功率工程師何時能獲得尊重？

雖然電氣工程師廣受大眾尊重，但在我看來，其中某幾種「類別」的工程師更受青睞。低功率系統的設計人員受到評論者的以下稱讚：「你能相信嗎？他們竟然靠一顆小小的電池就讓系統運作好幾個禮拜！」而整天或大部分時間都在鍵盤前工作的工程師，也常被人稱讚，例如「瞧瞧那孩子，她是程式設計師，一輩子都不愁吃穿！」

雖然我個人更偏愛硬體 (或稱電路) 工程師，但我承認，完成一項專案通常需要百般武藝，所以對於那些微功率和鍵盤前的工程師，我還是會給予應有的肯定。

不過，有一類電氣工程師至今似乎還是鮮為人知：他們處理超過數百伏特、數百安培甚至數萬瓦的高功率體系，即便面臨如此挑戰，卻很少受到關注或認可。有些人可能認為，這是因為這些應用與一般民眾太過遙遠，但事實並非如此。這些更高功率的應用不僅限於那些消費者相對較陌生的應用，如工業環境，甚至電氣化火車所用的 25 kV 電車線。

想想許多消費者都曾親身 (或至少間接) 接觸過的電動車 (EV)。電動車電池組的電力容量大約介於 25 kWh 至 70 kWh 以上，而此電池組可在大約 1000 A 電流下提供 300 V 至 400 V 電壓 (牽引馬達組最高可提供 300 HP 或更高的馬力)。這些電力容量、電壓和電流值表明，電動車的電源組、轉換、管理及配電，對設計、測試和維護作業來說，都是必須認真考慮的因素。

這些設計環境之間的差異，不僅僅在於原始數值或數值換算方面的差別。而是在處理高功率應用中的任何元素時，必須採取截然不同的思維和途徑。在低功率設計中，稍微嘗試一下非正統的作法並無大礙，如移動和點焊電線，或臨時執行簡單的測試，瞭解想法是否可行。但是處理的功率位準較高時，每個動作都必須經過計劃、模擬、評估和評量，並且在真正執行前再三確認。因為在此情況下，要管控的是大量密集儲存的電能。

此外，還有測試方面的問題。在判定系統的動作和任何變更的影響性上，每個環節都需要精心設計的測試計劃和安排。絕不可能只用數位伏特計 (DVM) 探針快速測量目標點，就可草草了事。即使是例行要求，例如透過內嵌分流器測量電流，在許多情況下也都必須仔細考量元件、介面電路、電流隔離，甚至是如何進行實體連接。

思考一下，假設您打算在一個高電流導體中，使用分流電阻來測量電流。雖然這是個眾所皆知的技術，但電動車中有數百安培的電流，因此必須盡可能降低分流電阻值，進而降低 IR 引起的壓降及感測電阻的 I²R 散熱。

值得慶幸的是，市面上有電阻值極低的標準型分流器。例如，Vishay Dale WSBS8518 系列的標準額定值為 100、500 和 1000 µΩ (即 0.1、0.5 和 1.0 mΩ) (圖 1)。此分流器的外觀看上去像是普通的金屬「帶」，尺寸約為 85 mm 長 × 18 mm 寬，以固態金屬鎳鉻合金製成，電阻溫度係數 (TCR) 低至 ±10 ppm/°C。

圖 1：與其他電子元件相比，這個微歐姆 (µΩ) 級的分流電阻或許看似簡單，但卻是以固態金屬鎳鉻合金精心設計製造而成，具有極低的溫度係數和凱氏點。(圖片來源：Vishay/Dale)

不過，該如何將此電阻與負載線進行實體連接呢？畢竟，即使是幾毫歐 (mΩ) 的接觸電阻也會消耗功率並帶來壓降，因此，分流電阻的連接是另一項需面對的設計問題。此外，您仍需連接電壓感測引線；值得慶幸的是，這款分流器內建凱氏點，可以略微簡化此項任務，而這是許多分流器沒有的優勢。

並不是所有「功率工程師」都鮮少得到尊重，我認為主要是電氣功率工程師比較容易受人忽視。近來，阿波羅登月 50 週年紀念活動備受關注。當年，為農神五號火箭第一節提供動力的五具 F-1 引擎，推動火箭冉冉升空的景象不禁令人震撼 (圖 2)。

圖 2：有些動力設計並不顯眼，有些則非常吸睛；採用五具 F-1 引擎的農神五號火箭，絕對屬於後者。(圖片來源：NASA)

數字雖然會說話，但很難真的令人心領神會。農神五號火箭在第一節裝載了 203,400 加侖 (770,000 公升) 的煤油燃料，以及 318,000 加侖 (120 萬公升) 的液態氧。每部 F-1 燃料幫浦均由 55,000 馬力的渦輪機驅動，每分鐘輸送大約 15,000 美制加侖 (略低於 60,000 公升) 的煤油，同時，氧化劑幫浦每分鐘輸送 25,000 美制加侖 (94,000 公升) 的液態氧；此外，每部渦輪幫浦還必須能耐受 1,500°F (820°C) 的進氣，以及 -300°F (-18 °C) 的液態氧。升空時，這五具引擎產生了 750 萬磅的推力。

試想一下，將這些 F-1 引擎固定在測試座上的夾具，或者在點火後等待火箭馬達全力運轉時，將農神火箭保持在台座上的夾具，不僅需要抵擋住數百萬磅的推力，而且還要在那樣的排氣環境下順利流暢地鬆開夾具 (這又該如何進行測試？)。

火箭升空的動力非常顯眼，無論發射成功與否，都會讓火箭工程師獲得應有的尊重。然而，由於電氣能量不太「顯眼」，電氣功率工程師很難得到同等的尊重。火箭巨大的尾焰令這一切感覺如此真實，而電池組中的電子默默地正常工作，卻讓人感覺「沒什麼了不起」。

處理高功率設計的電氣工程師，未來會不會得到更多尊重？我當然無法預知。不過，若真是這樣就好了，因為大眾巿場應用 (例如電動車、太陽能和更具智慧的電網) 需要千瓦和兆瓦方面的專才。

參考資料：

1 – Roger E. Bilstein, “Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles” (點選此處可免費下載大小為 168 MB 的檔案；點選此處可免費下載各個章節)

2 – Charles Murray & Catherine Bly Cox, “Apollo: The Race to the Moon”

3 – Wikipedia, “Rocketdyne F-1”