)構(gòu)，以取代現(xiàn)有的硅LDMOS技術(shù)，還可加速硅基氮化鎵在主流市場的普及。

全新射頻能量工具包

MACOM推出一款射頻能量系統(tǒng)開發(fā)工具包MATK-102425-300，旨在幫助商業(yè)OEM快速、輕松地調(diào)整其產(chǎn)品設(shè)計，從而將基于氮化鎵的射頻能量源融合到烹飪、照明、工業(yè)加熱/烘干、醫(yī)療/制藥和汽車點(diǎn)火系統(tǒng)等各種應(yīng)用之中。

該工具包也可以單獨(dú)或者與其他遠(yuǎn)程編程或嵌入任意數(shù)量的射頻矢量(功率、相位、頻率、時間和能量)的控制器一起運(yùn)行復(fù)雜配方，以控制復(fù)雜或可變的過程。該工具連接到功率放大器時無需特殊集成。對于射頻能量工程師而言，MATK-102425-300可用于控制、優(yōu)化和工業(yè)化射頻能量應(yīng)用及其相關(guān)控制器。

與基于LDMOS的同價位晶體管相比，這一射頻能量工具包隨附的MACOM硅基氮化鎵功率晶體管的功率效率最多高出10%，這是連續(xù)波射頻能量應(yīng)用的一個主要優(yōu)勢，在持續(xù)使用過程中，功效越高，功耗越低且運(yùn)營成本也越低。這一工具包可幫助系統(tǒng)設(shè)計人員簡化和加快產(chǎn)品開發(fā)，使其能夠輕松微調(diào)射頻能量輸出水平，從而最大限度地提高效率和增強(qiáng)性能。它將MACOM的硅基GaN功率晶體管的優(yōu)勢與直觀、靈活的軟件和信號控制能力相結(jié)合，省去了射頻能源設(shè)計階段的推測工作，從而有助于縮短上市時間。

Mark Murphy總結(jié)到，固態(tài)射頻能量技術(shù)具有從生活消費(fèi)品到工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療系統(tǒng)及基礎(chǔ)設(shè)施的全方位優(yōu)勢，有望在未來撼動整個市場劃分。