IEEE专访Vicor传奇CEO Patrizio Vinciarelli

几个月之前，Vicor CEO Patrizio Vinciarelli获得了2019年IEEE William E.Newell电力电子奖，该奖项旨在奖励为分布式电源系统应用开发提供高效率，高功率密度的电源转换技术。

为此，IEEE电力电子杂志（IEEE Power Electronics Magazine）专访了Patrizio Vinciarelli，就其传奇的经历与Vicor和电力电子技术的发展史做了一些阐述。以下是文章详情。

Vinciarelli是一位有着丰富教学经验与产业实践的物理学家，三十多年来一直是电力电子领域的领导者（图1）。从零电流，零电压开关技术到更高效的配电和集成封装以及更高效的产品，Vinciarelli所领导的Vicor不断提高电力系统设计和制造的标准，将电力电子技术推向新的高度。自1981年成立以来每十年就会给公司带来巨大革新，凭借其独特的商业模式和战略，该公司已成功发展了30多年。如今，它拥有1,000名员工，净收入超过3亿美元。该公司提供广泛且高效、高密度电源模块产品组合，可满足各种高性能应用的需求，使客户能够高效地转换和管理从墙上插头到负载点（POL）的电源。

图 1 Vicor创始人兼首席执行官Patrizio Vinciarelli博士

新方向

在进军电力电子领域之前，Vinciarelli是新泽西州普林斯顿高级研究所的研究员，也是普林斯顿大学的讲师。在普林斯顿之前，他曾在斯坦福线性加速器中心和欧洲核研究中心工作。 1970年，他在意大利罗马大学获得物理学博士学位后，在理论物理学方面进行了近10年的研究，他发现在他所处的物理学领域进展缓慢，所以便去寻求新的挑战。

当他还在从事物理领域工作时，某一天在家里播放古典音乐，突然立体声系统崩溃了，当他打开功放检查时，发现是电源系统发生了故障，也正因此，他走向了电力电子的新市场。“意想不到的事件会激励人们走向新的方向，这就是发生在我身上的事情。”他说道。

1981年，Vicor公司成立，但Vicor不只是一家电源制造商，Vinciarelli通过基础创新实现变革，把半导体技术引入到电力能源行业中。

以往，电源是定制组件，具有很小的灵活性或可扩展性，效率低，功率密度低。因此，他决定开发一种模块化电源系统方法，并为电力系统创建高密度的电源模块，这些模块可以通过性能的数量级改进实现轻松的扩展。Vinciarelli解释说Vicor的重点是从墙上插头到负载点的完整模块化解决方案：“它与当时电源公司的电源模块完全不同。”

对行业的贡献

在20世纪80年代早期，电源的开关频率低于100 kHz。Vicor决定采用其专利的零电流零电压开关技术将频率提升至1 MHz。

最终的设计成果是一个75 W DC-DC砖式电源，工作频率为1 MHz，效率为80％，功率密度为25 W/立方英寸（图2）。虽然按今天的标准来说这个性能很低，但它远远超过了1984年同期产品。35年后，Vicor提供的产品效率已高达98％和密度为3,000 W /立方英寸的产品。

最近Vicor的新品是一个三相交流-直流转换器模块（图3），能够在1.5厘米的薄型功率平板电脑中提供10千瓦的稳压48伏直流电。为了实现三相10kW交流-直流模块的这种性能水平，该转换器结合了功率转换拓扑，控制架构和高级专用集成电路（ASIC）和封装技术的创新。

图2，Vicor第一款产品。一个兆赫兹开关频率的75W dc-dc转换器模块，最低效率为80％，功率密度为25 W/立方英寸，它于1984年推出。


图3，三相AC-DC转换器模块，能够以平板电脑大小模块提供10 kW的稳压48 Vdc。

在开创零电流和零电压开关拓扑之后，Vinciarelli继续开发分比功率架构FPA（Factorized Power Architecture），作为中间母线架构IBA（Intermediate Bus Architecture）的替代方案，该架构旨在为最先进的处理器，ASIC和内存供电。与IBA不同，FPA无需通过串联电感从中间总线电压降至POL负载。“FPA使用电流增益为48：1或更高的电流倍增器模块，以提供更高的效率，更小的尺寸，更快的响应，高达1000A甚至更高电流的可扩展性。”Vinciarelli解释说。

除了开发用于实施FPA的电源转换模块之外，Vicor还开发了自己的控制ASIC，并将其应用在先进的封装中，以创建业界领先的产品，例如转换器级封装（ChiP）模块。 ChiP模块的功率密度为3 kW / 立方英寸，峰值效率高达98％。根据Vinciarelli的说法，ChiP技术可以让电源类产品也能获得类似晶圆级封装的能力，这得益于Vicor领先的电源管理专业知识和世界一流的制造能力。

随着人工智能（AI），机器学习和数据挖掘等高性能应用的不断增长的需求，POL的CPU和GPU在需要更高的电流和功耗。传统的多相转换器和IBA无法满足高性能处理器所需的更高电流要求。Vicor采用FPA架构和模块化电流倍增器，以及新型电源级封装技术，可实现48 V直接转换为处理器电压，具有前所未有的效率和带宽。功率密度是使用传统IBA架构的同类产品的两倍多（图4）。

图4，Vicor的power-on-package图表，正在重新定义用于要求苛刻的高性能计算应用的POL规则。

批量制造和扩张

自20世纪80年代后期以来，Vicor一直致力于自动化制造，其世界一流的制造工厂位于马萨诸塞州的安多弗，公司总部同样位于马萨诸塞州。Vicor产品质量和可靠性对其成功至关重要，并在公司的设计和制造过程中反复得到加强。早期，该公司致力于满足苛刻的应用需求，更好的性能可以让公司与客户都接受更高的成本。在过去的十年中，该公司已经扩大了批量自动化制造，以提高在行业中的成本竞争力。“我们的成本结构可以确保提供更高性能的采访同时，保持着极具竞争力的价格”Vinciarelli说。

互联网泡沫破灭后的2000年开始，给Vicor带来了前所未有的挑战和机遇。直到1999年，Vicor近70％的业务都是电信业，泡沫促使模仿竞争对手的数量不断增加（每隔几周诞生一家），以追求看似成功的道路。泡沫的爆发促使Vicor在多个终端市场上实现业务模式的多样化，充分利用知识产权（IP）全面保护电力技术的重大进步，实质上是开创了竞争对手无法追随的道路。

于是Vicor被迫更加强化其知识产权工作，从这些知识产权中获得了大量许可收入和侵权赔偿。为了保持设计和制造团队的积极性，该公司提供了一个充满激情和挑战的环境，通过股票等激励手段，促进每个人的职业发展规划。

至于与氮化镓（GaN）相关的发展的问题，Vinciarelli认为硅的寿命很长。虽然某些功率半导体公司声称硅已接近尾声，并且GaN场效应晶体管是满足先进电力系统需求所必需的，但Vinciarelli持不同观点。“GaN不是一种可以满足所有电力系统挑战的神奇子弹，”他说道，“GaN FET只适用于某些应用，并不适用于需要高效配电、转换拓扑和模块化电源封装的电源系统级解决方案，而这些是电力系统必要的推动因素。”

凭借近一百五十项专利，Vinciarelli在公司管理和产品开发方面发挥着积极作用。为人工智能处理器提供高效的<1V、高达1,000 A的电源产品，这是极具挑战的，但是Vicor面对并且化解了这些挑战。正如他所说，“这非常令人兴奋。”