特約主編：趙爭鳴
2017年6月于清華園
當前， 大容量電力電子系統理論和關鍵技術在快速發展， 相應的裝置研製和系統工程應用也處在一個攻堅階段，
由於大容量電力電子系統包含多種不同時間尺度能量變換的瞬態過程， 不僅在運行機理和工作狀態方面， 而且在電、磁、熱等方面均呈現出複雜的動力學特徵。 因此， 大容量電力電子系統屬於典型的多時間尺度非線性混雜系統。
所謂混雜系統， 指的是由連續時間動態系統和離散事件動態系統相互混雜、相互作用而形成的系統。 系統內部存在兩種性質不同的變數， 一種是連續時間變數， 另一種則是離散事件變數。
系統運動由離散事件與連續時間共同作用進行， 當連續狀態量穿過閾值時， 觸發相應的離散事件；當發生異常非線性動力學行為時，
針對面臨的挑戰及其呈現出來的複雜性， 迫切需要研究電力電子混雜系統多時間尺度下動力學行為的建模、分析與設計方法， 揭示其動力學邊界與約束條件及其相互匹配規律， 建立對其動力學行為高效精准控制方法。
2015年在國家自然科學基金重大專案（51490680）“大容量電力電子混雜系統多時間尺度動力學表徵與運行機制”的資助下， 清華大學、浙江大學、海軍工程大學、中車株洲電力機車研究所和中國科學院微電子研究所聯合開展了深入系統研究，
為反映項目組在過去兩年多來的部分研究內容和初步研究成果， 本專題分三期集中地刊出了25篇相關研究的學術論文。 概括起來， 這些文章涉及的研究內容分成以下六個方面：
（1）對電力電子變換系統的再認識
文章《對電力電子學的再認識——歷史、現狀及發展》通過對電力電子系統起源及定義的歷史演繹， 探討了電力電子學的內涵和外延內容， 提出了一種對電力電子學的再認知框架， 強調開關特性和組合特性在電力電子變換系統中的核心作用， 嘗試為電力電子混雜系統建模、分析、設計及其控制的研究明確一個更為清晰的思路。
（2）混雜系統多時間尺度動力學表徵建模
動力學表徵及其建模是該重大專案研究的主要內容， 專案前期主要針對器件、電路和控制三個方面進行機理分析和數學建模。
文章《功率開關器件多時間尺度瞬態模型（I）——開關特性與瞬態建模》和《功率開關器件多時間尺度瞬態模型（II）——應用分析與模型互聯》為姊妹篇，
文章《溝槽柵場終止型IGBT瞬態數學模型》和《SiC MOSFET與SiC SBD換流單元瞬態模型》則分別針對溝槽柵場終止型IGBT和SiC MOSFET的特別結構進行了瞬態數學建模， 展現出不同器件結構開關建模的特殊性；文章《基於關斷電流最大變化率的壓接式IGBT模組結溫提取方法》、《適用於器件到裝置級熱模擬的IGBT傳熱模型》和《基於傳熱動力學作用特徵的IGBT結溫預測數學模型》則針對功率開關器件傳熱動力學特性進行研究， 建立了多時間尺度的傳熱動力學數學表徵，提出從電氣參量瞬態過程中提取器件結溫的可行方法。
這些針對開關器件瞬態動力學表徵建模為進一步研究開關器件組合及其裝置建模分析、設計和控制奠定了理論基礎。
（3）基於器件瞬態模型的模擬分析方法
由於電力電子混雜系統存在很明顯的連續和離散變數，且時間尺度差別很大，使得根據時間離散的數值模擬計算結果經常出現偽振盪甚至發散，大大影響模擬的收斂性和準確性，同時計算量巨大。
為解決這一問題，文章《離散狀態事件驅動模擬方法及自我調整預估校正演算法》、《後向離散狀態事件驅動電力電子模擬方法》、《基於離散狀態事件驅動的電力電子瞬態過程模擬方法》和《考慮非理想器件模型的電力電子系統狀態方程分析法》等系統地提出一種離散狀態事件驅動的模擬方法，分別從提高模擬速度、減低剛性問題解算量、提高解算精度以及參數結構矩陣程式化列寫等方面進行了研究，直接對狀態量進行離散，以開關事件來驅動模擬，為裝置和系統運行中涉及到小時間尺度電磁瞬態過程的模擬分析拓開了新的思路。
（4）電磁能量脈衝及其序列分析與控制
電磁能量脈衝及其序列是電力電子混雜系統中電磁能量變換的基本形式。文章《電力電子系統中的功率脈衝時序組合與邏輯組合》從電力電子系統的脈衝組合理論出發，對能量脈衝時序組合與邏輯組合的概念、方法和實現進行了總結提煉分析；文章《驅動回路參數對SiC MOSFET開關瞬態過程的影響分析》分析了控制脈衝、驅動脈衝及電磁能量脈衝三者間形態屬性的關係；文章《基於能量平衡的降低MMC子模組電容電壓波動控制策略》提出了基於控制週期的能量平衡控制策略以提高裝置中元器件的可靠性；文章《基於能量平衡的電能路由器綜合控制技術》進一步將基於能量平衡的控制策略應用於複雜的電力電子裝置。這些研究反映了項目組在電磁能量脈衝建模及其控制研究方面新的進展。
（5）基於最優變換能力及可靠性的變換器設計方法
裝置與系統是開關器件的有序組合，提高器件組合變換能力及可靠性是裝置設計的主要目標。文章《電力電子系統中器件利用率計算與評估方法》和《基於開關組合規律的雙向全橋DCDC變換器傳輸功率特性研究》均嘗試通過研究裝置的開關組合規律來提高系統變換能力和可靠性；文章《IGBT電力電子系統小時間尺度動態性能分析與計算的電磁場-電路耦合模型》和《大容量電力電子裝置中母排雜散電感提取方法的優化研究》則從功率電路模型中計算和提取雜散參數，以優化變換器母排設計；文章《基於能量流圖的電力電子系統視覺化設計與分析》則直接以系統中的能量及能量流為狀態變數，構建了一種基於能量流圖分析方法的電力電子變換器系統設計和分析平臺，是對電力電子能量變換表徵的一種新的嘗試。
（6）裝置與系統中的相關應用問題
基於對電力電子混雜系統新的認識，理論研究與實際應用緊密結合。文章《新型柔性互聯裝置多時間尺度轉換等效模型》、《基於傅裡葉級數的多時間尺度同步旋轉坐標系電流跟蹤控制方法》、《基於開關瞬態波形提取高頻隔離變壓器漏感參數》及《一種基於DAB損耗模型的效率優化方法》分別針對柔性互聯裝置、並聯有源濾波器、高頻隔離變壓器及雙向全橋DC-DC變換器等進行了模型等值、電流跟蹤、參數計算和效率優化等方面的研究工作。
“大容量電力電子混雜系統多時間尺度動力學表徵與運行機制”研究仍在進行，項目組下面將繼續圍繞這一關鍵科學問題，重點研究器件與部件失效機理和混雜系統可靠運行規律，探索混雜系統安全可靠高效運行模式，研究典型混雜系統的控制策略。
本次專題稿件將陸續在《電工技術學報》2017年第12期、13期、14期刊出，希望借此與同行們一起，加強交流，共同探討，有所進展。再次感謝國家自然科學基金委予以的項目資助，感謝《電工技術學報》編輯部給予的大力支持和幫助。
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電力半導體器件原理與應用 趙爭鳴 新華書店正版暢銷圖書籍 ￥42.3 購買
建立了多時間尺度的傳熱動力學數學表徵，提出從電氣參量瞬態過程中提取器件結溫的可行方法。這些針對開關器件瞬態動力學表徵建模為進一步研究開關器件組合及其裝置建模分析、設計和控制奠定了理論基礎。
（3）基於器件瞬態模型的模擬分析方法
由於電力電子混雜系統存在很明顯的連續和離散變數，且時間尺度差別很大，使得根據時間離散的數值模擬計算結果經常出現偽振盪甚至發散，大大影響模擬的收斂性和準確性，同時計算量巨大。
為解決這一問題，文章《離散狀態事件驅動模擬方法及自我調整預估校正演算法》、《後向離散狀態事件驅動電力電子模擬方法》、《基於離散狀態事件驅動的電力電子瞬態過程模擬方法》和《考慮非理想器件模型的電力電子系統狀態方程分析法》等系統地提出一種離散狀態事件驅動的模擬方法，分別從提高模擬速度、減低剛性問題解算量、提高解算精度以及參數結構矩陣程式化列寫等方面進行了研究，直接對狀態量進行離散，以開關事件來驅動模擬，為裝置和系統運行中涉及到小時間尺度電磁瞬態過程的模擬分析拓開了新的思路。
（4）電磁能量脈衝及其序列分析與控制
電磁能量脈衝及其序列是電力電子混雜系統中電磁能量變換的基本形式。文章《電力電子系統中的功率脈衝時序組合與邏輯組合》從電力電子系統的脈衝組合理論出發，對能量脈衝時序組合與邏輯組合的概念、方法和實現進行了總結提煉分析；文章《驅動回路參數對SiC MOSFET開關瞬態過程的影響分析》分析了控制脈衝、驅動脈衝及電磁能量脈衝三者間形態屬性的關係；文章《基於能量平衡的降低MMC子模組電容電壓波動控制策略》提出了基於控制週期的能量平衡控制策略以提高裝置中元器件的可靠性；文章《基於能量平衡的電能路由器綜合控制技術》進一步將基於能量平衡的控制策略應用於複雜的電力電子裝置。這些研究反映了項目組在電磁能量脈衝建模及其控制研究方面新的進展。
（5）基於最優變換能力及可靠性的變換器設計方法
裝置與系統是開關器件的有序組合，提高器件組合變換能力及可靠性是裝置設計的主要目標。文章《電力電子系統中器件利用率計算與評估方法》和《基於開關組合規律的雙向全橋DCDC變換器傳輸功率特性研究》均嘗試通過研究裝置的開關組合規律來提高系統變換能力和可靠性；文章《IGBT電力電子系統小時間尺度動態性能分析與計算的電磁場-電路耦合模型》和《大容量電力電子裝置中母排雜散電感提取方法的優化研究》則從功率電路模型中計算和提取雜散參數，以優化變換器母排設計；文章《基於能量流圖的電力電子系統視覺化設計與分析》則直接以系統中的能量及能量流為狀態變數，構建了一種基於能量流圖分析方法的電力電子變換器系統設計和分析平臺，是對電力電子能量變換表徵的一種新的嘗試。
（6）裝置與系統中的相關應用問題
基於對電力電子混雜系統新的認識，理論研究與實際應用緊密結合。文章《新型柔性互聯裝置多時間尺度轉換等效模型》、《基於傅裡葉級數的多時間尺度同步旋轉坐標系電流跟蹤控制方法》、《基於開關瞬態波形提取高頻隔離變壓器漏感參數》及《一種基於DAB損耗模型的效率優化方法》分別針對柔性互聯裝置、並聯有源濾波器、高頻隔離變壓器及雙向全橋DC-DC變換器等進行了模型等值、電流跟蹤、參數計算和效率優化等方面的研究工作。
“大容量電力電子混雜系統多時間尺度動力學表徵與運行機制”研究仍在進行，項目組下面將繼續圍繞這一關鍵科學問題，重點研究器件與部件失效機理和混雜系統可靠運行規律，探索混雜系統安全可靠高效運行模式，研究典型混雜系統的控制策略。
本次專題稿件將陸續在《電工技術學報》2017年第12期、13期、14期刊出，希望借此與同行們一起，加強交流，共同探討，有所進展。再次感謝國家自然科學基金委予以的項目資助，感謝《電工技術學報》編輯部給予的大力支持和幫助。
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