恭喜你歪楼成功。目前在2460MHz,单芯片功率可达500W,未来还会有所提升。既然说到这里,借这个文章我们来比较一下。
直接说结论:在MPCVD领域,半导体微波源(通常称为固态源)没有优势。
1、效率
效率是半导体源最大的短板。硅工艺LDMOS的效率可达65%,氮化镓工艺可提升至略高于70%。初看起来的确与磁控管是差不多的。
但是,目前半导体的单芯片功率还很小,在2.46GHz顶多略大于500W,要达到MPCVD通常需要的6kW,需要进行多次功率合成。提高半导体源的关键就是降低功率合成的损耗,减少功率合成的次数(最好能在保持损耗不变的情况下一次合成16路)。就目前水平,至少需要2次合成,每次合成引入0.3~0.5dB损耗,总效率即下降至50%。这是采用快响应的保护电路,从而省去芯片后面的环形器的结果(环形器损耗0.2-0.4dB),后果是该源只能承受不高于2.0的短期驻波。目前似乎只有KC这么干,如果不省这个环形器,效率就降到50%以下了。
上述还是非常理想的情况。实际上,由于半导体源是逐级放大的结构,推动管还需要消耗功率,一般占到10%~15%。所以,即使不算电源效率,真正在生产上用到的半导体源,其总效率能达到40%就烧高香了。
如果放在通信领域,这个效率已经算是很高了,因为即使用真空管也需要多级放大,效率并无特别优势。但是在工业微波领域,意外就意外在遇到了磁控管这位老将,不算电源效率的话,他的效率就是70%,都快差了一倍了。若考虑冷却系统的功耗,结果就是真的要差一倍。
结果就是在6kW这个功率下,固态源要多费8kW的电,假设连续工作不停机,一年就要多花7万度电费。
2、输出品质
输出品质是固态源最大的长板。固态源的频率稳定度取决于参考源,通常是晶体,能够轻松做到20ppm以内,若采用温补晶体就能达到1ppm或更好。而磁控管源的频率稳定(长稳)度只有千分之5,或5000ppm。
不过,在电源良好,短稳尚可的情况下,MPCVD可以通过调谐器补偿频率变化带来的阻抗变化,能够接受5000ppm的频率稳定度。对MPCVD来说,糟糕的是短稳,也就是由于电源不良造成的快变化。
半导体源的寄生调幅、寄生调频、相位噪声通常也优于磁控管源。在某些特殊的科研用途中是具有优势的,但除寄生调幅外,MPVCD对此不是特别敏感,只要99%的功率能够分布在最好不超过1MHz,极限不超过5MHz的频谱宽度内就行了。
因此,输出品质的长板在MPCVD应用中并无压倒优势。
3、寿命、可靠性
寿命、可靠性本是固态源最大的长板,功放芯片在合理使用的情况下能够达到10万小时以上的寿命,在极限使用并对老化严格考核时,也有2万小时水平的寿命。但是由于半导体源结构过于复杂,常为16路或32路合成,对恶劣工况的适应能力又比较脆弱,实际的无故障工作时间并不理想,几千小时就要换模块的情况是常见的。当换掉20%的模块以后,这台半导体源还是不是原来那台,算不算已经寿终正寝过一次了,就成了一个哲学问题。
实际经验来看,功放芯片反而是比较皮实的。通常问题都属于千里之堤毁于蚁穴,然后引起功放芯片失效。最常见的问题就是功率传输线上的隔直电容失效。
当然,随着经验的积累,固态源总是能够达到平均2万小时以上的寿命的,对技术进步还要有信心。
问题是,磁控管也不是吃素的。通常宣传固态源的优势时,都会拿磁控管的“手册寿命”来作为反面教材。磁控管的手册寿命是多少呢?有的标500h,一般标1000h,最多标2000h。与固态源比起来,简直弱爆了。
然而,厂家的显然需要尽早甩锅,保守的考核指标。磁控管只要还能起振就继续用是常见的情况。在输出品质尚能满足MPCVD要求的前提下,一个磁控管用七八千甚至一万多小时是普遍的、主流的情况,一般考虑一年一换就可以了。如果达不到这个寿命,除磁控管质量的波动外,主要原因是电源不合格。实际上,还有相当大比例的磁控管是因为偶然事故暴毙的,比如打火而又没有保护,水负载里面有气泡导致吸收不良之类。从普遍的使用寿命来看,目前半导体源与磁控管源没有显著区别,未来半导体源进步了,也就是一两倍的寿命区别。这导致半导体源在寿命、可靠性方面,也失去了压倒性优势。
关键是,换磁控管又不是多大的事。
4、设备成本
不论磁控管还是半导体功放,都有很多外围成本。为了便于比较,我们先来看核心器件,也就是管子的成本。
目前,6kW磁控管的价格在2.5~3万元。500W半导体功放管的单个价格在0.07~0.08万元。
如果用500W半导体功率管来合成6kW,需要至少16只管子,价格在1.2万元左右。
这轮比较,半导体源完胜。
然而,现在随便买个源,最便宜的6kW,也要10万以上的价格。这么看来,在价格里面,管子的成本并不是大头。
什么是大头呢?——电源。
6kW磁控管需要大约10kVA容量的高压电源;6kW固态源需要大约16kVA容量的低压电源。
目前,低压电源产量大,技术更成熟,因此便宜。16kVA虽然比10kVA大,但价格却是差不多的。由于低压电源幺蛾子少,允许极限抠门,因此事实上还会更便宜。
这轮比较,看起来又是半导体源完胜。
但是,假设高压电源也成熟起来,产量大起来,就不好说了。因为电源到了最后就是比个IGBT/SiC价格,比个铜价。开关管都在低压上用,同容量的价格没有根本区别,然而低压电源用的铜肯定比高压电源多得多,不然就不用搞高压输电了。磁控管电源用韭菜粗的电缆就行了,半导体源得用铜牌折弯,看着的确比茁壮的韭菜还漂亮,背后都是钱。
产量大起来,两者分不出胜负。
固态源还多一套合路器,这东西也不便宜。
固态源还需要做多模块同相,需要推动级,这些东西的价格并不比功放管低多少。
固态源发热大,冷却系统还需要更复杂,也就是更多钱。
固态源……
总之,在MPCVD应用需要的条件下,两种微波源的设备成本没有显著区别。将来如果管子的价格发生变化,除非某种管子暴涨,也不会影响这个结论。至于磁控管会不会涨到5万一支,这是不太可能的。如果进口磁控管涨价一倍,那就用国产磁控管降额使用,10kW的国产磁控管才1万元。
磁控管是消耗品,相比半导体源来说,节省的电费可以每年换两次,如果只换一次,就赚了。
5、结论
工业应用,比的就是成本。不论是设备成本、消耗件成本、电费成本,还是维护成本,出故障以后的停产损失折算的成本……在成本这个问题上,目前(及未来两三年)磁控管源略有优势。
过去磁控管源在MPCVD应用中受到一些批评,主要原因是极少有人把它弄明白。弄明白了的进口货要22万,没弄明白的国产货要12万。舍得花钱买进口货的说磁控管源效果不错;不舍得花钱的说磁控管源没有固态源靠谱。如果有朝一日国产货搞明白了,会卖20万吗?如果还是卖12万,老板们是买固态源,还是买磁控管源呢。
(特别声明:本文仅属技术探讨,不构成投资建议)
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