電子工程師談從電子管到硅，從晶閘管到寬帶隙

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(yè)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(gè)共同點(diǎn)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(yùn)，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(zhì)疑。好奇的存在是有其原因的?！边@就是為什么電源設(shè)計(jì)人員在120多年來創(chuàng)造了奇跡并將繼續(xù)突破“堅(jiān)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(gè)年輕人決定學(xué)習(xí)電力電子學(xué)，取決于許多因素，但就個(gè)人而言，我可能受到了幾個(gè)晶閘管發(fā)出的藍(lán)光的影響[1]，當(dāng)我在1974年上大學(xué)時(shí)，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(chǎn)品的熱情時(shí)向我解釋了該技術(shù)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(fā)現(xiàn)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(shí)期，但對于電力工業(yè)而言，這是時(shí)代和技術(shù)水平上的重要一步（圖1）。

圖1：1940年代海軍通信系統(tǒng)中使用的19型電傳打字機(jī)的Thyratron電源REC-30

我們還應(yīng)該記住，在電力電子領(lǐng)域部署電子管的同時(shí)，發(fā)明家Julius Edgar Lilienfeld在1926年申請了今天稱為場效應(yīng)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(dǎo)體材料的三電極結(jié)構(gòu)。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(fā)布和共享結(jié)果的重要性，這使他的發(fā)現(xiàn)成為研究界爭論的焦點(diǎn)，因此對他自己的認(rèn)可度很低。

在這一點(diǎn)上，值得一提的是，人們進(jìn)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(dá)探測器。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)之后是光伏原理專利的申請（美國專利2,402,662），但是Ohl的發(fā)現(xiàn)奠定了成為晶體管的基礎(chǔ)。

1947年，約翰·巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）對第一個(gè)半導(dǎo)體放大器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們于12月23日向貝爾實(shí)驗(yàn)室的固態(tài)物理學(xué)小組正式演示了該放大器。這次機(jī)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(fā)布會(huì)上，電氣工程師宣布了“晶體管”約翰·皮爾斯。我們都知道這個(gè)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(fā)明是一次真正的革命，并在五十年代初期在消費(fèi)類設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，例如晶體管收音機(jī)（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(tài)，電力電子工程師開始根據(jù)該技術(shù)開發(fā)電源解決方案。同時(shí)，科學(xué)計(jì)算機(jī)界對獲得更快的機(jī)器的日益增長的需求推動(dòng)了新一代基于硅的晶體管的發(fā)展。1961年7月，飛兆半導(dǎo)體發(fā)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(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，今天我們所稱的“線性穩(wěn)壓”電源（AC / AC變壓器，整流器，模擬穩(wěn)壓器級）取代了電子管。同時(shí)，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(dòng)了對新動(dòng)力技術(shù)的研究。秘密地，NASA和軍事工業(yè)基于“開關(guān)技術(shù)”開發(fā)了新一代電源。盡管當(dāng)時(shí)是非常機(jī)密的，但后來有報(bào)道稱該技術(shù)于1962年在Telstar衛(wèi)星中使用。

誰推出了第一個(gè)商用開關(guān)電源尚有爭議，但我們應(yīng)該提到RO Associates，他在1967年推出了20Khz電源開關(guān)，其后是Robert Boschert，他在1970年對現(xiàn)代開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了研究。Boschert申請了多項(xiàng)專利，但最著名的兩項(xiàng)專利是1977年授予的4,037,271和4,061,931。從那時(shí)起，開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展加速了，隨著MOSFET半導(dǎo)體和PWM控制IC的推出，它成為了常態(tài)。 。

永無止境的好奇心是關(guān)鍵

由于電源用于從深海到深空的各種應(yīng)用，因此電源設(shè)計(jì)人員面臨許多挑戰(zhàn)，其中有些似乎幾乎是不可能的。法規(guī)和消費(fèi)者對更小更輕的設(shè)備的需求對電源設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師探索了高頻開關(guān)諧振拓?fù)洌钌虡I(yè)化的成功案例之一是Pacorzio Vinciarelli于1981年創(chuàng)立的Vicor。與此同時(shí)，硬開關(guān)社區(qū)也探索了一條新的道路，用功率MOSFET代替二極管。在許多會(huì)議上都發(fā)表了論文，例如PESC-1988，APEC-1989，但市場采用的主要設(shè)計(jì)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(shù)。

新的組件和拓?fù)涫闺娫锤痈咝?，Trey Burns，Chris Henze和其他人在70年代后期不懈地致力于開發(fā)電源數(shù)字控制方面開創(chuàng)了先河，直到2000年，電源設(shè)計(jì)人員和半導(dǎo)體制造商才終于打破了傳統(tǒng)。新的“堅(jiān)不可摧”的限制?！?a href="http://wenjunhu.com/tags/數(shù)字電源/" target="_blank">數(shù)字電源”誕生了，現(xiàn)在可以“逐位”控制電源的性能。

但是，電源設(shè)計(jì)師的好奇心很強(qiáng)，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(xiàn)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(dǎo)體。在這方面，高壓應(yīng)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(shù)在商業(yè)應(yīng)用中的迅速普及。早些時(shí)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(xiàn)在應(yīng)該提到Alex Lidow（高效功率轉(zhuǎn)換），他大力主張采用GaN，從而使這項(xiàng)技術(shù)易于學(xué)習(xí)和實(shí)施。

圖2：具有高級數(shù)字控制和GaN FET晶體管的PRBX多核自動(dòng)調(diào)諧功率轉(zhuǎn)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(jié)省空間和降低價(jià)格方面的重大進(jìn)步。結(jié)合所有這些，電源設(shè)計(jì)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(fù)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(shè)計(jì)師好奇，永不停止提問的結(jié)果。

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

“重要的是不要停止質(zhì)疑。好奇的存在是有其原因的。當(dāng)人們想到永恒，生命和奇妙的現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)之謎時(shí)，人們會(huì)不由敬畏。如果一個(gè)人每天嘗試只理解其中的一小部分就足夠了?！?/p>

這就是電源設(shè)計(jì)師幾個(gè)世紀(jì)以來所做的事情，也是促使所有使用者打破“堅(jiān)不可摧的極限”的原因。

編輯：hfy