电子工程师谈从电子管到硅，从晶闸管到宽带隙

正如我们在2020年Electronica电力电子论坛上的演讲中所说的那样，电力行业的历史令人着迷，并且充满了令人惊叹的天才级工程师，他们正在使电源解决方案更高效，更轻便，更智能，甚至更多。尽管很难（即使不是不可能）全部列举，但他们都有一个共同点是“好奇心”。对于我们许多人来说，爱因斯坦（Albert Einstein）影响了我们的命运，我不加引用就不能提及他，这也是我自己的口头禅：“重要的是不要停止质疑。好奇的存在是有其原因的。” 这就是为什么电源设计人员在120多年来创造了奇迹并将继续突破“坚不可摧的极限”的原因。

探索的热情和好奇心

是什么促使一个年轻人决定学习电力电子学，取决于许多因素，但就个人而言，我可能受到了几个晶闸管发出的蓝光的影响[1]，当我在1974年上大学时，我参观了巴黎的“ Palais de la découverte”，并遇到了一位研究工程师，他在分享对电子产品的热情时向我解释了该技术将如何改变我们的未来。那真是令人着迷，几乎可以肯定，那天是我对发现的好奇心诞生了！

对于许多电力年轻工程师而言，“闸流管”一词可能暗示着恐龙仍在地球上行走的时期，但对于电力工业而言，这是时代和技术水平上的重要一步（图1）。

图1：1940年代海军通信系统中使用的19型电传打字机的Thyratron电源REC-30

我们还应该记住，在电力电子领域部署电子管的同时，发明家Julius Edgar Lilienfeld在1926年申请了今天称为场效应晶体管的原理的专利。在其专利“控制电流的方法和装置”中，他提出了一种使用硫化铜半导体材料的三电极结构。朱利叶斯·埃德加（Julius Edgar）的研究非常有趣，但与许多热情的研究工程师一样，他没有意识到发布和共享结果的重要性，这使他的发现成为研究界争论的焦点，因此对他自己的认可度很低。

在这一点上，值得一提的是，人们进行了大量的研究，以更小，更高效，更容易控制的东西来代替电子管。因此，只有拉塞尔·奥尔（Russell Ohl）才是有意义的，他在1930年尝试使用硅整流器作为雷达探测器。这项发现之后是光伏原理专利的申请（美国专利2,402,662），但是Ohl的发现奠定了成为晶体管的基础。

1947年，约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）对第一个半导体放大器进行了实验，他们于12月23日向贝尔实验室的固态物理学小组正式演示了该放大器。这次机密介绍之后，于1948年6月17日公开宣布专利申请（2,524,035），几周后在6月30日于纽约举行的新闻发布会上，电气工程师宣布了“晶体管”约翰·皮尔斯。我们都知道这个故事，并且看过《电子》杂志1948年9月版的封面。

从电子管到硅

晶体管的发明是一次真正的革命，并在五十年代初期在消费类设备中实现，例如晶体管收音机（1954年，美国的Regency TR-1； 1955年的日本索尼的TR-52）。锗晶体管已成为常态，电力电子工程师开始根据该技术开发电源解决方案。同时，科学计算机界对获得更快的机器的日益增长的需求推动了新一代基于硅的晶体管的发展。1961年7月，飞兆半导体发布了首款超过锗晶体管速度的NPN硅晶体管2N709。

硅基晶体管的推出加速了现代电力电子技术的发展，今天我们所称的“线性稳压”电源（AC / AC变压器，整流器，模拟稳压器级）取代了电子管。同时，争夺太空并载人登月的竞赛将需要更高的效率，更轻的重量和更小的尺寸，而这些需求推动了对新动力技术的研究。秘密地，NASA和军事工业基于“开关技术”开发了新一代电源。尽管当时是非常机密的，但后来有报道称该技术于1962年在Telstar卫星中使用。

谁推出了第一个商用开关电源尚有争议，但我们应该提到RO Associates，他在1967年推出了20Khz电源开关，其后是Robert Boschert，他在1970年对现代开关拓扑进行了研究。Boschert申请了多项专利，但最著名的两项专利是1977年授予的4,037,271和4,061,931。从那时起，开关电源拓扑结构的发展加速了，随着MOSFET半导体和PWM控制IC的推出，它成为了常态。 。

永无止境的好奇心是关键

由于电源用于从深海到深空的各种应用，因此电源设计人员面临许多挑战，其中有些似乎几乎是不可能的。法规和消费者对更小更轻的设备的需求对电源设计人员提出了更高的要求，以提高效率。在80年代，由于好奇心很高，电源设计师探索了高频开关谐振拓扑，最商业化的成功案例之一是Pacorzio Vinciarelli于1981年创立的Vicor。与此同时，硬开关社区也探索了一条新的道路，用功率MOSFET代替二极管。在许多会议上都发表了论文，例如PESC-1988，APEC-1989，但市场采用的主要设计师肯定是Siliconix Inc.的James Blanc，他热情与热情地推广了同步整流技术。

新的组件和拓扑使电源更加高效，Trey Burns，Chris Henze和其他人在70年代后期不懈地致力于开发电源数字控制方面开创了先河，直到2000年，电源设计人员和半导体制造商才终于打破了传统。新的“坚不可摧”的限制。“数字电源”诞生了，现在可以“逐位”控制电源的性能。

但是，电源设计师的好奇心很强，而且一直在不断增长，随着市场对更小部件和更高效率的需求，他们现在正忙于探索硅盒之外，研究具有更高性能水平的新材料，即所谓的宽带隙（WBG） ）半导体。在这方面，高压应用首先受益于碳化硅的使用，其次是氮化镓（图2）。

WBG的惊人之处在于该技术在商业应用中的迅速普及。早些时候，我提到了詹姆斯·布兰克（James Blanc），他多年来一直在推广使用同步整流。带着同样的热情，我现在应该提到Alex Lidow（高效功率转换），他大力主张采用GaN，从而使这项技术易于学习和实施。

图2：具有高级数字控制和GaN FET晶体管的PRBX多核自动调谐功率转换器

体积更小，速度更快，重量更轻，效率更高

每十年见证了在减少能耗，减轻重量，节省空间和降低价格方面的重大进步。结合所有这些，电源设计人员将更多的电源压缩到较小的空间中，例如，我们都看到了最新一代USB充电器的好处。年复一年，我们越来越接近神话般的99.99％的效率，这是天才级电源设计师好奇，永不停止提问的结果。

在本文的开头，我引用了爱因斯坦（Albert Einstein），因此以他结尾说：

“重要的是不要停止质疑。好奇的存在是有其原因的。当人们想到永恒，生命和奇妙的现实结构之谜时，人们会不由敬畏。如果一个人每天尝试只理解其中的一小部分就足够了。”

这就是电源设计师几个世纪以来所做的事情，也是促使所有使用者打破“坚不可摧的极限”的原因。

编辑：hfy