唐相偉，周福昌，陳茂順，王賢友，黎青海

(廣東美的廚房電器制造有限公司，廣東 佛山 528311)

0 引 言

從20世紀90年代末開始，微波加熱技術(shù)應(yīng)用于瀝青道路材料加熱的研究在國內(nèi)得到重視。研究包括微波再生機理、再生技術(shù)與工藝、加熱設(shè)備等。瀝青道路材料中的集料吸收微波產(chǎn)生的熱量，并將它傳給瀝青結(jié)合料，加熱速度快、安全、環(huán)保。同時，微波養(yǎng)護施工質(zhì)量好，無表面燒焦現(xiàn)象，能提高廢料回收率，最大限度地節(jié)省成本[1]。

微波發(fā)生系統(tǒng)是瀝青道路材料微波加熱設(shè)備的核心，它決定加熱效率、加熱速度、整機重量、體積、成本等。瀝青道路材料微波加熱設(shè)備的效率提升受限于微波發(fā)生系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，造成了整機成本高及太重等問題，影響了微波加熱設(shè)備的進一步升級和推廣應(yīng)用。為了提升瀝青道路材料微波加熱設(shè)備的整機性能，通過對瀝青混合料微波加熱發(fā)生系統(tǒng)進行理論和試驗研究，得出提高磁控管效率、使用變頻電源方案、升級5.8 GHz微波等方法來提升磁控管微波發(fā)生系統(tǒng)的加熱效率。同時，本文研究固態(tài)源微波加熱系統(tǒng)，得出基于大功率蓄電池技術(shù)的5.8 GHz固態(tài)源的高效移動微波加熱設(shè)備解決方案。研究成果可以為未來瀝青道路材料微波加熱設(shè)備的核心設(shè)計提供參考。

1 基于磁控管的高效微波發(fā)生系統(tǒng)

磁控管微波發(fā)生系統(tǒng)由高壓供電系統(tǒng)、磁控管、波導(dǎo)以及微波隔離裝置構(gòu)成。高效微波發(fā)生系統(tǒng)的核心在于高壓供電系統(tǒng)和磁控管，其中磁控管的加熱頻率有2 450 MHz和5 800 MHz兩種，高壓供電系統(tǒng)有高壓變壓器和變頻器之分[2-7]。

1.1 高效磁控管技術(shù)提升

磁控管作為微波加熱的核心元器件，廣泛地應(yīng)用于微波加熱領(lǐng)域。高效微波發(fā)生系統(tǒng)首先要突破磁控管的能效。自20世紀90年代初磁控管從日本引進中國，其能效就維持在72%左右。提升磁控管效率的難題在于電-微波轉(zhuǎn)換效率，國內(nèi)外多年沒有大的技術(shù)突破，制約了微波系統(tǒng)效率提升。

磁控管中的電子損耗包括電子打上陽極的損耗，以及電子回轟陰極的損耗(即陰極回轟功率)，約占直流輸入功率的2%～10%。從能量守恒角度出發(fā)，考慮到磁控管內(nèi)的電子損耗，π模工作時的電子效率ηe經(jīng)驗公式為

(1)

式中：Ua為陽極電壓(kV)；Ia為陽極電流(A)；B為工作磁場(T)；ra為陽極半徑(mm)；σ為陰、陽極直徑之比；N為諧振腔數(shù)；λ為工作波長(mm)；ha為陽極高度(mm)。

磁控管的電子效率與很多因素，如工作磁場，陽極電壓和陽極電流，陰、陽極結(jié)構(gòu)尺寸，工作波長及諧振腔數(shù)量等密切相關(guān)?，F(xiàn)有磁控管的陽極電壓一般為4.2 kV，其效率為72%左右，而效率提高到78%時，其陽極電壓達到5.2 kV。如果繼續(xù)提高陽極電壓，就必須改變微波爐的高壓變壓器，也必須提高磁控管及其外圍零件的絕緣耐壓?，F(xiàn)有磁控管的結(jié)構(gòu)已不能從根本上解決效率提升的問題，以至為了提高效率，不得不大大增加生產(chǎn)成本。

優(yōu)化設(shè)計了全新的諧振系統(tǒng)、輸出耦合結(jié)構(gòu)等，研制出最高電-微波轉(zhuǎn)換效率達到80%以上的預(yù)群聚高效磁控管。

1.2 磁控管頻率提升

針對微波在非通訊領(lǐng)域中的應(yīng)用，1966年在加拿大成立的國際微波功率協(xié)會(IMPI)規(guī)定了工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療(ISM)可使用的頻率,常用于加熱的頻率為915、2 450、5 800 MHz。915 MHz連續(xù)波加熱的特點是輸出功率大、效率高、穿透深度大，但是微波發(fā)射源及其電源使用、維護成本高。2.45 GHz連續(xù)波加熱被廣泛應(yīng)用于常規(guī)家用微波加熱，加熱效果好，維護成本低，故越來越多的工業(yè)微波設(shè)備由915 MHz逐步向2.45 GHz微波加熱轉(zhuǎn)化。由微波理論可知,在輸入微波功率一定時，對同一物料來說，采用工作頻率高的微波更加有效。如采用f=2 450 MHz要比采用f=915 MHz高2.68倍。對于水這樣的材料來說,頻率高的損耗因子要比頻率低的損耗因子大3～10倍，可見微波頻率的選擇非常重要[8-12]。

根據(jù)微波加熱理論，在單位體積的物料內(nèi)消耗的微波功率為

P=2πfε0ε″E2

(2)

式中：E為微波電場強度的有效值；f為微波頻率；ε0為真空介電常數(shù)；ε″稱為損耗因子。

單位體積的物料吸收的微波能量與微波頻率成正比，同時瀝青混凝土的損耗因子ε″也隨著微波頻率的提高而增大。提高微波加熱頻率，瀝青混凝土的微波吸收能力將增強。使用5.8 GHz頻率的微波進行瀝青路面養(yǎng)護，可以縮短加熱時間，提升加熱效率。

在距瀝青混凝土加熱深度0～75 mm范圍內(nèi)，5.8 GHz磁控管加熱瀝青混凝土的溫升速率是2.45 GHz磁控管的2～3倍。5.8 GHz微波加熱瀝青混凝土深度為7～8 cm，約是2.45 GHz微波加熱瀝青混凝土深度的一半。加熱同樣面積的瀝青混凝土到相同溫度，5.8 GHz微波消耗的能量是2.45 GHz微波的1/3[13]。

1.3 高效電源技術(shù)提升

微波爐的微波發(fā)生系統(tǒng)主要以磁控管為執(zhí)行機構(gòu)。磁控管具有輸入電壓高、工作特性非線性等特點，對供電電源系統(tǒng)有特殊的要求。目前的微波爐電源方案可以分為線性變壓器方案、變頻電源方案2種。變頻電源方案具有高效、功率可調(diào)節(jié)、功率因數(shù)高、質(zhì)量輕、噪音低等諸多優(yōu)點，是微波加熱電源的重要方向[14-15]。

1.3.1 變壓器方案

高壓系統(tǒng)是整個電氣系統(tǒng)的核心，包括高壓變壓器、高壓保險、高壓電容、高壓二極管、燈絲變壓器。系統(tǒng)正常工作時，加在磁控管燈絲兩端的電壓為4 000 V，燈絲兩端的壓降為3.3 V。高壓系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 微波高壓系統(tǒng)原理

1.3.2 變頻電源方案

為磁控管供電的變頻電源采用半橋變換拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣，包括前期微波加熱，但驅(qū)動控制復(fù)雜，元件多，成本高。半橋變換拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半橋變換拓撲結(jié)構(gòu)

最新研究的單管變換拓撲結(jié)構(gòu)元件少、成本低，由頻率發(fā)生器、變壓器與電容組成LC諧振電路，在這個諧振電路中，變頻電源輸入較低電壓就可以得到較高的諧振電壓，適合大功率、升壓模式，非常適合驅(qū)動磁控管。單管變換拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單管變換拓撲結(jié)構(gòu)

微波加熱采用變頻器替代了高壓變壓器和高壓電容等，使電源轉(zhuǎn)換部分的損耗降低了，電源效率提升10%以上，微波能效提升5%以上。

2 基于固態(tài)源微波發(fā)生系統(tǒng)的研究

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，使用固態(tài)射頻微波功率源在高品質(zhì)微波加熱領(lǐng)域的應(yīng)用逐步興起?；诠虘B(tài)射頻微波功率源的解決方案的優(yōu)點是高效、可控，能夠控制微波能量到被加熱負載的過程。在固態(tài)源上加載閉環(huán)反饋控制技術(shù)，采用數(shù)字化控制頻率、相位、功率來精確控制被加熱負載所需的能量。磁控管和固態(tài)源的對比見表1。

表1 磁控管和固態(tài)源比較

考慮到磁控管的更換成本，從瀝青混合料微波加熱設(shè)備的整個生命周期來看，固態(tài)源方案的綜合成本更低。

固態(tài)源微波加熱系統(tǒng)由固態(tài)源、AC/DC電源、電纜、天線、散熱系統(tǒng)等組成。AC/DC電源將交流轉(zhuǎn)成直流給固態(tài)源HPA供電，固態(tài)源為微波能量發(fā)生裝置，通過電纜或者波導(dǎo)等能量傳輸裝置、天線將微波能量發(fā)出，用來加熱負載。散熱系統(tǒng)使固態(tài)源加熱系統(tǒng)在安全可靠的環(huán)境中工作。

固態(tài)源由信號發(fā)生器、衰減器、放大電路、檢測電路、環(huán)形器和控制電路組成，具有功率疊加、相位相干、小型集成化、便于散熱等優(yōu)點。

圖4 固態(tài)源頻譜波形

固態(tài)源信號發(fā)生器產(chǎn)生的單一頻譜如圖4所示，可以隨意控制其頻率、相位、功率。而磁控管產(chǎn)生一個不穩(wěn)定的寬帶(2 450±10)MHz波形，且無法控制，如圖5所示。

圖5 磁控管頻譜波形

瀝青路面微波加熱設(shè)備采用多源組合進行加熱，其中多源相控陣可以實現(xiàn)高效加熱關(guān)鍵技術(shù)，通過多固態(tài)源結(jié)合相控陣技術(shù)操控烹飪設(shè)備腔內(nèi)的波束，實現(xiàn)加熱墻的指向加熱作用；并結(jié)合人工智能算法和反饋控制技術(shù)，調(diào)整波束的指向，最終實現(xiàn)高效率、高均勻性的射頻加熱，如圖6所示。

圖6 射頻加熱

5G技術(shù)及新能源汽車的發(fā)展帶動固態(tài)功率半導(dǎo)體器件和電池的迅猛發(fā)展，成本隨之降低。未來微波加熱系統(tǒng)的發(fā)展方向是新能源和固態(tài)源的結(jié)合，如圖7、8所示。

圖7 220 V交流供電方案

圖8 直流電池流供電方案

圖7中瀝青混合料微波加熱設(shè)備通過車載大容量電池直接給固態(tài)源供電，省去了AC/DC轉(zhuǎn)換，使整車擁有更小的體積、更高的可靠性和比磁控管設(shè)備更低的綜合成本。同時，對比分析2.45 GHz和5.8 GHz加熱瀝青混合料，固態(tài)源更傾向于選擇5.8 GHz的頻率，以實現(xiàn)更高的加熱效率。

3 結(jié) 語

本文研究了磁控管和固態(tài)源2種高效微波發(fā)生系統(tǒng)，通過提高磁控管效率、頻率和應(yīng)用變頻電源，提升磁控管微波發(fā)生系統(tǒng)的加熱效率；研究了固態(tài)源微波加熱系統(tǒng)，提出了基于大功率蓄電池技術(shù)的5.8 GHz固態(tài)源移動設(shè)備解決方案，能夠以更低的綜合成本、更高的性能、更小的機載設(shè)備體積實現(xiàn)微波加熱瀝青混合料。基于新能源汽車大功率電池技術(shù)的發(fā)展，以及5G技術(shù)應(yīng)用對大功率固態(tài)源芯片發(fā)展的推動，5.8 GHz固態(tài)源更適合高效微波發(fā)生系統(tǒng)，值得進一步研究多源相控技術(shù)、定向加熱等，進而實現(xiàn)瀝青道路材料微波加熱設(shè)備的高效、智能，推進微波加熱技術(shù)在加熱瀝青混合料方面的普遍應(yīng)用。