CN115378378A - 半导体功率源和微波加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体功率源以及微波加热装置。半导体功率源包括射频锁相环，射频锁相环用于产生预设频率的发射信号；移相器，移相器用于调节发射信号的相位；可调衰减器，可调衰减器用于调节发射信号的幅度；E类放大器，E类放大器用于对发射信号进行功率放大。本半导体功率源采用E类放大器进行功率放大，提升了半导体功率源的工作效率，降低半导体功率源的能耗。

Description

半导体功率源和微波加热装置

技术领域

本发明涉及家用微波设备技术领域，特别涉及一种半导体功率源和微波加热装置。

背景技术

目前，微波加热设备可采用半导体功率源来产生微波对食物进行烹饪。

在相关技术中，半导体功率源通常采用AB类放大器实现功率放大。然而，AB类放大器理论效率仅约为75％，实际应用中，效率还会更低，这造成了功率的较大损耗。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种半导体功率源和微波加热装置。

本发明实施方式的半导体功率源包括：射频锁相环，所述射频锁相环用于产生预设频率的发射信号；

移相器，所述移相器用于调节所述发射信号的相位；

可调衰减器，所述可调衰减器用于调节所述发射信号的幅度；

E类放大器，所述E类放大器用于对所述发射信号进行功率放大。

在某些实施方式中，所述E类放大器包括电压输入端、电源模块、放大模块、滤波模块、第一谐振模块以及电压输出端，所述电压输入端、所述放大模块、所述滤波模块、所述第一谐振模块以及所述电压输出端依次相连，所述电源模块与所述放大模块连接。

在某些实施方式中，所述电源模块包括电源以及阻流电感，所述阻流电感的一端与所述电源的输出端连接，所述阻流电感的另一端与所述放大模块连接。

在某些实施方式中，所述放大模块包括MOS管，所述MOS管的源极与所述电压输入端连接，所述MOS管的漏极与所述电源模块连接，所述MOS管的栅极接地。

在某些实施方式中，所述滤波模块包括感抗电感以及对地电容，所述感抗电感的一端与所述放大模块连接，所述感抗电感的另一端与所述第一谐振模块连接，所述对地电容的一端与所述放大模块连接，所述对地电容的另一端接地。

在某些实施方式中，所述第一谐振模块包括第一电容以及第一电感，所述第一电容与所述第一电感串联，所述第一谐振模块的谐振频率与所述E类放大器的工作频率的基波相同。

在某些实施方式中，所述半导体功率源还包括第二谐振模块，所述第二谐振模块的一端与所述滤波模块的输出端连接，所述第二谐振模块的另一端接地，所述第二谐振模块的谐振频率与所述E类放大器的工作频率的二次谐波相同。

在某些实施方式中，所述第二谐振模块包括第二电容以及第二电感，所述第二电容与所述第二电感串联。

在某些实施方式中，所述半导体功率源还包括前级放大器，所述前级放大器的输入端与所述可调衰减器的输出端连接，所述前级放大器的输出端与所述E类放大器的输入端连接。

本发明还提供了一种微波加热装置，所述微波加热装置包括：腔体，上述任一实施方式的半导体功率源和天线，所述天线用于将放大后的所述发射信号馈入至所述腔体中。

本发明实施方式的半导体功率源和微波加热装置中，采用了E类放大器进行功率放大，由于E类放大器的效率高，因此，安装有E类放大器的半导体功率源也能够提高工作效率，降低能耗。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施方式的微波加热装置的模块示意图；

图2为本发明实施方式的E类放大器的模块示意图；

图3为本发明实施方式的E类放大器的电路图；

图4为本发明实施方式的E类放大器的另一模块示意图；

图5为本发明实施方式的E类放大器的另一电路图；

图6为本发明实施方式的微波加热装置的另一模块示意图；

主要特征附图标记：

半导体功率源100；

射频锁相环10、移相器20、可调衰减器30、E类放大器40、电压输入端41、电源模块42、电源421、阻流电感422、放大模块43、MOS管431、滤波模块44、感抗电感441、对地电容442、第一谐振模块45、第一电容451、第一电感452、电压输出端46、第二谐振模块50、第二电容51、第二电感52、前级放大器60、前向耦合器71、前向检测器72、处理器80、后向耦合器91、后向检测器92；

微波加热装置1000、天线200、腔体300。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的实施方式在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的实施方式中的具体含义。

请参阅图1，本发明实施方式的一种半导体功率源100，包括射频锁相环10、移相器20、可调衰减器30以及E类放大器40。射频锁相环10用于产生预设频率的发射信号。移相器20用于调节发射信号的相位。可调衰减器30用于调节发射信号的幅度。E类放大器40用于对发射信号进行功率放大。

本发明实施方式的半导体功率源100中，采用了E类放大器40进行功率放大，由于E类放大器40的效率高，因此，安装有E类放大器40的半导体功率源100也能够提高工作效率，降低能耗。

具体地，射频锁相环10是一种反馈控制电路，其可以根据接收到的信号控制环路内部震荡信号的频率。该信号可以是用户手动输入的控制信号，也可以是半导体功率源100的其他组件输出的控制信号，在此不做具体限制。优选的，射频锁相环10受半导体功率源100的其他组件输出的控制信号控制环路内部震荡信号的频率，以便于本半导体功率源100形成闭环。

移相器20是能够对信号的相位进行调整的装置，该移相器20的种类有很多种，其可以为机械移相器、模拟移相器、数字移相器等，该移相器20能够按需调节发射信号的相位即可，在此不做具体限定。

可调衰减器30是调节发射信号幅度的电子元器件，该可调衰减器30的种类有很多种，其可以为吸收式衰减器、截止式衰减器、电调式衰减器等，该可调衰减器30能够按需调节发射信号幅度即可，在此不做具体限定。

E类放大器40是一类放大器，其广泛应用于射频、DC/AC变换、无线能量传输等诸多领域，E类放大器40具有效率高、电路简单的优点。E类放大器40具有导通以及断开两种状态，当E类放大器40处于导通状态时，电流流过开关，两端电压为零，开关的功耗为开关的电流与电压的乘积，即开关的功耗为零；当E类放大器40处于断开状态时，开关两端的电压不为零，但流过开关的电流为零，此时开关的功耗仍然为零，E类放大器40两端的电流不为零的情况以及E类放大器40两端的电压不为零的情况在时域上不重叠，因此，E类放大器40理论效率能够达到100％。

在本实施方式中，射频锁相环10的输出端与移相器20的输入端连接，即射频锁相环10产生的预设频率的发射信号传输至移相器20，移相器20调节该发射信号的相位；移相器20的输出端与可调衰减器30的输入端连接，即移相器20调节后的发射信号传输至可调衰减器30，可调衰减器30调节发射信号的幅度；可调衰减器30的输出端与E类放大器40的输入端连接，即可调衰减器30调节幅度后的发射信号传输至E类放大器40内，E类放大器40对发射信号进行功率放大，从而得到所需频率、相位以及幅度的发射信号。

可以理解的是，在其它实施方式中，移相器20与可调衰减器30的连接顺序可以交换，此时，射频锁相环10的输出端与可调衰减器30的输入端连接，可调衰减器30的输出端与移相器20的输入端连接，移相器20的输出端与E类放大器40的输入端连接，即射频锁相环10产生预设频率的发射信号后，先通过可调衰减器30进行幅度调节，再通过移相器20进行相位调节，最后由E类放大器40对发射信号进行功率放大。

值得说明的是，半导体功率源100还可以包括前向耦合器71、前向检测器72以及处理器80，该前向耦合器71采集发射信号的一部分输出能量，前向耦合器71采集到的发射信号的输出能量传输给前向检测器72，前向检测器72将输出能量转换为检测信号反馈至处理器80，例如转换为电压信号传输至处理器80。处理器80处理检测信号并判断输出能量是否高于或低于规定值，根据判断结果输出控制信号，该处理器80可以与射频锁相环10连接，以将控制信号输入至射频锁相环10，使得射频锁相环10能够根据控制信号调整环路内部震荡信号的频率。当然，该处理器80也可以与移相器20连接，使得移相器20能够根据控制信号调节发射信号的相位，该处理器80还可以与可调衰减器30连接，使得可调衰减器30能够根据控制信号调节发射信号的幅度。

进一步的，半导体功率源100还可以包括后向耦合器91以及后向检测器92，该后向耦合器91采集发射信号的一部分反射能量，后向耦合器91采集到的发射信号的反射能量传输给后向检测器92，后向检测器92将反射能量转换为检测信号反馈至处理器80。处理器80处理检测信号并判断反射能量是否高于或低于规定值，根据反射能量的判断结果以及上述输出能量值的判断结果，输出控制信号。当然，处理器80可以仅与射频锁相环10连接，处理器80还可以同时与射频锁相环10、移相器20以及可调衰减器30连接，其根据调整需要决定，在此不做具体限制。优选的，处理器80同时与射频锁相环10、移相器20以及可调衰减器30连接，如此设置，使得射频锁相环10、移相器20以及可调衰减器30皆可以接收到控制信号并根据控制信号做出相应的调整，如此设置可以实现更加有效的调整。

在相关技术中，半导体功率源采用AB类放大器来放大发射信号，然而，AB类放大器的理论效率仅为约75％，在实际应用中，再考虑到PCB布局布线、电源分布等现实因素，其效率会更低。为了既达到功率放大的目的，又增加功率放大的效率，有必要对半导体功率源进行改善。

本发明实施方式的半导体功率源100采用E类放大器40，通过射频锁相环10产生预设频率的发射信号，再通过移相器20调节发射信号的相位以及通过可调衰减器30调节发射信号的幅度，最后通过E类放大器40实现发射信号的功率放大，E类放大器40功耗低、效率高，使得安装有E类放大器40的本半导体功率源100也能够提高工作效率，降低能耗。

具体的，请参阅图2，在某些实施方式中，E类放大器40包括电压输入端41、电源模块42、放大模块43、滤波模块44、第一谐振模块45以及电压输出端46，电压输入端41、放大模块43、滤波模块44、第一谐振模块45以及电压输出端46依次相连，电源模块42与放大模块43连接。该电压输入端41与移相器20的输出端或可调衰减器30的输出端连接，以接受移相器20或可调衰减器30输出的发射信号。该电源模块42用于为E类放大器40供能，可包括电源以及其他组件，在此不做具体赘述。该放大模块43用于实现E类放大器40的放大功能，可包括MOS管，也可以包括MOS管、电容等组件，该放大模块43能够实现E类放大器40的放大功能即可，其具体结构在此不做具体赘述。该滤波模块44用于过滤杂波，其可以由电容构成，也可以由电感构成，还可以由电感、电容等组件共同构成，其根据过滤需要调整，在此不做具体限定。该第一谐振模块45接收从滤波模块44过滤后的发射信号，其用于对发射信号进行相位或者频率的调制，该第一谐振模块45可以是RLC串联电路，也可以是LC串联电路，其具体结构在此不做具体限定。电压输出端46用于输出放大后的发射信号。

如此设置，电压输入端41将发射信号输入至E类放大器40，发射信号由电压输入端41进入放大模块43进行功率放大，放大后的发射信号进入滤波模块44滤去杂波，滤去杂波的发射信号进入第一谐振模块45进行相位或者频率的调制，最终发射信号在电压输出端46输出。

在某些实施方式中，请参阅图2和图3，电源模块42包括电源421以及阻流电感422，阻流电感422的一端与电源421的输出端连接，阻流电感422的另一端与放大模块43连接。该阻流电感422用于允许直流通过，而阻止射频电流传出，以提供给E类放大器40相对稳定的电流并为E类放大器40供能，理想状态下感抗无穷大。

如此设置，电源421输出电流经过阻流电感422，该阻流电感422滤去射频电流，使得E类放大器40能够获得相对稳定的电流，减少E类放大器40因电流不稳定而造成的损耗。电源421的参数及阻流电感422的参数可根据需求来设定，在此不作具体限定。

在某些实施方式中，请参阅图2和图3，放大模块43包括MOS管431，MOS管431的源极与电压输入端41连接，MOS管431的漏极与电源模块42连接，MOS管431的栅极接地。MOS管431是金属-氧化物-半导体场效应晶体管，亦称为金属-绝缘体-半导体，由于MOS管431体积较小且较为省电，已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。MOS管431具有栅极、漏极以及源极，在栅极和源极之间电压大于某一阈值时，漏极和源极之间就导通，因而其还可以起到电子开关的作用。值得说明的是，该阈值根据不同需要调整，本实施方式中，发射信号的电压值大于MOS管431的阈值设置。

如此设置，电压输入端41将发射信号输入至MOS管431的源极，使得MOS管431的源极与漏极导通，此时MOS管431起到了开关的作用，导通后的MOS管431对发射信号进行发大，以实现功率放大的功能。MOS管431的参数可根据需求来设定，在此不做具体限定。

在某些实施方式中，请参阅图2和图3，滤波模块44包括感抗电感441以及对地电容442，感抗电感441的一端与放大模块43连接，感抗电感441的另一端与第一谐振模块45连接，对地电容442的一端与放大模块43连接，对地电容442的另一端接地。该对地电容442用于调整E类放大器40的波形，使得E类放大器40能够在较为理想的状态工作，该感抗电感441用于为E类放大器40提供一定感抗，以使得功率因数为1。

如此设置，发射信号由放大模块43传入滤波模块44，对地电容442具有通交流阻直流以及通高频阻低频的特点，使得对地电容442能够调整E类放大器40的波形，感抗电感441为E类放大器40提供一定感抗，也进一步调整发射信号的波形，达到滤去杂波的效果。感抗电感441的参数以及对地电容442的参数可根据需求来设定，在此不作具体限定。

在某些实施方式中，请参阅图2和图3，第一谐振模块45包括第一电容451以及第一电感452，第一电容451与第一电感452串联，第一谐振模块45的谐振频率与E类放大器40的工作频率的基波相同。如此设置，对于E类放大器40的工作频率的基波，该第一谐振模块45近似于导线，对于E类放大器40的工作频率的基波呈低阻抗，而对E类放大器40的工作频率的二次谐波、E类放大器40的工作频率的三次谐波等呈高阻抗，有效的对发射信号进行相位或者频率的调制。第一电容451的参数以及第一电感452的参数可根据需求来设定，在此不做具体限定。

在某些实施方式中，请参阅图4，半导体功率源100还包括第二谐振模块50，第二谐振模块50的一端与滤波模块44的输出端连接，第二谐振模块50的另一端接地，第二谐振模块50的谐振频率与E类放大器40的工作频率的二次谐波相同。该第二谐振模块50可以包括RLC串联电路，该第二谐振模块50也可以包括LC串联电路，其结构有很多，在此不做具体限制。

第二谐振模块50的谐振频率与E类放大器40的工作频率的二次谐波相同，使得第二谐振模块50对于E类放大器40的工作频率的二次谐波呈低阻抗，E类放大器40的工作频率的二次谐波通过该第二谐振模块50接地，使得E类放大器40的二次谐波被滤除。通常地，E类放大器40的MOS管431的电压峰值很高，考虑到MOS管431的漏极和源极之间非线性寄生电容，其电压峰值会更高，而MOS管431电压峰值过高会使得MOS管431的失效率很高，因而降低MOS管431的电压峰值非常重要。因而如此设置，第二谐振模块50能够有效降低放大模块43两端电压峰值，降低放大模块43的损耗。

可以理解的是，在其它实施方式中，为了将E类放大器40的工作频率的二次谐波滤除，第二谐振模块50也可以一端与第一谐振模块45的输出端连接，第二谐振模块50的另一端接地；当然，第二谐振模块50还可以一端与放大模块43的输出端连接，第二谐振模块50的另一端接地。具体的，在某些实施方式中，请参图5，第二谐振模块50包括第二电容51以及第二电感52，第二电容51与第二电感52串联。

在某些实施方式中，请参阅图6，半导体功率源100还包括前级放大器60，前级放大器60的输入端与可调衰减器30的输出端连接，前级放大器60的输出端与E类放大器40的输入端连接。

在本实施方式中，前级放大器60包括预推动级以及推动级，该预推动级、推动级以及E类放大器40共同形成三级放大，放大效果较好。前级放大器60可以包括AB类放大器，也可以包括多个AB类放大器构成，还可以由A类放大器构成，其结构有很多种，能够起到推动作用即可，在此不做具体限制。如此设置，前级放大器60可以对E类放大器40起到推动作用，以便于E类放大器40起到更好的放大效果。E类放大器40可作为末级放大器。

本发明还提供了一种微波加热装置1000，微波加热装置1000可以包括微波炉、微波烤箱、微波饭煲等微波加热装置1000。请参阅图1，该微波加热装置1000包括腔体300、半导体功率源100、天线200。

腔体300用于放置食物，腔体形状有很多种，可以呈正方体、圆球、不规则图形等，在此就不一一列举了。腔体300可以是金属腔体，或陶瓷腔体等。馈入腔体300内的微波能够对食物进行加热。

半导体功率源100可以上述任一实施方式的半导体功率源100。该半导体功率源100的数量包括单个、两个或多于两个，其具体数量根据需要调整，在此不做具体限制。

天线200用于将放大后的发射信号馈入至腔体300中。

具体的，射频锁相环10产生预设频率的发射信号，发射信号传输至移相器20并由移相器20调节其相位，发射信号传输至可调衰减器30并由可调衰减器30调节其幅度，利用E类放大器40对发射信号进行功率放大，如此，半导体功率源100发射预设频率、幅度、相位的信号到天线200，天线200设置在腔体300，天线200将发射信号转换为微波信号并输出至腔体300中，对腔体300中的物体进行微波加热。

在某些实施方式中，微波加热装置1000包括输入组件，输入组件可以包括按键、旋钮开关、麦克风和触摸显示屏中的至少一种，在微波加热装置1000处于开机的情况下，可通过输入组件设定不同频率和功率，以控制固态源输出微波信号。

在某些实施方式中，微波加热装置1000可以包括通信组件，该通信组件可利用蓝牙、红外、WiFi、移动通信网络、数据线等方式与终端进行有线或无线通信，在微波加热装置1000处于开机的情况下，可通过终端设定频率和功率，通信组件接手终端发送的指令，微波加热装置1000根据指令控制半导体功率源100工作，终端包括但不限于手机、平板电脑、可穿戴智能设备、个人计算机、服务器和其他家用电器等。

在某些实施方式中，微波加热装置1000包括安装半导体功率源100的基板，该基板采用铜、银等导热性能较好的材料制成，加快半导体功率源100的散热，降低半导体功率源100的散热成本。优选的，该基板上还可以设有导热通孔，该导热通孔将半导体功率源100与外界环境连通，有效提高了半导体功率源的散热效率。

可以理解的是，半导体功率源100也可以应用在其他微波装置中，例如微波测量装置、微波干燥装置、微波烧结装置等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种半导体功率源，其特征在于，所述半导体功率源包括：

射频锁相环，所述射频锁相环用于产生预设频率的发射信号；

移相器，所述移相器用于调节所述发射信号的相位；

可调衰减器，所述可调衰减器用于调节所述发射信号的幅度；

E类放大器，所述E类放大器用于对所述发射信号进行功率放大。

2.根据权利要求1所述的半导体功率源，其特征在于，所述E类放大器包括电压输入端、电源模块、放大模块、滤波模块、第一谐振模块以及电压输出端，所述电压输入端、所述放大模块、所述滤波模块、所述第一谐振模块以及所述电压输出端依次相连，所述电源模块与所述放大模块连接。

3.根据权利要求2所述的半导体功率源，其特征在于，所述电源模块包括电源以及阻流电感，所述阻流电感的一端与所述电源的输出端连接，所述阻流电感的另一端与所述放大模块连接。

4.根据权利要求2所述的半导体功率源，其特征在于，所述放大模块包括MOS管，所述MOS管的源极与所述电压输入端连接，所述MOS管的漏极与所述电源模块连接，所述MOS管的栅极接地。

5.根据权利要求2所述的半导体功率源，其特征在于，所述滤波模块包括感抗电感以及对地电容，所述感抗电感的一端与所述放大模块连接，所述感抗电感的另一端与所述第一谐振模块连接，所述对地电容的一端与所述放大模块连接，所述对地电容的另一端接地。

6.根据权利要求2所述的半导体功率源，其特征在于，所述第一谐振模块包括第一电容以及第一电感，所述第一电容与所述第一电感串联，所述第一谐振模块的谐振频率与所述E类放大器的工作频率的基波相同。

7.根据权利要求2所述的半导体功率源，其特征在于，所述半导体功率源还包括第二谐振模块，所述第二谐振模块的一端与所述滤波模块的输出端连接，所述第二谐振模块的另一端接地，所述第二谐振模块的谐振频率与所述E类放大器的工作频率的二次谐波相同。

8.根据权利要求7所述的半导体功率源，其特征在于，所述第二谐振模块包括第二电容以及第二电感，所述第二电容与所述第二电感串联。

9.根据权利要求1所述的半导体功率源，其特征在于，所述半导体功率源还包括前级放大器，所述前级放大器的输入端与所述可调衰减器的输出端连接，所述前级放大器的输出端与所述E类放大器的输入端连接。

10.一种微波加热装置，其特征在于，所述微波加热装置包括：

腔体；

权利要求1-9任一项所述的半导体功率源；

天线，所述天线用于将放大后的所述发射信号馈入至所述腔体中。

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