对电力电子学的再认识——历史、现状及发展
发布时间：2021-12-13
摘要 该文通过对电力电子系统起源及定义的历史演绎，探讨了电力电子学的内涵和外延及其未来走向，分析了电力电子发展脉络、微电子与电力电子的关系及差异、以及电力电子未来的发展有可能给电能变换带来哪些实质性的变化。基于这些探讨分析，尝试提出一种对电力电子学的再认知框架，以使对电力电子系统建模、分析、设计及其控制的研究有一个更为清晰的背景和统一的基础。
关键词：电力电子学 学科发展 认知框架
0 引言
电力电子的起源是以晶闸管的诞生作为标志的。自 1957 年美国通用电气公司研制出世界上第一只晶闸管以来[1]，电力电子技术经历了近六十年的发展，在全球范围内获得了广泛的应用，成为了现代电气科学技术和工程应用的主要支撑技术之一，也随之形成了与时俱进的电力电子学[2]。
一般来讲，电力电子学主要包括半导体开关器件、电子电路及其控制相关理论，是一个典型的交叉学科。然而至今，电力电子学仍处在一个基于功率半导体器件、电子电路以及控制等诸多理论的简单合成层面，基本上还处于实验科学的范畴，其自身理论体系还远远没有形成。理论表征和工程应用等方面的困惑很多，如电力电子系统建模分析基本上采用理想开关和集总参数等效电路，难以分析短时间尺度的电磁瞬态过程;器件、电路和控制基本上独立表述，没有建立内在的互动关系;装置与系统设计主要依赖于经验和实验等。
现代社会和经济的发展对电力电子装置和系统的需求日趋增大，高端大型的电力电子装置研制和系统工程应用正处在一个攻坚阶段，它们普遍面临三大严峻挑战[3]：①电能变换能力不够;②难以进行标准化设计和精细分析;③装置与系统的可靠性问题严重。而作为科学技术发展的关键基础性技术之一，电力电子技术仅限于在经验和实验的基础上进行系统集成和工程应用是远远不够的，必须从电力电子器件、电路和控制等方面有机的结合来综合分析，进而从电力电子自身科学体系对电力电子装置与系统进行分析、设计和控制。
本文尝试从电力电子学的基础问题进行探究：包括电力电子起源及其定义演绎，所涉及的内涵和外延以及未来的走向;试图理清楚电力电子技术与科学的发展脉络，微电子与电力电子的关系和差异以及可控开关模式的电力电子有可能给电能变换带来哪些实质性的变化。基于这些分析探讨，尝试提出一种对电力电子学的再认知框架，以使电力电子装置与系统建模、分析、设计及其控制的深入研究有一个更清晰的背景和统一的基础。
1 历史的回顾
众所周知，19 世纪 80 年代交流电机发明之后，迎来了世界范围内的电气化时代。20 世纪初，由于电气化学及电气牵引等对直流的需求，需要将交流发电机产生的交流电变成直流电，大功率交流电整流是当时的重大需求，也是变流技术的初期形式。早期将交流电转变成直流电的唯一方法是使用昂贵、低效率和高维修费的旋转变换器或者电动发电机组。为克服旋转变换器和电动发电机组所带来的问题，人们一直在努力地寻找更合适的整流装备。
1904 年发明了电子真空管(vacuum tube)[4]，它能在真空中对电子流进行控制，具有整流效应，开启了微电子技术之先河。但早期电子真空管体积大、功率小。为提高变流功率，人们进一步发展了离子真空管(闸流管、引燃管)[5]和汞弧整流器[6]。早期汞弧整流器的示意图如图 1 所示，它是一种具有冷阴极并充满气体的管子，其阴极由汞液体制成而不是固体。相比充溢其他气体的电子管来说，汞弧整流器更加坚挺，持续时间更长，并能够流过更大的电流。当时被用来为工业电机、电气铁路、汽车、电气机车、收音机发射器和高压直流(HVDC)电力传输提供电能。它是大容量整流器的最初方法。然而，仍然存在严重问题：这种液体整流器中的汞化合物是有毒的，在脆弱的玻璃封皮内使用大量的汞，玻璃灯泡如果被打碎会对环境造成潜在的汞泄露;同时存在体积大、控制性能差等缺点。
1947 年美国贝尔实验室发明了半导体晶体管(Transistor)[7]，它具有栅极可控载流子的能力，控制简单、体积小，该发明引发了微电子技术的一场革命，但可控电磁功率仍然很小。1949 年发表的文献[8]中提到一种“勾型”结型双极晶体管结构和理论，如图 2 所示。实际上，这种“勾型”晶体管结构就是 PNPN 四层晶闸管结构，它具有二极管的整流效应，同时能够可控开通，特别具有双向少子增强效应，整流功率和效率大大增加。正是这样一种 PNPN 四层晶闸管结构，使得电子技术从微电子领域中的晶体管发展到了电力电子的晶闸管，从而开启了能量级的电力电子技术。相比于水银液体，晶闸管为固体，故也称之为“固态电力电子技术(solid state power electronics)”。
此后，各种固态功率半导体器件不断产生，如功率场效应管( P-MOSFET)、双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)、门极可关断晶闸管(Gate Turn Off, GTO)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)、集成门极可关断晶闸管( Intergrated Gate Commutated Thyristors, IGCT)等。功率半导体器件的衬基材料也从硒、锗和砷发展到至今广泛应用的硅，近几年进一步发展到宽禁带半导体材料，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等。可以说，至今为止，电力电子的发展史主要是功率半导体器件的发展史，“一代器件决定一代电力电子技术”是电力电子界的普遍共识。
因此，电力电子的起源主要来自于两个方面： ①早期电力整流技术的需求，其中，汞弧变流器的应用为电力电子变流技术提供了一定的发展基础; ②晶闸管的出现开启了功率半导体先河，使得电力变流技术有了根本性的转折。
功率半导体器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用。但是，电力电子发展到今天，并不完全等于功率半导体器件的发展历史。事实上，随着电力电子技术的不断进步和发展，电力电子学的内涵和外延亦不断得到深化和扩展，变流电路、控制技术及应用领域都得到了很大的发展。电路方面：从早期的 AC-DC 整流电路到 DC-DC 斩波电路，从 DC-AC 逆变电路到 AC-AC 的变频电路，直到今天的各种多电平、多重化、多端口、多模块、多级变换等，变换电路已经发展到了一个完全多元化的阶段[9,10]。控制方面：硬件部分从模拟电路到单板机、单片机、数字信号处理器，直到今天的多核系统高性能信号处理器等;软件部分则更是得到了极大发展，例如在各种脉冲调制方法上，从波形比较、滞环比较、空间矢量调制、特定消谐、各种所谓智能化的调制技术等，控制技术的发展给电力电子系统展现了一个很大的发展空间[11,12]。应用方面：更是从早期的电力整流，发展到各种直流电源、逆变电源、变频电源，从早期的电化应用、电力牵引和直流传动，到后来的交流传动、直流输电、无功功率补偿，以及现在的新能源发电、电力储能、能源互联网等，应用领域还在不断地扩展和增加[13,14]。
今天，电力电子技术领域呈现出了一个完全多元化时代，人们也一直在努力发展与之相匹配的电力电子科学理论，以求获得对电力电子系统内在规律更深入的认识和对实际应用更有效的理论指导。事实上，电力电子学一直伴随着电力电子技术的发展而在与时俱进的发展。
早期电力电子学定义主要面向功率半导体器件而定义，即为“研究功率半导体中电子运动的科学”，或者称之为“功率半导体器件及其应用的科学”[15]。随着电力电子技术的进一步发展，特别是各种变换电路及其控制系统的发展，该电力电子学的定义显然已经不能包括全部电力电子系统的内容了。后来人们把电子学分类，分为信息电子学和电力电子学，即认为“电力电子学主要是一门描述电力变换的科学”[15]。该定义更多的关注电子电路问题，从而将电力电子与微电子截然分开。而事实上，信息电子学(即微电子技术)已经完全渗透到电力电子各个部分，这种定义显然也是不全面的。
面对电力电子技术的迅速发展，急需有一个对电力电子科学更加准确的认识和定义。1973 年 IEEE 三个学会，即宇航及电子系统学会(AES)、工业应用学会(IAS)和电子器件学会(PDS)联合举办了 IEEE 电力电子专家会议。美国著名电力电子专家 Dr. William E. Newell 应邀在该会上发表了一篇主题讲演 [16] ： Power Electronics — Emerging from Limbo。Dr. Newell 在讲演中首次给出电力电子的经典定义：“电力电子技术是电气工程三大学科(电子、电力和控制)的交叉技术。其中，电子包括器件和电路;电力包括静止和旋转功率设备;控制包括连续和采样控制”。他采用了一个倒三角形来形象地表征了这三个方面定义及其相互关系(见图 3)，它首次明确了电力电子是一个交叉学科的概念。但当时的认识主要还是基于技术的角度。Dr. Newell 建议尽快建立电力电子学这一新的重要学科和专业。这篇著名讲演引起了人们的广泛关注。1974 年 IEEE IAS 会刊在特约专题上全文正式发表了这篇讲演[17]。 1977 年电力电子专家会议(PESC)特地设立了以 Dr. Newell 的名字命名的 Annual William E. Newell Power Electronics Award，2006 年该奖项升格为 IEEE 最高学术大奖[18]。
为对电力电子学定义进一步规范，国际电工委员会(IEC)对电力电子学的定义为“以电力技术为对象的电子学”[15]。它定义了电力电子学的应用对象(电力)和所属学科范畴(电子学)，但过于笼统，缺乏具体内容。1996 年国际电气电子工程师学会(IEEE)则定义：“电力电子技术是有效地使用半导体器件，应用电路和设计理论以及分析方法工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换”[19]。该定义在技术层面来讲应该是比较全面的，一直以来规范着人们对电力电子技术的认识;但仍然是定义在技术层面，并没有明确指出电力电子学所包含内容。
事实上，电力电子系统包括了半导体开关器件、电子电路及控制等要素，尽管各要素特性不尽相同，从表面看是一个混杂系统，但是从整个变换系统的角度来看，由于它们在系统中的有机结合，从而在物理上已经形成了电力电子变换系统的有机统一，应该有一个完整的理论体系来全面系统地表征电力电子系统特性。正如 Dr. Newell 在 1973 年那篇讲演中指出的那样：“电力电子技术迫切需要有效的理论指导，要开发综合性的分析设计方法，以求成本最小、可靠性最高。未来一定会有统一的理论研究新方法，适合于模拟和数字、时域和频域、器件和电路、稳态和瞬态各种情况。换言之，电力电子将成为一门新学科”[17]。
经过近三十年的电力电子技术迅速发展，其应用面更宽，所涉因素更具多元化，当然所面临的问题也更多，如器件、模块及单元如何组合以适应更高电压、更大电流的换流需求，电力电子技术如何适应电力网络化的要求，提高可靠性和降低成本的技术路径等。这些都需要去更准确地认识电力电子系统的内在本质和特性，从而形成一个更接近现状的电力电子学表征，以对电力电子系统建模、分析、设计及其控制的研究有一个更清晰的背景和统一的基础，这是摆在电力电子学界前急需解决的问题。
2 再认知框架
长期的理论研究和应用实践使人们认识到：电力电子系统需要处理好在电力电子特有属性条件下的电磁能量可控变换，涉及到电磁能量变换瞬态过程及其平衡，需要处理好器件与装置、控制与主电路、分布参数与集总参数等关系。从早期的整流装置到后来的固态半导体器件的发展，从功率半导体器件的硬开关技术发展到软开关技术，可以看到它们都在聚焦一个共同的属性：即器件与装置的开关特性;且一直在追求着改善针对电磁能量变换的这种开关特性的属性：即功率大、损耗小、频率高、响应快[20]。器件、电路及控制的发展都在围绕改善变换器的开关特性而进行。基于这种认识，本文提出一个对现阶段电力电子学的再认知框架：即认为 “电力电子学是一门基于功率半导体开关组合模式的电磁能量高效变换的科学”。该认知框架包含四个关键词：“功率半导体”为电磁能量变换的载体和基础;“开关组合模式”则是变换的基本方式;“电磁能量”为作用对象;“高效变换”则是整个电力电子变换系统行为目标。该认知框架尝试从原来主要研究电子学(描述电子运动的科学)扩展到研究电磁能量高效变换的科学，从三个独立学科(电力、电子和控制)的简单叠加综合到针对电磁能量开关组合模式的可控变换行为规律中来。
可以用“一个中心，两个基本点”来概括这个认知框架内容，它包括两层含义：①以“功率半导体”为中心，以“电磁能量”和“高效变换”为基本点;②以“功率半导体”为中心，以“开关特性” 和“组合特性”为基本点。图 4 集中地表征了这个认知框架的两层含义关系。从左至右，表示了电磁能量通过可控的功率半导体作用进行高效变换，这是一种关于电力电子系统应用技术层面的描述，包括电力电子学的对象和目标;而从上至下，则表示了围绕功率半导体变换作用的两大关键属性：开关特性和组合特性，前者主要体现单个功率半导体开关器件自身的特性和变换能力，包含功率、效率、响应和频率等指标，后者则主要强调多个功率半导体开关器件构成的电路拓扑特性，包括空间上的连接关系和时间上的顺序关系，体现了开关器件群组特性及其变换能力，这是一种关于电力电子系统科学层面的描述。两层含义相互独立又相互依存，构成一个关于电力电子学的有机整体。
基于上述认识，进一步明确了电力电子系统包括器件、电路及其控制，尽管各要素特性不尽相同，但是从整个系统的角度来看，正因为它们在系统中的有机结合，从而形成了系统的有机统一，呈现出系统自身的科学特性。概括来说，该认知框架试图将以往的“电力电子技术”转化为“电力电子系统分析、设计及其控制理论”，内容包含电力电子系统中的硬件与软件的适配性，能量与信息的互动性，非线性与线性的对换性，离散与连续的混杂性，以及多时间尺度的协调性等学科特性，简要分述如下。
2.1 硬件与软件的适配性
一个具体的典型电力电子系统硬件结构如图 5 所示，其主要硬件部分包括：①由功率二极管器件(也可以是半控型或全控型功率开关器件)构成的整流环节，它将交流电整流成直流电;②由电容和连接件构成的直流母排环节，它将过滤掉直流电上的纹波，同时更好地保持直流电源的性质;③由全控型功率开关器件构成的逆变环节，它将直流电逆变成所需要的交流电;④由传感器、控制芯片、通信连线和驱动电路构成的系统控制环节，它们作为整个信息系统的物质载体和信息流的通道。
硬件系统主要包括全部元器件(功率半导体开关器件、无源器件、信号处理器件等)及各元器件的连接(所谓的拓扑结构)。从理想硬件特性来看，功率半导体开关器件相当于理想开关，即开通与关断之间没有时间间隔，当然也不考虑开关瞬态过程，仅考虑开通时的通流能力和关断时的承压能力(如额定电流和额定电压);无源器件主要指的是电感、电容等，可以看成可变的理想电源(理想电流源和电压源)，即不考虑器件损耗和分布杂散参数，只考虑其集总参数值;信号处理器件则只考虑信号逻辑处理能力，不考虑信号延迟和畸变。元器件的连接包括连接件材料、接头以及连接方式(拓扑结构)。在理想情况下，不考虑连接件的材料特性和接头上的分布杂散参数，只考虑其连接拓扑特性。这些要素构成了典型变换器理想硬件系统。软件系统主要包括信号采样、I/O 通信、信号处理、系统控制、保护、系统功能管理等，它们体现在各信号处理器里面的程序代码上或者模拟信号电路中。理想条件下，不考虑软件系统的时延和畸变。
相关期刊推荐：《电工技术学报》(双月刊)创刊于1986年，由中国电工技术学会主办，机械工业出版社出版的综合性学术期刊。主要涉及：电机与控制、电器、电力电子技术、电力系统、工业自动控制、电工测试、理论电工、电气绝缘、材料、信息化技术等。设有：力电子、电机电器、电力系统、电工理论、自动控制、电源等栏目。
电力电子系统中的硬件和软件系统缺一不可：硬件系统在软件系统的作用下可控运行，软件系统通过硬件系统体现功能作用。在硬件和软件均为理想条件下，理想器件和线性拓扑的计算机仿真可以在不用考虑实际硬件和软件非理想特性情况下模拟整个变换系统运行状态，一般称之为“理想运行” 或为“机理仿真”。但是，实际中的硬件和软件系统都是非理想的，如功率开关器件的开通和关断过程是需要经历时间的，也存在电磁损耗;连接件存在分布杂散参数，信号处理过程中存在时延和畸变等。这些非理想因素在系统实际运行中都会表现出来，体现在硬件和软件的各个具体器件和算法的特性参数上。例如，同为功率开关器件，IGBT 与 IGCT 就有很大差别，即使采用同样的连接方式(即同样的拓扑结构)，用它们分别作为全控开关器件的变换系统也随之有很大的差别。所以，考虑非理想因素的存在，研究对实际硬件和软件参数最适设计和匹配，使整个电力电子系统真正高效可靠运行，这应该是电力电子学所包含的第一部分内容，即软件与硬件的适配性。
2.2 能量与信息的互动性
硬件、软件所运载的是系统中的能量与信息。此处提到的能量类别，主要指的是电磁能量，由外加电源供给，经过变换系统中的主电路可控变换和传输，传送给外面负载做功;其信息类别主要指传感信号、控制指令和通信信号等，来源于主电路上的传感器、外部给定指令和信号处理器内部的逻辑运算输出等。能量与信号都是电磁量，但在量级和功能上有很大的差异。能量一般指量级大的电磁量，主要为对负载做功所用;信号则电磁量级小，主要为系统运行时的通信和控制所用。典型的电力电子系统中能量与信息互动关系如图 6 所示，可以看成是能量流与信息流之间的互动关系。
从图 6 中可以看到：能量流流经主电路，信息流存在于控制系统、外围电路以及主电路之中，能量流通过信息流的控制在主电路中进行有效变换和传递。
能量流具有强度、分布和方向三要素。它不仅是时间的函数，也是空间的函数(一维时间，三维空间);不仅可以双向流动，也可以多向流动;不仅可以沿着主电路器件和连接件传导，也可以在空间以辐射的形式传播(在高频、脉冲的条件下)。特别应该指出的是：能量流在传输变换过程中一定遵循能量守恒和能量不能突变原则。因此，主电路中半导体开关器件的理想开关特性是不存在的。实际开关过程中的电磁能量是连续变化的，表现为短时间尺度过程，这是电力电子系统中开关模式下电磁能量变换的主要特点之一。
信息流则表现出多元化的特点：有来自主电路电磁能量状态的传感信息，来自外部给定的指令信息，来自信号处理器中的分析计算输出信息等;既可以是单值脉冲信息，也可以是连续变化的模拟信息;既可以是实时信息，也可以是历史信息。最重要的信息流是主电路中半导体开关器件的开关控制信息，其他信息都是为开关控制信息服务的，开关控制信息的正确与否由其他信息的综合效应所决定。
能量与信息的互动关系决定了电力电子系统的有效可控运行。图 6 反映了变换系统中能量与信息之间的互动关系，主电路中的能量流变换特性是由逆变电路中的全控功率开关器件的开关控制信息所决定的，而正确的开关控制信息是由外部指令、传感信息和信号处理器中的逻辑分析输出信息共同决定的。因此，开关控制信息特性直接决定了能量变换和传递特性，而其他信息的特性又决定了开关控制信息特性，它们相互作用，又相互依存，形成了一个不可分割的有机统一体。但是，由于硬件系统的“非理想”特性，形成了能量脉冲与信号脉冲之间的时延和畸变，能量与信息互动关系之间又存在许多的不可控“盲区”。这些特性构成了电力电子学的第二部分内容，即能量与信息的互动性。——论文作者：赵争鸣 施博辰 朱义诚
