做電力電子的不管是做通信電源、服務(wù)器電源、新能源逆變器還是車載充電機(jī)繞不開一個(gè)名字李澤元Fred C. Lee。在美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)他把一個(gè)當(dāng)初并不起眼的實(shí)驗(yàn)室做成了全球功率變換領(lǐng)域的地標(biāo)——從那里走出的博士、提出的架構(gòu)、驗(yàn)證過的設(shè)計(jì)方法論幾十年間滲進(jìn)了整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品里。我在這個(gè)領(lǐng)域摸爬滾打這些年讀過他的論文用過他學(xué)生寫的仿真工具也在產(chǎn)品方案里反復(fù)遇見他團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。說實(shí)話越是自己動(dòng)手做電源越能理解為什么行業(yè)里給他泰斗這個(gè)稱呼。他不是那種只寫論文、待在象牙塔里的教授。他最厲害的地方是把電力電子從搭電路、調(diào)參數(shù)、靠經(jīng)驗(yàn)的手藝活變成了可以系統(tǒng)化建模、分析、設(shè)計(jì)和復(fù)制的工程學(xué)科。這篇文章我想從從業(yè)者的視角拆一拆他到底解決了什么問題留下了哪些今天還在用的方法論以及我們這些做工程的人能從他身上學(xué)到什么。1. 先認(rèn)識(shí)這個(gè)人為什么他的分量這么重1.1 從一個(gè)留學(xué)博士到一個(gè)學(xué)科的組織者李澤元本科從臺(tái)灣成功大學(xué)畢業(yè)后赴美深造在杜克大學(xué)拿下博士學(xué)位隨后加入弗吉尼亞理工大學(xué)。放在當(dāng)時(shí)的美國(guó)高校里這只是又一個(gè)做功率器件的青年教師。但他很快做了一件改變格局的事1983年前后創(chuàng)辦了弗吉尼亞電力電子中心VPEC之后又牽頭組建了電力電子系統(tǒng)研究中心CPES把高校里散落的教授、博士生和產(chǎn)業(yè)需求擰成一股繩。這個(gè)動(dòng)作在當(dāng)年是很超前的。那時(shí)候大學(xué)實(shí)驗(yàn)室普遍做自由探索工業(yè)界要的是能用的東西兩邊經(jīng)常對(duì)不上話。李澤元做的事情本質(zhì)上是搭橋讓企業(yè)帶著真問題進(jìn)來讓博士生用真問題做論文讓研究成果直接變成工業(yè)界可以拿去做產(chǎn)品的方案。這種模式今天看稀松平常但在上世紀(jì)八十年代屬于開創(chuàng)性的玩法。后來全球不少高校模仿過這套體制真正能跑通的沒幾個(gè)原因在于它對(duì)組織者有兩個(gè)極高要求既要懂技術(shù)又得懂產(chǎn)業(yè)語言。1.2 貫穿幾十年的核心問題意識(shí)如果只用一個(gè)問題概括李澤元幾十年的研究主線我會(huì)選這句話怎么讓功率變換系統(tǒng)更小、更快、更高效。這個(gè)更小來自高頻化更快來自器件開關(guān)速度的提升更高效來自軟開關(guān)和拓?fù)鋭?chuàng)新。你有沒有發(fā)現(xiàn)今天所有電源產(chǎn)品——從手機(jī)快充頭到服務(wù)器DC-DC模塊——本質(zhì)上都在回答同一個(gè)問題這說明他早年選的方向恰好壓中了整個(gè)行業(yè)幾十年的發(fā)展規(guī)律。他還有個(gè)很關(guān)鍵的判斷電力電子不能只盯著器件和拓?fù)浔仨毎汛判栽⒎庋b、EMI、控制看成一個(gè)整體系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)觀影響極其深遠(yuǎn)。很多人以為搞電源就是選個(gè)好芯片、畫個(gè)原理圖實(shí)際做下去才發(fā)現(xiàn)高頻下的布線寄生、磁芯損耗、環(huán)路穩(wěn)定性任何一個(gè)環(huán)節(jié)都能讓方案翻車。李澤元團(tuán)隊(duì)很早就把這些問題納入研究所以他們做出來的東西在工程上特別能打。2. 技術(shù)貢獻(xiàn)拆解改變產(chǎn)業(yè)走向的幾個(gè)關(guān)鍵方向2.1 高頻化與軟開關(guān)從怕開關(guān)損耗到主動(dòng)利用諧振功率變換器有個(gè)最基本的矛盾開關(guān)頻率越高磁性元件可以做得越小但開關(guān)損耗會(huì)跟著漲效率反而掉下去。八十年代之前工程師普遍在20kHz到100kHz附近打轉(zhuǎn)高一點(diǎn)就焦慮因?yàn)橛查_關(guān)下的損耗和電磁干擾根本壓不住。李澤元團(tuán)隊(duì)做的關(guān)鍵貢獻(xiàn)之一是把軟開關(guān)技術(shù)做了系統(tǒng)化梳理和推廣。所謂軟開關(guān)就是讓開關(guān)管在電壓為零ZVS或電流為零ZCS的時(shí)刻完成導(dǎo)通和關(guān)斷讓開關(guān)損耗理論上趨近于零。這樣一來頻率可以大幅拉高變壓器和電感可以做得很小功率密度直接上一個(gè)臺(tái)階。你到今天看到的所有LLC電源、諧振變換器底層邏輯都是這條思路的延續(xù)。我自己的體會(huì)是很多人會(huì)把軟開關(guān)當(dāng)成一種具體電路其實(shí)它更像一種設(shè)計(jì)哲學(xué)與其對(duì)抗寄生參數(shù)不如利用寄生參數(shù)。李澤元團(tuán)隊(duì)早期研究里有大量工作是在分析寄生電容、寄生電感如何參與諧振把原本的壞事變成好事。這種思路對(duì)今天的GaN、SiC設(shè)計(jì)依然適用只是寄生參數(shù)因?yàn)殚_關(guān)速度更快而變得更隱蔽了。2.2 諧振變換器LLC背后那套系統(tǒng)化打法的源頭現(xiàn)在隨便打開一個(gè)服務(wù)器電源、LED驅(qū)動(dòng)電源或者車載OBC的方案書大概率能看到LLC變換器。LLC在工程上這么普及靠的是它能在寬范圍輸入下實(shí)現(xiàn)原邊ZVS和副邊ZCS效率高、EMI好控制。但很多人不知道讓諧振變換器從實(shí)驗(yàn)室概念變成工程師敢量產(chǎn)的恰恰是李澤元團(tuán)隊(duì)多年的系統(tǒng)化工作。他們做的不是提出一個(gè)電路這么簡(jiǎn)單而是給了三樣?xùn)|西完整的小信號(hào)模型、參數(shù)設(shè)計(jì)方法和大量可靠性驗(yàn)證。諧振變換器在數(shù)學(xué)上比PWM變換器復(fù)雜得多如果沒有一套清晰的設(shè)計(jì)流程工程師根本不敢量產(chǎn)——因?yàn)樽儔浩鞯膭?lì)磁電感、諧振電感、諧振電容三個(gè)參數(shù)互相耦合差一點(diǎn)就是另一條特性曲線。李澤元團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)在于把這個(gè)玄學(xué)變成了有公式、有步驟、有圖譜的工程設(shè)計(jì)規(guī)范。注意我見過太多人直接抄LLC參數(shù)但變壓器繞法不同結(jié)果ZVS范圍完全變了。原因是諧振參數(shù)只是表象變壓器漏感、分布電容才是實(shí)際參與諧振的隱藏變量。這正是李澤元團(tuán)隊(duì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)建模要包含寄生參數(shù)的原因。2.3 分布式電源體系供電架構(gòu)從集中到分布早年間電子系統(tǒng)的供電方式是一個(gè)大電源帶所有負(fù)載。問題很明顯一條母線走到底大電流在板上亂竄壓降大、噪聲差、效率低任何一個(gè)負(fù)載短路都可能拖垮全局。李澤元團(tuán)隊(duì)從上世紀(jì)九十年代起強(qiáng)力推動(dòng)了分布式供電系統(tǒng)DPS架構(gòu)把大而全的單點(diǎn)電源拆成前端AC-DC加上板上多個(gè)隔離或非隔離DC-DC模塊每一級(jí)各自優(yōu)化。這一點(diǎn)今天看會(huì)覺得理所當(dāng)然但在當(dāng)時(shí)是架構(gòu)級(jí)的變革。服務(wù)器主板、電信機(jī)柜、基站設(shè)備整個(gè)行業(yè)的供電架構(gòu)都沿著這個(gè)方向演進(jìn)。今天你看到的48V總線架構(gòu)、POL點(diǎn)負(fù)載電源、機(jī)架式電源都是分布式供電思想的自然延伸。做系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的人尤其要理解這段歷史很多架構(gòu)選擇不是誰拍腦袋定的而是學(xué)術(shù)界先論證清楚利弊產(chǎn)業(yè)界再用十年時(shí)間驗(yàn)證和普及。2.4 建模與控制小信號(hào)分析在電源行業(yè)祛魅李澤元團(tuán)隊(duì)在電力電子領(lǐng)域另一個(gè)隱性貢獻(xiàn)是把控制理論真正嫁接到電源設(shè)計(jì)里。上世紀(jì)八九十年代很多電源工程師做環(huán)路補(bǔ)償靠的是示波器經(jīng)驗(yàn)運(yùn)氣。李澤元團(tuán)隊(duì)帶頭把狀態(tài)空間平均法、小信號(hào)模型、頻域設(shè)計(jì)方法推廣到功率變換器設(shè)計(jì)中讓拉波特圖、算相位裕度成為電源工程師的基本功。別小看這件事。沒有這套方法論今天的高密度電源根本沒法設(shè)計(jì)——頻率越高、帶寬越緊環(huán)路越不能靠瞎試。我在做DC-DC模塊時(shí)深有體會(huì)一個(gè)相位裕度只有35度的環(huán)路動(dòng)態(tài)響應(yīng)看起來還行但批量生產(chǎn)時(shí)一顆電容ESR差異就能讓它振蕩。李澤元團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)的模型要對(duì)、裕度要夠、驗(yàn)證要閉環(huán)放在今天依然是電源設(shè)計(jì)的金標(biāo)準(zhǔn)。3. 產(chǎn)學(xué)研模式VPEC與CPES這兩個(gè)平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)3.1 為什么工業(yè)聯(lián)盟在美國(guó)高校能跑通VPEC和后來的CPES最大的特色是采用工業(yè)聯(lián)盟Industry Consortium模式企業(yè)交會(huì)費(fèi)、派工程師參與項(xiàng)目評(píng)審高校根據(jù)產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)組織研究每年召開評(píng)審會(huì)博士生直接向企業(yè)技術(shù)主管匯報(bào)進(jìn)展。這個(gè)模式能跑通核心在于雙方都拿到了真實(shí)收益——企業(yè)用相對(duì)低的成本獲得了前沿方案和人才預(yù)選渠道高校獲得了真實(shí)需求、研究經(jīng)費(fèi)和產(chǎn)業(yè)驗(yàn)證平臺(tái)。難的地方在于維護(hù)。企業(yè)的問題是今年就要用博士的問題是五年后才畢業(yè)中間的時(shí)間差怎么協(xié)調(diào)李澤元的做法是分層基礎(chǔ)研究解決五年后的問題應(yīng)用研究解決兩三年的問題每年的評(píng)審會(huì)上明確每個(gè)項(xiàng)目的成熟度。這樣企業(yè)能看到短期回報(bào)也愿意為長(zhǎng)期方向買單。這個(gè)分層機(jī)制直到今天許多產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)仍在沿用但很多做不好就是因?yàn)樵谄髽I(yè)要短期交付和學(xué)校要學(xué)術(shù)自由之間沒有設(shè)計(jì)好緩沖帶。3.2 專利、人才與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)鏈李澤元團(tuán)隊(duì)影響的不僅是論文數(shù)量更是一整條專利—論文—人才—標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)鏈。他們培養(yǎng)的博士生畢業(yè)后進(jìn)入各大電源公司、芯片公司把在VPEC/CPES學(xué)到的設(shè)計(jì)方法論帶到產(chǎn)品線里于是弗吉尼亞風(fēng)格的設(shè)計(jì)思路擴(kuò)散到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)。你去看很多國(guó)際大廠的電源應(yīng)用筆記字里行間都有那套建模和驗(yàn)證的影子。這件事給國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研的啟示挺直接的技術(shù)轉(zhuǎn)移不是簡(jiǎn)單簽個(gè)合同而是要靠人來搬。專利文件不會(huì)自己變成產(chǎn)品只有掌握方法的人進(jìn)入企業(yè)方法才算真正轉(zhuǎn)移。李澤元團(tuán)隊(duì)幾十年來往產(chǎn)業(yè)輸送了幾百名博士這才構(gòu)成了真正的產(chǎn)業(yè)影響力。理解這一點(diǎn)比記住他發(fā)過多少篇論文重要得多。4. 人才培養(yǎng)一條可復(fù)刻的工程師成長(zhǎng)路徑4.1 他的學(xué)生為什么能遍布全球我接觸過幾位從弗吉尼亞理工回國(guó)的電源工程師一個(gè)共同的印象是基本功極其扎實(shí)。他們?cè)诮M里被訓(xùn)練的不是會(huì)用某個(gè)芯片而是能從原理推導(dǎo)出為什么要這么設(shè)計(jì)。LLC為什么要這樣配參數(shù)、環(huán)路為什么要這樣補(bǔ)償、PCB為什么這么布局每一條都能講出道理。這種訓(xùn)練方式的底層邏輯是知識(shí)如果只是知道結(jié)論換個(gè)場(chǎng)景就失效了只有理解了結(jié)論怎么來的才能在新器件、新架構(gòu)出現(xiàn)時(shí)跟得上。李澤元團(tuán)隊(duì)的博士論文普遍偏重一個(gè)學(xué)生往往把一個(gè)方向從原理、建模、仿真到實(shí)驗(yàn)做完整閉環(huán)。這種訓(xùn)練周期長(zhǎng)、門檻高但對(duì)工程能力的塑造極其有效。4.2 今天的工程師能從他的訓(xùn)練方法里學(xué)什么如果你不是名校博士也能從這套方法里提煉出可實(shí)操的東西不要只抄電路要抄設(shè)計(jì)流程。拿到一個(gè)參考設(shè)計(jì)先問輸入范圍為什么這樣選增益曲線為什么這樣走環(huán)路帶寬為什么定在這個(gè)頻率把參考設(shè)計(jì)反向拆成需求再正向設(shè)計(jì)一遍比直接改參數(shù)高效得多。把仿真當(dāng)思想實(shí)驗(yàn)而不是結(jié)果驗(yàn)證。先用仿真觀察極端的寄生參數(shù)影響再回模型里找原因。李澤元團(tuán)隊(duì)的學(xué)生很早就習(xí)慣了這種循環(huán)——仿真不是畫張圖交差而是用來逼問自己對(duì)電路的理解。至少掌握一種數(shù)學(xué)建模工具。無論狀態(tài)空間平均、廣義狀態(tài)空間平均還是時(shí)域仿真里的數(shù)值方法能建模的人和不建模的人面對(duì)新拓?fù)鋾r(shí)的反應(yīng)速度完全不一樣。這些習(xí)慣看起來樸素但堅(jiān)持做下來三年五年后和身邊人的差距會(huì)非常明顯。5. 現(xiàn)代應(yīng)用中的李澤元痕跡新場(chǎng)景、老方法5.1 數(shù)據(jù)中心、車載充電、光伏儲(chǔ)能里的繼承今天電源行業(yè)最熱的方向數(shù)據(jù)中心48V供電、800V高壓電動(dòng)汽車的OBC和DC-DC、光伏逆變器和儲(chǔ)能PCS方案里到處都能找到李澤元團(tuán)隊(duì)當(dāng)年打下的底子。比如數(shù)據(jù)中心從12V轉(zhuǎn)向48V本質(zhì)上還是分布式供電思想的演進(jìn)——母線電壓抬高傳導(dǎo)損耗下降再通過高效率的DC-DC模塊降壓到負(fù)載點(diǎn)。又比如車載OBC里幾乎標(biāo)配的LLC級(jí)就是他在諧振變換器領(lǐng)域那套系統(tǒng)化方法的直接工業(yè)化。我自己做車載OBC項(xiàng)目時(shí)最深的感觸是新場(chǎng)景并沒有改變基本矛盾——功率密度、熱、EMI三個(gè)指標(biāo)依然互相打架。李澤元治學(xué)時(shí)的系統(tǒng)觀拓?fù)?、磁性、封裝、控制通盤考慮在新場(chǎng)景里反而更關(guān)鍵了因?yàn)镾iC/GaN讓開關(guān)速度進(jìn)入納秒級(jí)布局寄生、封裝電感、控制延時(shí)的耦合效應(yīng)變得空前嚴(yán)重。5.2 寬禁帶器件會(huì)取代他的理論嗎經(jīng)常有人問氮化鎵、碳化硅出來后老一代的方法論是不是過時(shí)了我的看法是器件變了基礎(chǔ)方法論不會(huì)變反而更依賴它。SiC和GaN把開關(guān)速度推到了極限但軟開關(guān)的價(jià)值沒有消失——零電壓開通在納秒級(jí)開關(guān)下反而更難做因?yàn)榧纳鷧?shù)窗口更窄。環(huán)路設(shè)計(jì)也因?yàn)閹捫枨蟾叨y小信號(hào)建模依然是唯一可靠的設(shè)計(jì)起點(diǎn)。磁集成、平面變壓器、矩陣變壓器這些李澤元團(tuán)隊(duì)研究過的方向在100MHz級(jí)別的GaN電源里不僅沒過時(shí)反而成了必須項(xiàng)。換句話說新器件把問題推向了更高維度但解決問題的框架還是當(dāng)年那套建模要精確、寄生要納入、系統(tǒng)要一體。6. 常見誤解與思考泰斗不是一天煉成的6.1 誤解一他的貢獻(xiàn)是某個(gè)具體電路有些人以為李澤元是靠發(fā)明了某個(gè)拓?fù)涑雒倪@其實(shí)低估了他。他的貢獻(xiàn)更像是產(chǎn)業(yè)科研制度設(shè)計(jì)方法論的組合體——既給了具體的技術(shù)方案更重要是給了行業(yè)一套怎么研究電力電子、怎么培育電力電子人才的范式。拓?fù)鋾?huì)過時(shí)器件會(huì)換代但問題要來自產(chǎn)業(yè)、方案要回到產(chǎn)業(yè)這個(gè)方法不會(huì)過時(shí)。6.2 對(duì)今天從業(yè)者的三條建議最后分享幾條我根據(jù)這些年觀察總結(jié)的實(shí)際體會(huì)算是對(duì)年輕電源工程師的建議先把LLC和反激的模型推導(dǎo)親手抄一遍別急著調(diào)仿真參數(shù)。抄完你才會(huì)懂為什么變壓器的勵(lì)磁電感要那樣取為什么死區(qū)時(shí)間要那樣設(shè)。養(yǎng)成先算后做的習(xí)慣。上電前把關(guān)鍵的應(yīng)力、損耗、環(huán)路裕度都估算過哪怕粗略也比直接盲調(diào)強(qiáng)十倍。李澤元團(tuán)隊(duì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)建模用意就在這里。有機(jī)會(huì)多讀他們團(tuán)隊(duì)的論文和博士論文尤其是早年那些基礎(chǔ)性的工作。你可能看不懂細(xì)節(jié)但會(huì)被那種把一個(gè)東西研究到根上的態(tài)度感染。在我自己動(dòng)手做高頻電源的這些年里最深刻的體會(huì)是這個(gè)行業(yè)不缺聰明人缺的是把基本原理吃透、再肯動(dòng)手驗(yàn)證的工程師。李澤元用幾十年時(shí)間證明了這條路走得通也替后來的從業(yè)者把路標(biāo)立好了。我們這些做工程的人與其去追逐一個(gè)又一個(gè)熱點(diǎn)拓?fù)洳蝗缦劝堰@套基本功練扎實(shí)。等到新器件、新架構(gòu)來的時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)那些看似老套的建模和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法其實(shí)是最能幫你穩(wěn)住陣腳的東西。