正如我們在2020年Electronica電力電子論壇上的演講中所說的那樣，電力行業的歷史令人著迷，并且充滿了令人驚嘆的天才級工程師，他們正在使電源解決方案更高效，更輕便，更智能，甚至更多。盡管很難（即使不是不可能）全部列舉，但他們都有一個共同點是“好奇心”。對于我們許多人來說，愛因斯坦（Albert Einstein）影響了我們的命運，我不加引用就不能提及他，這也是我自己的口頭禪：“重要的是不要停止質疑。好奇的存在是有其原因的。”這就是為什么電源設計人員在120多年來創造了奇跡并將繼續突破“堅不可摧的極限”的原因。

探索的熱情和好奇心

是什么促使一個年輕人決定學習電力電子學，取決于許多因素，但就個人而言，我可能受到了幾個晶閘管發出的藍光的影響[1]，當我在1974年上大學時，我參觀了巴黎的“ Palais de la découverte”，并遇到了一位研究工程師，他在分享對電子產品的熱情時向我解釋了該技術將如何改變我們的未來。那真是令人著迷，幾乎可以肯定，那天是我對發現的好奇心誕生了！

對于許多電力年輕工程師而言，“閘流管”一詞可能暗示著恐龍仍在地球上行走的時期，但對于電力工業而言，這是時代和技術水平上的重要一步（圖1）。

圖1：1940年代海軍通信系統中使用的19型電傳打字機的Thyratron電源REC-30

我們還應該記住，在電力電子領域部署電子管的同時，發明家Julius Edgar Lilienfeld在1926年申請了今天稱為場效應晶體管的原理的專利。在其專利“控制電流的方法和裝置”中，他提出了一種使用硫化銅半導體材料的三電極結構。朱利葉斯·埃德加（Julius Edgar）的研究非常有趣，但與許多熱情的研究工程師一樣，他沒有意識到發布和共享結果的重要性，這使他的發現成為研究界爭論的焦點，因此對他自己的認可度很低。

在這一點上，值得一提的是，人們進行了大量的研究，以更小，更高效，更容易控制的東西來代替電子管。因此，只有拉塞爾·奧爾（Russell Ohl）才是有意義的，他在1930年嘗試使用硅整流器作為雷達探測器。這項發現之后是光伏原理專利的申請（美國專利2,402,662），但是Ohl的發現奠定了成為晶體管的基礎。

1947年，約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）對第一個半導體放大器進行了實驗，他們于12月23日向貝爾實驗室的固態物理學小組正式演示了該放大器。這次機密介紹之后，于1948年6月17日公開宣布專利申請（2,524,035），幾周后在6月30日于紐約舉行的新聞發布會上，電氣工程師宣布了“晶體管”約翰·皮爾斯。我們都知道這個故事，并且看過《電子》雜志1948年9月版的封面。

從電子管到硅

晶體管的發明是一次真正的革命，并在五十年代初期在消費類設備中實現，例如晶體管收音機（1954年，美國的Regency TR-1； 1955年的日本索尼的TR-52）。鍺晶體管已成為常態，電力電子工程師開始根據該技術開發電源解決方案。同時，科學計算機界對獲得更快的機器的日益增長的需求推動了新一代基于硅的晶體管的發展。1961年7月，飛兆半導體發布了首款超過鍺晶體管速度的NPN硅晶體管2N709。

硅基晶體管的推出加速了現代電力電子技術的發展，今天我們所稱的“線性穩壓”電源（AC / AC變壓器，整流器，模擬穩壓器級）取代了電子管。同時，爭奪太空并載人登月的競賽將需要更高的效率，更輕的重量和更小的尺寸，而這些需求推動了對新動力技術的研究。秘密地，NASA和軍事工業基于“開關技術”開發了新一代電源。盡管當時是非常機密的，但后來有報道稱該技術于1962年在Telstar衛星中使用。

誰推出了第一個商用開關電源尚有爭議，但我們應該提到RO Associates，他在1967年推出了20Khz電源開關，其后是Robert Boschert，他在1970年對現代開關拓撲進行了研究。Boschert申請了多項專利，但最著名的兩項專利是1977年授予的4,037,271和4,061,931。從那時起，開關電源拓撲結構的發展加速了，隨著MOSFET半導體和PWM控制IC的推出，它成為了常態。 。

永無止境的好奇心是關鍵

由于電源用于從深海到深空的各種應用，因此電源設計人員面臨許多挑戰，其中有些似乎幾乎是不可能的。法規和消費者對更小更輕的設備的需求對電源設計人員提出了更高的要求，以提高效率。在80年代，由于好奇心很高，電源設計師探索了高頻開關諧振拓撲，最商業化的成功案例之一是Pacorzio Vinciarelli于1981年創立的Vicor。與此同時，硬開關社區也探索了一條新的道路，用功率MOSFET代替二極管。在許多會議上都發表了論文，例如PESC-1988，APEC-1989，但市場采用的主要設計師肯定是Siliconix Inc.的James Blanc，他熱情與熱情地推廣了同步整流技術。

新的組件和拓撲使電源更加高效，Trey Burns，Chris Henze和其他人在70年代后期不懈地致力于開發電源數字控制方面開創了先河，直到2000年，電源設計人員和半導體制造商才終于打破了傳統。新的“堅不可摧”的限制。“數字電源”誕生了，現在可以“逐位”控制電源的性能。

但是，電源設計師的好奇心很強，而且一直在不斷增長，隨著市場對更小部件和更高效率的需求，他們現在正忙于探索硅盒之外，研究具有更高性能水平的新材料，即所謂的寬帶隙（WBG） ）半導體。在這方面，高壓應用首先受益于碳化硅的使用，其次是氮化鎵（圖2）。

WBG的驚人之處在于該技術在商業應用中的迅速普及。早些時候，我提到了詹姆斯·布蘭克（James Blanc），他多年來一直在推廣使用同步整流。帶著同樣的熱情，我現在應該提到Alex Lidow（高效功率轉換），他大力主張采用GaN，從而使這項技術易于學習和實施。

圖2：具有高級數字控制和GaN FET晶體管的PRBX多核自動調諧功率轉換器

體積更小，速度更快，重量更輕，效率更高

每十年見證了在減少能耗，減輕重量，節省空間和降低價格方面的重大進步。結合所有這些，電源設計人員將更多的電源壓縮到較小的空間中，例如，我們都看到了最新一代USB充電器的好處。年復一年，我們越來越接近神話般的99.99％的效率，這是天才級電源設計師好奇，永不停止提問的結果。

在本文的開頭，我引用了愛因斯坦（Albert Einstein），因此以他結尾說：

“重要的是不要停止質疑。好奇的存在是有其原因的。當人們想到永恒，生命和奇妙的現實結構之謎時，人們會不由敬畏。如果一個人每天嘗試只理解其中的一小部分就足夠了。”

這就是電源設計師幾個世紀以來所做的事情，也是促使所有使用者打破“堅不可摧的極限”的原因。

編輯：hfy