Pieter Edelman
21 November 2017

De rf-vermogenstransistoren in zendmasten kunnen ook worden gebruikt in andere toepassingen die gericht en gecontroleerd energie ergens naartoe moeten sturen. Industriële toepassingen omarmen de komende jaren grootschalig deze verwarmingsbron. En ook de magnetronoven moet eraan geloven.

Rf-vermogenstransistoren staan al een tijdje te dringen om hun oude vertrouwde markt voor zendmasten te verlaten om gericht energie af te leveren in keukens, lampen, automotoren, industriële drooginstallaties, medische apparaten en nog allerhande andere markten. Op dit moment is het weliswaar nog met een kaarsje zoeken naar solid-state rf energy, zoals de aanpak heet, ‘maar we zijn op een kantelpunt; die technologie is echt aan het doorbreken en de volumes nemen op dit moment wereldwijd hard toe’, zegt Klaus Werner zelfverzekerd.

Helemaal onafhankelijk staat Werner daar niet in. Hij is voorzitter van de RF Energy Alliance, een bedrijvengroep die aan het concept werkt, en verdient er bovendien zijn boterham mee als r&d-manager bij het Nijmeegse ingenieursbureau Pink RF, dat wordt ingehuurd door andere bedrijven rondom hun rf energy-vraagstukken.

En ook niet iedereen is overtuigd, moet Werner toegeven. Voor de meeste van de beoogde toepassingen is er namelijk al een halve eeuw een technologie in gebruik die prima werkt en relatief weinig kost: de magnetron – niet het apparaat in de keuken, maar de installatie daarin die rf-golven opwekt. Het systeem werd in een ingeving van serendipiteit uitgevonden tijdens de Tweede Wereldoorlog – een ingenieur bij Raytheon merkte dat de snoeprepen in zijn broekzak steeds smolten als hij voor de radar ging staan. De decennia erna werd het tot een bruikbaar systeem ontwikkeld om eten mee te verwarmen. Nu vindt de magnetron niet alleen zijn toepassing in het keukenapparaat, maar ook in de industrie, bijvoorbeeld voor grootschalig drogen of steriliseren van voedsel.

Een zendmast doet in feite exact hetzelfde als een magnetron: op hoog vermogen radiogolven uitsturen, maar dan opgewekt met vermogenstransistoren om gegevens te versturen. In principe kan zendmasttechnologie dus ook worden gebruikt om dingen te verhitten.

BCe24 save the date
Miele_Dialog
Miele bracht onlangs een solid-state-‘magnetron’ uit waarmee gekookt en gebakken kan worden.

Maar dat gaat niet zo efficiënt en momenteel ook zeker niet zo goedkoop als een magnetron. De halfgeleiders kunnen echter iets wat een magnetron niet kan: nauwkeurig en subtiel zijn. ‘Een magnetron kan perfect veel energie leveren, een kilowatt makkelijk, maar daar verder nauwelijks controle over uitoefenen’, vertelt Werner. ‘Hij staat of helemaal aan of helemaal uit, daar zit niks tussen; je moet in de tijd schakelen om het wattage te regelen. En de frequentie die wordt uitgestraald, zit weliswaar netjes ergens tussen de 2,4 en 2,5 GHz, maar daar is dan ook alles mee gezegd.’

De halfgeleideraanpak kan de radiogolven daarentegen zeer gecontroleerd opwekken: niet alleen het vermogen, ook de frequentie, de fase van het signaal en zelfs de modulatie daarop zijn precies in te stellen. Bovendien is er feedback mogelijk. ‘Bij de magnetron weet je eigenlijk nooit hoeveel energie precies terechtkomt in dat wat je heet wilt maken. Bij onze technologie weet je het precies; je kunt het vermogen dat je uitstuurt en dat terugkomt relatief eenvoudig meten. Je kunt ook goed volgen hoe het proces verandert onder invloed van die rf-golven; de impedantie van het systeem is afhankelijk van de temperatuur’, legt Werner uit.

Er zijn nog andere voordelen. Betrouwbaarheid bijvoorbeeld. Een magnetron heeft een beperkte en vrij onvoorspelbare levensduur, waardoor die er op een gegeven moment ineens mee ophoudt. Een vermogenstransistor heeft weliswaar ook niet het eeuwige leven, maar het is geen probleem om een levensduur te engineeren die ruim afdoende is.

Pink_RF_versterker
Pink RF helpt, adviseert, simuleert, ontwerpt en levert materiaal voor bedrijven die met rf energy aan de slag willen.

Zones of gradiënten

Een kleine tien jaar geleden begonnen de makers van de vermogenstransistoren hun producten daarom ook te positioneren als vervanger voor de magnetron of buizentechnologie. Met name voor industriële toepassingen zijn de controle en betrouwbaarheid aantrekkelijk. ‘Doordat je met solid state beter kunt sturen, krijg je een hogere yield, en yield in de industrie is altijd vette winst, dus dat betaalt zich direct terug’, zegt Werner.

De adoptie van de rf energy-aanpak is echter een lang traject. Er is namelijk wat meer nodig dan simpelweg de magnetron vervangen door een transistorgebaseerde bron, hoewel dat ook wel wordt gedaan. Om echt van de aanpak te profiteren, moet het hele elektronische ontwerp op de schop. ‘De magnetron deed het voor je, op een bepaalde manier. Maar nu je de controle hebt, is niks doen geen optie meer. Je moet dus echt moeite doen om het te begrijpen en het proces in te regelen’, verklaart Werner.

Bovendien is een magnetron een enkele grote bron, terwijl de halfgeleideraanpak hetzelfde vermogen genereert met een heleboel kleine bronnen. Dat biedt de optie om de verwarming gedistribueerd in te zetten, bijvoorbeeld om verschillende zones of gradiënten te maken. Maar daarvoor moet het ontwerp van een installatie wel worden aangepast.

De halfgeleideraanpak vraagt dus om een fors andere manier van werken. Sterker nog: Pink RF ontleent zijn bestaansrecht volledig aan de problemen rond deze transitie. Het bureau helpt, adviseert, simuleert, ontwerpt en levert materiaal voor bedrijven die met rf energy aan de slag willen. ‘Maar onze bestseller is eigenlijk gewoon training, uitleggen hoe materie reageert op elektromagnetische velden en hoe ze bepaalde dingen moeten benaderen’, licht Werner toe. ‘We hebben ook standaard rf energy-voedingen met relatief makkelijk te gebruiken controllersoftware zodat mensen ermee kunnen spelen. Klanten hebben vaak een idee, dan zijn ze heel blij dat ze even zo’n systeem kunnen krijgen om wat dingen gewoon uit te proberen.’

Pink RF zit beslist comfortabel op de Novio Tech Campus, de Nijmeegse innovatiecampus die enkele jaren geleden verrees op de vrijgekomen delen van het NXP-terrein. Vanuit zijn werkkamer kijkt Werner uit op de hoofdingang van Ampleon, de vroegere vermogenstransistorenafdeling van NXP en een van de grote aanjagers van het rf energy-concept. Voor halfgeleiderfabrikant Macom, die furore maakt met GaN-op-Si-transistoren, hoeft hij zelfs de voordeur niet uit: Macoms rf energy-expertisecentrum is gevestigd in hetzelfde bedrijfsverzamelgebouw.

Daar wordt dus goed mee samengewerkt, vertelt Werner. Maar net zo goed met de spelers die niet in de buurt zitten, zoals Infineon en marktleider NXP – de business voor vermogenstransistoren is afkomstig van Freescale en gehuisvest in Phoenix, Arizona.

New kid on the block

Er is nog een reden voor de lange overstap naar rf energy. Een paar jaar terug kwam het vaak nog niet uit qua kosten en prestaties om de magnetron te vervangen door vermogenstransistoren. ‘Maar je ziet die prijs-prestatieverhouding zienderogen verbeteren. Om de twee jaar heb je weer een slag met efficiëntieverbeteringen van twee tot drie procent’, is Werners ervaring.

Op dit moment wordt de markt gedomineerd door ldmos, een siliciumgebaseerd proces dat zich leent voor grootschalige productie. Daarnaast worden galliumnitride transistoren op een siliciumcarbide substraat gebruikt voor de high-end; deze halfgeleider wint het op efficiëntie van silicium en het substraat leidt warmte, de belangrijkste bottleneck, goed weg. ‘Maar je kunt die technologie niet schalen naar grote volumes; het substraat gaat niet mee naar acht inch’, weet Werner.

Sinds kort is er echter een materiaal in opkomst dat het beste van de twee werelden verenigt: GaN op silicium. ‘Dat kun je wel in een moderne halfgeleiderfabriek brengen, zoals bijvoorbeeld ICN8 hier’, zegt Werner, terwijl hij naar de fab op het terrein van buurman NXP wijst. ‘En dan heb je ineens de schaalgrootte waardoor de technologie niet per se duurder hoeft te zijn dan siliciumtechnologie. Dat is echt de new kid on the block: Ldmos is al tien generaties onderweg en GaN-op-silicium zit nu hooguit op de tweede generatie. Maar je ziet dat dat nu de markt echt penetreert. En ondertussen timmert ook de ldmos-fractie hard aan de weg, dus daar zit ook nog muziek in.’

Macom_GaN op Si
Galliumnitride op silicium is sterk in opkomst als materiaal voor vermogenstransistoren.

Operatiekamers

Kijkend naar al die ontwikkelingen in de markt en naar zijn klanten durft Werner wel te stellen dat de tijd er zoetjesaan rijp voor is. ‘Het zou overdreven zijn om te zeggen dat rf energy al veel in de praktijk wordt toegepast, maar je ziet wel dat industriële gebruikers er met zijn allen naar kijken voor hun nieuwe designs. Dan gaat het bijvoorbeeld om plasma, een heel belangrijke toepassing. Dat wordt bijvoorbeeld gebruikt om oppervlaktes te steriliseren of te activeren zodat verf goed hecht aan een inert oppervlak. Maar het gaat ook om hele profane dingen zoals het maken van gelamineerd hout, het pasteuriseren van grote hoeveelheden kant-en-klaarmaaltijden, het drogen van aardappelslurrie of het sinteren van keramiek’, somt Werner op.

Er wordt bovendien hard gewerkt aan nieuwe toepassingen die met de magnetron niet of lastig mogelijk waren. Op dit moment staat hyperthermie bijvoorbeeld erg in de belangstelling voor de behandeling van kanker. Door tumorweefsel te verwarmen ten opzichte van het omliggende weefsel, blijkt het soms beter te reageren op bestraling of chemotherapie zonder dat er extra nevenschade optreedt.

Tot nog toe richt het onderzoek naar deze therapievorm zich vooral op oppervlakkige tumoren die makkelijk van buiten zijn te verwarmen. Met rf power is het via bundelvorming ook mogelijk om warmte naar een specifieke plek te sturen. Dat kan worden gebruikt om dieper in het lichaam weefsel selectief op te warmen. Ook is het mogelijk om een antennetje op een katheter te plaatsen om de tumor van binnenuit gecontroleerd te verhitten – dat heet dan rf-ablatie.

Ondertussen is de verlichtingsindustrie ook aan de slag met rf power voor plasmalampen, terwijl autofabrikanten er mogelijk een vervanging van hun bougies in zien. ‘En dan zijn er nog een heleboel andere plasmatoepassingen die we nog niet eens kennen. Waar ik onlangs tegen aanliep, is het steriliseren van lucht voor operatiekamers en dergelijke met plasma. Je kunt er ook water mee activeren. Als je dat goed bestuurt, dan kun je of steriliserende vloeistoffen maken of mestende vloeistoffen, alles met een beetje water en lucht.’

Vis_in_ijs

Gekookte vis

Er is nog een heel ander gebied waar ook veel van wordt verwacht: de magnetronoven. Een ‘vastestofmagnetron’ kan in principe precies de energie toevoegen die nodig is op een specifiek moment in het kookproces, en voortdurend meten hoe het verloopt. Dan gaat het toe naar echt koken in plaats van alleen opwarmen. Het is zelfs enigszins mogelijk om de energie naar specifieke locaties te sturen, zoals NXP een paar jaar terug elegant demonstreerde door een netjes gaar gekookte vis uit een blok ijs te halen.

De witgoedsector kijkt al jaren verlekkerd naar de technologie, hoewel die eigenlijk nog te duur is. ‘Het gaat daarbij ook meer om de gebruikservaring, hoe blij je ervan wordt als je ermee kunt koken. Je zou bijvoorbeeld twee dingen tegelijk, of veel sneller kunnen bereiden, dat soort dingen’, denkt Werner.

En hoewel het nog wel even duurt voordat de aanpak mainstream is, begint ook die markt serieuze vormen aan te nemen. Miele heeft onlangs de spits afgebeten en een rf energy-kooksysteem op de markt gebracht. ‘Het kost achtduizend euro, maar je moet het zien als een trendsetter’, zegt Werner. ‘Ze hebben door de zure appel heen gebeten en gewoon een veel te duur systeem in de markt gezet, en nu kan de rest niet anders dan volgen.’