清華大學電機系電力系統及發電設備安全控制和模擬國家重點實驗室的研究人員趙爭鳴、施博辰、朱義誠， 在2017年第12期《電工技術學報》上撰文， 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及其未來走向， 分析了電力電子發展脈絡、微電子與電力電子的關係及差異、以及電力電子未來的發展有可能給電能變換帶來哪些實質性的變化。
基於這些探討分析， 嘗試提出一種對電力電子學的再認知框架， 以使對電力電子系統建模、分析、設計及其控制的研究有一個更為清晰的背景和統一的基礎。
電力電子的起源是以晶閘管的誕生作為標誌的。 自1957年美國通用電氣公司研製出世界上第一隻晶閘管以來[1]， 電力電子技術經歷了近六十年的發展， 在全球範圍內獲得了廣泛的應用， 成為了現代電氣科學技術和工程應用的主要支撐技術之一， 也隨之形成了與時俱進的電力電子學[2]。
一般來講， 電力電子學主要包括半導體開關器件、電子電路及其控制相關理論， 是一個典型的交叉學科。 然而至今， 電力電子學仍處在一個基於功率半導體器件、電子電路以及控制等諸多理論的簡單合成層面， 基本上還處於實驗科學的範疇， 其自身理論體系還遠遠沒有形成。
理論表徵和工程應用等方面的困惑很多，
現代社會和經濟的發展對電力電子裝置和系統的需求日趨增大， 高端大型的電力電子裝置研製和系統工程應用正處在一個攻堅階段， 它們普遍面臨三大嚴峻挑戰[3]：①電能變換能力不夠；②難以進行標準化設計和精細分析；③裝置與系統的可靠性問題嚴重。
而作為科學技術發展的關鍵基礎性技術之一， 電力電子技術僅限於在經驗和實驗的基礎上進行系統集成和工程應用是遠遠不夠的，
本文嘗試從電力電子學的基礎問題進行探究：包括電力電子起源及其定義演繹， 所涉及的內涵和外延以及未來的走向；試圖理清楚電力電子技術與科學的發展脈絡， 微電子與電力電子的關係和差異以及可控開關模式的電力電子有可能給電能變換帶來哪些實質性的變化。 基於這些分析探討， 嘗試提出一種對電力電子學的再認知框架， 以使電力電子裝置與系統建模、分析、設計及其控制的深入研究有一個更清晰的背景和統一的基礎。
1 歷史的回顧
眾所周知，
1904年發明了電子真空管（vacuum tube）[4]， 它能在真空中對電子流進行控制， 具有整流效應， 開啟了微電子技術之先河。 但早期電子真空管體積大、功率小。 為提高變流功率， 人們進一步發展了離子真空管（閘流管、引燃管）[5]和汞弧整流器[6]。
早期汞弧整流器的示意圖如圖1所示， 它是一種具有冷陰極並充滿氣體的管子， 其陰極由汞液體製成而不是固體。 相比充溢其他氣體的電子管來說， 汞弧整流器更加堅挺， 持續時間更長， 並能夠流過更大的電流。 當時被用來為工業電機、電氣鐵路、汽車、電氣機車、收音機發射器和高壓直流（HVDC）電力傳輸提供電能。
它是大容量整流器的最初方法。 然而， 仍然存在嚴重問題：這種液體整流器中的汞化合物是有毒的， 在脆弱的玻璃封皮內使用大量的汞， 玻璃燈泡如果被打碎會對環境造成潛在的汞洩露；同時存在體積大、控制性能差等缺點。
圖1 早期的汞弧整流器
1947年美國貝爾實驗室發明了半導體電晶體（Transistor）[7]，它具有柵極可控載流子的能力，控制簡單、體積小，該發明引發了微電子技術的一場革命，但可控電磁功率仍然很小。1949年發表的文獻[8]中提到一種“勾型”結型雙極電晶體結構和理論，如圖2所示。
實際上，這種“勾型”電晶體結構就是PNPN四層晶閘管結構，它具有二極體的整流效應，同時能夠可控開通，特別具有雙向少子增強效應，整流功率和效率大大增加。正是這樣一種PNPN四層晶閘管結構，使得電子技術從微電子領域中的電晶體發展到了電力電子的晶閘管，從而開啟了能量級的電力電子技術。相比于水銀液體，晶閘管為固體，故也稱之為“固態電力電子技術（solid statepower electronics）”。
圖2 “勾型”結型雙極電晶體結構
此後，各種固態功率半導體器件不斷產生，如功率場效應管（P-MOSFET）、雙極結型電晶體（Bipolar JunctionTransistor, BJT）、門極可關斷晶閘管（Gate Turn Off, GTO）、絕緣柵雙極型電晶體（Insulated GateBipolar Transistor, IGBT）、集成門極可關斷晶閘管（Intergrated Gate CommutatedThyristors, IGCT）等。
功率半導體器件的襯基材料也從硒、鍺和砷發展到至今廣泛應用的矽，近幾年進一步發展到寬禁帶半導體材料，如碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等。可以說，至今為止，電力電子的發展史主要是功率半導體器件的發展史，“一代器件決定一代電力電子技術”是電力電子界的普遍共識。
因此，電力電子的起源主要來自於兩個方面：①早期電力整流技術的需求，其中，汞弧變流器的應用為電力電子變流技術提供了一定的發展基礎；②晶閘管的出現開啟了功率半導體先河，使得電力變流技術有了根本性的轉折。
功率半導體器件的發展對電力電子技術的發展起著決定性作用。但是，電力電子發展到今天，並不完全等於功率半導體器件的發展歷史。事實上，隨著電力電子技術的不斷進步和發展，電力電子學的內涵和外延亦不斷得到深化和擴展，變流電路、控制技術及應用領域都得到了很大的發展。
電路方面：從早期的AC-DC整流電路到DC-DC斬波電路，從DC-AC逆變電路到AC-AC的變頻電路，直到今天的各種多電平、多重化、多埠、多模組、多級變換等，變換電路已經發展到了一個完全多元化的階段[9,10]。
控制方面：硬體部分從類比電路到單板機、單片機、數位訊號處理器，直到今天的多核系統高性能信號處理器等；軟體部分則更是得到了極大發展，例如在各種脈衝調製方法上，從波形比較、滯環比較、空間向量調製、特定消諧、各種所謂智慧化的調製技術等，控制技術的發展給電力電子系統展現了一個很大的發展空間[11,12]。
應用方面：更是從早期的電力整流，發展到各種直流電源、逆變電源、變頻電源，從早期的電化應用、電力牽引和直流傳動，到後來的交流傳動、直流輸電、無功功率補償，以及現在的新能源發電、電力儲能、能源互聯網等，應用領域還在不斷地擴展和增加[13,14]。
今天，電力電子技術領域呈現出了一個完全多元化時代，人們也一直在努力發展與之相匹配的電力電子科學理論，以求獲得對電力電子系統內在規律更深入的認識和對實際應用更有效的理論指導。事實上，電力電子學一直伴隨著電力電子技術的發展而在與時俱進的發展。
早期電力電子學定義主要面向功率半導體器件而定義，即為“研究功率半導體中電子運動的科學”，或者稱之為“功率半導體器件及其應用的科學”[15]。隨著電力電子技術的進一步發展，特別是各種變換電路及其控制系統的發展，該電力電子學的定義顯然已經不能包括全部電力電子系統的內容了。
後來人們把電子學分類，分為資訊電子學和電力電子學，即認為“電力電子學主要是一門描述電力變換的科學”[15]。該定義更多的關注電子電路問題，從而將電力電子與微電子截然分開。而事實上，資訊電子學（即微電子技術）已經完全滲透到電力電子各個部分，這種定義顯然也是不全面的。
面對電力電子技術的迅速發展，急需有一個對電力電子科學更加準確的認識和定義。1973年IEEE三個學會，即宇航及電子系統學會（AES）、工業應用學會（IAS）和電子器件學會（PDS）聯合舉辦了IEEE電力電子專家會議。
美國著名電力電子專家Dr. William E. Newell應邀在該會上發表了一篇主題講演[16]：PowerElectronics—Emerging from Limbo。Dr. Newell在講演中首次給出電力電子的經典定義：“電力電子技術是電氣工程三大學科（電子、電力和控制）的交叉技術。其中，電子包括器件和電路；電力包括靜止和旋轉功率設備；控制包括連續和採樣控制”。他採用了一個倒三角形來形象地表徵了這三個方面定義及其相互關係（見圖3），它首次明確了電力電子是一個交叉學科的概念。但當時的認識主要還是基於技術的角度。
Dr. Newell建議儘快建立電力電子學這一新的重要學科和專業。這篇著名講演引起了人們的廣泛關注。1974年IEEE IAS會刊在特約專題上全文正式發表了這篇講演[17]。1977年電力電子專家會議（PESC）特地設立了以Dr. Newell的名字命名的Annual WilliamE. Newell Power Electronics Award，2006年該獎項升格為IEEE最高學術大獎[18]。
圖3 Newell電力電子技術的定義
為對電力電子學定義進一步規範，國際電子電機委員會（IEC）對電力電子學的定義為“以電力技術為物件的電子學”[15]。它定義了電力電子學的應用物件（電力）和所屬學科範疇（電子學），但過於籠統，缺乏具體內容。
1996年國際電氣電子工程師學會（IEEE）則定義：“電力電子技術是有效地使用半導體器件，應用電路和設計理論以及分析方法工具，實現對電能的高效能變換和控制的一門技術，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換”[19]。該定義在技術層面來講應該是比較全面的，一直以來規範著人們對電力電子技術的認識；但仍然是定義在技術層面，並沒有明確指出電力電子學所包含內容。
事實上，電力電子系統包括了半導體開關器件、電子電路及控制等要素，儘管各要素特性不盡相同，從表面看是一個混雜系統，但是從整個變換系統的角度來看，由於它們在系統中的有機結合，從而在物理上已經形成了電力電子變換系統的有機統一，應該有一個完整的理論體系來全面系統地表徵電力電子系統特性。
正如Dr. Newell在1973年那篇講演中指出的那樣：“電力電子技術迫切需要有效的理論指導，要開發綜合性的分析設計方法，以求成本最小、可靠性最高。未來一定會有統一的理論研究新方法，適合於類比和數位、時域和頻域、器件和電路、穩態和瞬態各種情況。換言之，電力電子將成為一門新學科”[17]。
經過近三十年的電力電子技術迅速發展，其應用面更寬，所涉因素更具多元化，當然所面臨的問題也更多，如器件、模組及單元如何組合以適應更高電壓、更大電流的換流需求，電力電子技術如何適應電力網絡化的要求，提高可靠性和降低成本的技術路徑等。
這些都需要去更準確地認識電力電子系統的內在本質和特性，從而形成一個更接近現狀的電力電子學表徵，以對電力電子系統建模、分析、設計及其控制的研究有一個更清晰的背景和統一的基礎，這是擺在電力電子學界前急需解決的問題。
2 再認知框架
長期的理論研究和應用實踐使人們認識到：電力電子系統需要處理好在電力電子特有屬性條件下的電磁能量可控變換，涉及到電磁能量變換瞬態過程及其平衡，需要處理好器件與裝置、控制與主電路、分佈參數與集總參數等關係。
從早期的整流裝置到後來的固態半導體器件的發展，從功率半導體器件的硬開關技術發展到軟開關技術，可以看到它們都在聚焦一個共同的屬性：即器件與裝置的開關特性；且一直在追求著改善針對電磁能量變換的這種開關特性的屬性：即功率大、損耗小、頻率高、回應快[20]。器件、電路及控制的發展都在圍繞改善變換器的開關特性而進行。
基於這種認識，本文提出一個對現階段電力電子學的再認知框架：即認為“電力電子學是一門基於功率半導體開關組合模式的電磁能量高效變換的科學”。該認知框架包含四個關鍵字：“功率半導體”為電磁能量變換的載體和基礎；“開關組合模式”則是變換的基本方式；“電磁能量”為作用物件；“高效變換”則是整個電力電子變換系統行為目標。
該認知框架嘗試從原來主要研究電子學（描述電子運動的科學）擴展到研究電磁能量高效變換的科學，從三個獨立學科（電力、電子和控制）的簡單疊加綜合到針對電磁能量開關組合模式的可控變換行為規律中來。
可以用“一個中心，兩個基本點”來概括這個認知框架內容，它包括兩層含義：①以“功率半導體”為中心，以“電磁能量”和“高效變換”為基本點；②以“功率半導體”為中心，以“開關特性”和“組合特性”為基本點。
圖4集中地表徵了這個認知框架的兩層含義關係。從左至右，表示了電磁能量通過可控的功率半導體作用進行高效變換，這是一種關於電力電子系統應用技術層面的描述，包括電力電子學的物件和目標；而從上至下，則表示了圍繞功率半導體變換作用的兩大關鍵屬性：開關特性和組合特性，前者主要體現單個功率半導體開關器件自身的特性和變換能力，包含功率、效率、回應和頻率等指標，後者則主要強調多個功率半導體開關器件構成的電路拓撲特性，包括空間上的連接關係和時間上的順序關係，體現了開關器件群組特性及其變換能力，這是一種關於電力電子系統科學層面的描述。兩層含義相互獨立又相互依存，構成一個關於電力電子學的有機整體。
圖4 對電力電子學再認知框架圖示
基於上述認識，進一步明確了電力電子系統包括器件、電路及其控制，儘管各要素特性不盡相同，但是從整個系統的角度來看，正因為它們在系統中的有機結合，從而形成了系統的有機統一，呈現出系統自身的科學特性。
概括來說，該認知框架試圖將以往的“電力電子技術”轉化為“電力電子系統分析、設計及其控制理論”，內容包含電力電子系統中的硬體與軟體的適配性，能量與資訊的互動性，非線性與線性的對換性，離散與連續的混雜性，以及多時間尺度的協調性等學科特性，簡要分述如下。
2.1 硬體與軟體的適配性
一個具體的典型電力電子系統硬體結構如圖5所示，其主要硬體部分包括：①由功率二極體器件（也可以是半控型或全控型功率開關器件）構成的整流環節，它將交流電整流成直流電；②由電容和連接件構成的直流母排環節，它將過濾掉直流電上的紋波，同時更好地保持直流電源的性質；③由全控型功率開關器件構成的逆變環節，它將直流電逆變成所需要的交流電；④由感測器、控制晶片、通信連線和驅動電路構成的系統控制環節，它們作為整個資訊系統的物質載體和資訊流的通道。
圖5 典型電力電子系統硬體結構
硬體系統主要包括全部元器件（功率半導體開關器件、無源器件、信號處理器件等）及各元器件的連接（所謂的拓撲結構）。從理想硬體特性來看，功率半導體開關器件相當於理想開關，即開通與關斷之間沒有時間間隔，當然也不考慮開關瞬態過程，僅考慮開通時的通流能力和關斷時的承壓能力（如額定電流和額定電壓）；無源器件主要指的是電感、電容等，可以看成可變的理想電源（理想電流源和電壓源），即不考慮器件損耗和分佈雜散參數，只考慮其集總參數值；信號處理器件則只考慮信號邏輯處理能力，不考慮信號延遲和畸變。
元器件的連接包括連接件材料、接頭以及連接方式（拓撲結構）。在理想情況下，不考慮連接件的材料特性和接頭上的分佈雜散參數，只考慮其連接拓撲特性。這些要素構成了典型變換器理想硬體系統。
軟體系統主要包括信號採樣、I/O通信、信號處理、系統控制、保護、系統功能管理等，它們體現在各信號處理器裡面的程式碼上或者類比信號電路中。理想條件下，不考慮軟體系統的時延和畸變。
電力電子系統中的硬體和軟體系統缺一不可：硬體系統在軟體系統的作用下可控運行，軟體系統通過硬體系統體現功能作用。在硬體和軟體均為理想條件下，理想器件和線性拓撲的電腦模擬可以在不用考慮實際硬體和軟體非理想特性情況下類比整個變換系統運行狀態，一般稱之為“理想運行”或為“機理模擬”。
但是，實際中的硬體和軟體系統都是非理想的，如功率開關器件的開通和關斷過程是需要經歷時間的，也存在電磁損耗；連接件存在分佈雜散參數，信號處理過程中存在時延和畸變等。這些非理想因素在系統實際運行中都會表現出來，體現在硬體和軟體的各個具體器件和演算法的特性參數上。
例如，同為功率開關器件，IGBT與IGCT就有很大差別，即使採用同樣的連接方式（即同樣的拓撲結構），用它們分別作為全控開關器件的變換系統也隨之有很大的差別。所以，考慮非理想因素的存在，研究對實際硬體和軟體參數最適設計和匹配，使整個電力電子系統真正高效可靠運行，這應該是電力電子學所包含的第一部分內容，即軟體與硬體的適配性。
2.2 能量與資訊的互動性
硬體、軟體所運載的是系統中的能量與資訊。此處提到的能量類別，主要指的是電磁能量，由外加電源供給，經過變換系統中的主電路可控變換和傳輸，傳送給外面負載做功；其資訊類別主要指傳感信號、控制指令和通信信號等，來源於主電路上的感測器、外部給定指令和信號處理器內部的邏輯運算輸出等。能量與信號都是電磁量，但在量級和功能上有很大的差異。能量一般指量級大的電磁量，主要為對負載做功所用；信號則電磁量級小，主要為系統運行時的通信和控制所用。
典型的電力電子系統中能量與資訊互動關係如圖6所示，可以看成是能量流與資訊流之間的互動關係。
從圖6中可以看到：能量流流經主電路，資訊流存在於控制系統、週邊電路以及主電路之中，能量流通過資訊流的控制在主電路中進行有效變換和傳遞。
能量流具有強度、分佈和方向三要素。它不僅是時間的函數，也是空間的函數（一維時間，三維空間）；不僅可以雙向流動，也可以多向流動；不僅
圖6 能量流與資訊流互動關係示意圖
可以沿著主電路器件和連接件傳導，也可以在空間以輻射的形式傳播（在高頻、脈衝的條件下）。特別應該指出的是：能量流在傳輸變換過程中一定遵循能量守恆和能量不能突變原則。因此，主電路中半導體開關器件的理想開關特性是不存在的。實際開關過程中的電磁能量是連續變化的，表現為短時間尺度過程，這是電力電子系統中開關模式下電磁能量變換的主要特點之一。
資訊流則表現出多元化的特點：有來自主電路電磁能量狀態的傳感資訊，來自外部給定的指令資訊，來自信號處理器中的分析計算輸出資訊等；既可以是單值脈衝資訊，也可以是連續變化的類比資訊；既可以是即時資訊，也可以是歷史資訊。最重要的資訊流是主電路中半導體開關器件的開關控制資訊，其他資訊都是為開關控制資訊服務的，開關控制資訊的正確與否由其他資訊的綜合效應所決定。
能量與資訊的互動關係決定了電力電子系統的有效可控運行。圖6反映了變換系統中能量與資訊之間的互動關係，主電路中的能量流變換特性是由逆變電路中的全控功率開關器件的開關控制資訊所決定的，而正確的開關控制資訊是由外部指令、傳感資訊和信號處理器中的邏輯分析輸出資訊共同決定的。
因此，開關控制資訊特性直接決定了能量變換和傳遞特性，而其他資訊的特性又決定了開關控制資訊特性，它們相互作用，又相互依存，形成了一個不可分割的有機統一體。但是，由於硬體系統的“非理想”特性，形成了能量脈衝與信號脈衝之間的時延和畸變，能量與資訊互動關係之間又存在許多的不可控“盲區”。這些特性構成了電力電子學的第二部分內容，即能量與資訊的互動性。
2.3 線性與非線性的對換性
由於電力電子系統主電路中的開關器件及其他元器件的非理想特性，在能量與資訊的互動中產生了許多的盲區和不可控部分，即在電力電子系統中的輸入輸出關係表現出很強的非線性關係。一般來講，當一個系統的輸入與輸出關係同時滿足齊次性與疊加性時，稱之為線性關係，否則為非線性關係。電力電子變換系統中非線性關係的一些典型例子見表1。
表1 典型電力電子變換系統中的非線性關係
從表1可以看出，非線性特性主要來源於硬體的材料特性、元器件的運行機理和元器件的連接方式等。對於電力電子系統來說，非線性關係是常態，線性關係是特例。所以對非線性特性的數學描述是瞭解變換系統運行規律的前提條件，需要從硬體的材料特性、元器件的連接方式以及元器件的工作模式中得到能量變換與資訊狀態的互動關係。
然而，由於實際中的非線性關係非常複雜，為簡化能量變換與資訊控制之間的複雜關係，人們往往採用將非線性系統進行線性化的對換。它帶來的好處是可簡化系統，使設計、分析和控制更加簡便，但帶來的問題則是對電磁變換規律的描述可能不準確，參數設計可能不匹配，系統控制可能不精確，尤其是在故障檢測和系統保護方面難以有效實施。
更為複雜的是在電力電子系統運行中，常常出現一些異常的非線性動態行為，如在功率開關器件輸出中的各種異常脈衝，驅動電路中的各種“毛刺”，連接母排上的電磁振盪等。這些都稱之為“結構上的可靠性問題”，輕者影響系統性能，重者則有可能損壞整個裝置和系統。
一般來講，電力電子系統中的異常動力學行為是在一定內外部結構和參數條件變化下產生的，故需要通過對系統中異常行為的檢測和診斷來進行控制保護，需要在不改變原有結構和參數的前提下，通過合理簡化建模、邊界設定以及控制器的設計，以達到精確控制。電力電子系統中的非線性與線性的對換性即為電力電子學的第三部分內容。
2.4 離散與連續的混雜性
常規意義上的離散與連續混雜系統，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、相互作用而形成的統一動態系統。與單純的連續變數動態系統或離散事件動態系統相比，所指混雜系統具有以下特點：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，當連續狀態變數超過閾值時，觸發相應的離散事件。
在電力電子系統中，由於控制系統採用數位控制（如離散採樣、DSP運行等），半導體開關器件採用脈衝調製等方式，資訊與能量狀態表現出離散和連續的混雜。電力電子系統中的離散性表現在信號脈衝和能量脈衝兩個層面上： 離散的信號脈衝來源於數位訊號處理器，以標準脈衝序列形式體現；離散的能量脈衝來源於半導體開關器件的開關特性，通過開通和關斷產生能量脈衝。但由於能量是不能突變的，所以實際中的能量脈衝不是一個真正意義上的離散量，只是一個短時變化較大的連續量。
因此，電力電子學所敘述的離散與連續應該主要對應信號脈衝的離散與能量脈衝的連續。圖7為電力電子系統中的離散與連續構成關係示意圖，即所謂離散決定連續，信號控制能量。
圖7 電力電子系統中的離散與連續構成關係示意圖
電力電子系統中的信號脈衝形態通常較為理想，一般認為是標準的方波。但當信號脈衝在傳播的過程中，可能因為線路中的分佈參數導致出現延遲和畸變，如光纖信號、器件門極信號在傳播中的延遲與畸變等，所以電力電子中的信號脈衝也不能簡單地進行“數位化”處理。對於能量脈衝，它的變化非常快（如在納微秒時間尺度變化），這種短時間尺度的大能量變換是電力電子變換系統電磁能量變換過程中最突出的特點之一。
因此，資訊控制能量和離散控制連續是電力電子系統運行機制的基礎。離散特性由啟動時刻、持續時間以及停止時刻等參量表示，連續特性由幅值大小、變化趨勢以及經歷時間等參量來表示。建立這些參量之間的定量關係，則是解決離散與連續混雜系統最優控制關鍵所在。因此，離散與連續混雜性是電力電子學的第四部分重要內容。
2.5 多時間尺度的協調性
電力電子系統中的電磁回路很多，非線性動態變化很複雜，加之離散與連續的混雜，呈現出在一個總的系統電磁能量變換過程中，每個局部都有基於本身參數的電磁能量變化過程，其變化的時間尺度是不一樣的。如考慮一個典型的電力電子系統的基本結構，它包括四個基本部分：驅動（包括控制演算法和驅動電路）、功率開關器件、無源器件主電路以及負載電路，如圖8所示。
圖8 典型的電力電子變換系統基本電路結構
由於每個電路的電感、電容及電阻不一樣，其瞬變過程的時間常數也都不一樣。因此，電力電子系統本身就是一個多時間尺度電磁瞬態過程並存的場所。能量脈衝在其中的變換傳送速率並不恒定，電磁能流、空穴流、電子流都以不同的速度在系統中流動。
換言之，在這個系統中，各個子系統的電磁能量變換時間常數不同，如無源器件及其組成的電路時間常數以毫秒計，功率開關器件子系統和部分控制電路的時間常數以微秒計，某些高頻軟開關子系統和數位控制系統的時間常數以納秒計。
當電力電子變換器帶機械負載，如電機拖動，則機電能量轉換部分的時間常數以秒計。具有不同時間常數的子系統構成整個電力電子變換系統，如何使得系統中的電磁能量在變換、傳輸和儲存中達到動態平衡成為其關鍵問題。
很多實際電力電子變換系統運行結果表明，大部分系統或其中元器件的失效均發生在電磁瞬態（從某個穩態能量分佈轉向另一個穩態）過程中。在這種電磁瞬態過程中，特別是時間常數不同的各子系統共同工作時，能量變化和分佈很可能失衡，造成破壞性的局部能量集中。
以往在研究電路拓撲的過程中，更多的是基於秒級、毫秒級或百微秒級的時間尺度，如考察電壓、電流的波形畸變率（Total HarmonicDistortion, THD）和系統的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）情況等，而對於更短時間尺度的能量脈衝現象研究不夠（如微秒和納秒級過渡過程）。這種瞬態過程引起的電磁干擾、器件失效等在不同功率等級的裝置中有不同程度的體現，尤其在大容量電力電子裝置中，能量脈衝大，電磁能量瞬變問題突出，器件容易出現損壞。
由於電力電子混雜系統中的各部件電磁參數量相差較大，在同一動態過程中其電磁瞬變時間常數不同，構成了多時間尺度電磁瞬變過程的混雜。因此，不同時間尺度的電磁瞬態過程需要協調，需要對各個電路參數進行優化匹配，這是電力電子系統的一個重要綜合特徵。
特別值得指出的是：對應不同的電磁瞬變時間尺度，其數學建模、解算分析、參數匹配、控制策略等都應該有所區別。如果要考慮全時域電磁瞬態建模和解算分析，則要建立各電磁瞬態變化時間尺度的連接關係。對於電磁瞬態過程時間尺度的準確劃分與應用，可以得到更好的理論建模、解算分析和控制精度的一致性。因此，多時間尺度的協調性是電力電子學中縱覽全域的重要內容。
綜上所述，對電力電子學的再認識，即認為“電力電子學是一門基於功率半導體開關組合模式的電磁能量高效變換的科學”，就是要解決電力電子系統在功率半導體開關組合模式中的硬體與軟體的適配性，能量與資訊的互動性，線性與非線性的對換性，離散與連續的混雜性，以及多時間尺度的協調性等問題。
同時認為：電力電子變換系統是實施電磁能量的可控變換和定向傳輸的系統，在變換和傳輸電磁能量的過程中，無論能量脈衝或者其序列形態如何，時間尺度如何，都必須遵循電磁能量守恆和能量不能突變的原則，這是電力電子學理論的前提和基礎。
上述僅為關於電力電子學所包含內容的定性描述，更為實質細節的描述應是定量的表述。關於對所述電力電子學內容的定量描述（包括建模、解算、設計和控制）將在後續文章中進一步論述。
3 未來發展
電力電子學的發展依託於電力電子技術的發展，電力電子技術的發展一直呈現階段式發展態勢，所以目前對電力電子學的再認識也是屬於階段性的再認識，它仍然在動態發展之中。
如前所述，早期的電力電子技術發展主要依託於功率半導體器件的發展。然而自從20世紀80年代初的全控型代表性器件IGBT發明之後，電力電子系統呈現出更加多元化的發展形態。此後功率半導體器件的發展就與電力電子系統的發展不在同一平行線上了。圖9為人們常用來表述關於功率半導體器件發展極限的形態圖[21]。
圖9 功率半導體器件發展極限形態圖
由圖中可以看到，從性能的角度，大功率和高頻化一直是人們對功率半導體器件所追求的性能目標，人們也把器件的“功率×頻率”值視為功率半導體器件發展的極限值來衡量。當矽基功率半導體器件的“功率×頻率”快要接近理論極限時，寬禁帶半導體材料由於具有理論上的耐高壓、高頻率及高耐溫等特性，成為人們關注的重點。
近幾年來，基於寬禁帶功率半導體（如SiC、GaN等）的功率開關器件迅速發展，成為當前電力電子技術領域的一個熱點[21]。寬禁帶功率半導體器件的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，勢必帶動一個新的電力電子技術發展階段，也將給電力電子學增添新的內容。
然而，電力電子系統的發展除了大功率以及與高頻化相關的高功率密度化之外，則更需要高效化、高可靠性以及智慧化。從器件與系統的發展目標來看，兩者有相同之處，也有不同之處，器件是系統的基礎，但器件並不等於系統。
裝置與系統是器件組合的結果，“電力電子組合化”特性將是未來電力電子系統發展的主要趨勢，也是電力電子學包含的主要內容。目前的電力電子組合化表現形式主要體現在模組組合、單元組合和裝置組合（也稱為網路化組合）的形式上。
3.1 模組組合
多個開關器件組合成獨立的變流單元，稱之為“模組組合”，表現在不同器件的連接方式上。首先是關於功率開關器件的選擇問題：同一電路拓撲選用不同的開關器件，其變換特性是完全不一樣的。例如，相同的二極體鉗位元三電平拓撲結構，如圖10a所示，但分別採用IGBT和IGCT，則這是兩種完全不同的變換裝置，這也是西門子三電平變頻器（圖10b）與ABB三電平變頻器（圖10c）的本質區別。
圖10 二極體鉗位元三電平拓撲結構及對應相同結構的不同產品
然後，是器件的連接方式問題，如採用串聯還是並聯，器件級聯還是模組層級聯，兩電平還是三電平，焊接還是壓接等。原來都將這些連接方式歸結為常規的電路拓撲結構，只是連線與節點的關係；實際上，由於連接方式不同，系統所表現出來的特性（均壓、均流、dv/dt、di/dt、環流、中點平衡等）有很大的區別。
因此，模組組合包括了器件種類及其連接方式等問題。其核心問題是功率半導體器件的開關特性及其可控性問題，即能夠實施極短時間尺度的電磁瞬態能量可控變換。其中，功率、效率、電應力以及波形畸變率等都是它的約束條件，對這些問題的研究都是電力電子學中的重要課題。
3.2 單元組合
單元組合定義為多個變換單元的組合，一般指的是一個獨立變換器中存在的多級變換單元，其目的是實施更多功能和更高性能的電磁功率變換，如目前實際在用的多級變換器、電力電子變壓器、電能路由器等。以電力電子變壓器為例（如圖11所示），從左至右，由整流、逆變、高壓變頻器、再整流、以及再逆變等五個變換單元構成，可以完成交流變壓、直流變壓、電磁隔離、頻率變換、波形變換、功率因數變換等功能。
圖11 典型的電力電子變壓器主電路結構
單元組合首先需要解決的問題是各單元之間的連接關係及其參數匹配。連接關係取決於變換功能和性能的需要，比如圖11中的電力電子變壓器，在兩邊的整流和逆變之間連接一個雙向有源橋（Dual ActiveBridge, DAB），其功能就是起一個隔離、擴大變壓範圍和引出直流埠的作用；在性能方面，它可以改善電能品質、提高故障容錯能力、減小體積和提高系統效率等；在參數匹配方面就包含有電壓、電流、頻率、阻抗（電阻、電容、電感等）以及各元件的開關模式等。
該層次的組合開啟了電力電子學的一個更大發展空間，產生了許多具有更多新功能的變換裝置，如電能路由器就是在電力電子變壓器的基礎上增加交直流母線埠構成。單元組合的核心問題是單元的優化集成問題，特別需要解決高頻高壓下的組合問題（電磁相容、高頻耐壓、損耗最小等）。
3.3 網路化組合
電力電子網路化是當今電力電子學發展的一個新趨勢。電力電子網路化組合指的是多個電力電子變換器依靠電力和資訊傳輸線有機連接起來，實施電力系統協調作用的組合。其目的就是通過多個電力電子變換器網路化組合以達到多種類型的能源和使用者組合在一起，高效、協調、安全、可靠地構成獨立電網、微電網、分散式電網直至大電網。
圖12所示為現代電網中的多種電力電子裝置的應用，包括用於潮流控制的統一潮流控制器（Unified PowerFlow Controller, UPFC）、用於直流輸電的換流閥，用於無功補償的靜止無功補償器（Static varCompensator, STATCOM）和靜止同步串聯補償器（Static Synchonous SeriesCompensator, SSSC）、用於儲能控制的變換器（BTB-DC）、以及用於各種風電光伏並網變換器等。
電力電子變換器在系統中的應用越來越多，且相互之間還存在電磁聯繫和功能性能關係，則這時的電力電子裝置就不是一個孤立的裝置，而是多個電力電子變換器互聯形成一個網路系統。
從電力電子學的角度來看，需要解決回應用電需求側的能力、網架結構、能量與資訊的互動關係以及電力電子本身的可靠性和容錯性等問題，效率和成本仍是非常重要的指標。其核心問題是如何進行網路化的動力學表徵，包括能量與資訊互動表徵、感知量測、系統建模及動態解算等，從而有效實施電力電子裝置的協調控制和網路能信互動。
圖12 智能電網示意圖
4 結論
電力電子學正在動態發展之中，隨著電力電子技術及其應用的快速發展，電力電子學也在不斷地增加其內涵和外延。加深對電力電子學的認識和理解是推動電力電子技術和應用發展的迫切需求，也是有效實施電力電子系統數學建模、模擬、設計和控制的基礎。
電力半導體新器件及其製造技術(電力電子新技術系列圖書) ￥77.95 購買
電子電工電力系統分析新興技術(新能源與智慧電力系統) ￥30.4 購買
電力系統電力電子及其試驗技術(精) ￥93.12 購買
電力電子技術第5版 王兆安 新華書店正版暢銷圖書籍 ￥21.75 購買
電力電子系統電磁瞬態過程 精裝 趙爭鳴 袁立強 魯挺 清華大學出版社 ￥99.5 購買
1947年美國貝爾實驗室發明了半導體電晶體（Transistor）[7]，它具有柵極可控載流子的能力，控制簡單、體積小，該發明引發了微電子技術的一場革命，但可控電磁功率仍然很小。1949年發表的文獻[8]中提到一種“勾型”結型雙極電晶體結構和理論，如圖2所示。
實際上，這種“勾型”電晶體結構就是PNPN四層晶閘管結構，它具有二極體的整流效應，同時能夠可控開通，特別具有雙向少子增強效應，整流功率和效率大大增加。正是這樣一種PNPN四層晶閘管結構，使得電子技術從微電子領域中的電晶體發展到了電力電子的晶閘管，從而開啟了能量級的電力電子技術。相比于水銀液體，晶閘管為固體，故也稱之為“固態電力電子技術（solid statepower electronics）”。
圖2 “勾型”結型雙極電晶體結構
此後，各種固態功率半導體器件不斷產生，如功率場效應管（P-MOSFET）、雙極結型電晶體（Bipolar JunctionTransistor, BJT）、門極可關斷晶閘管（Gate Turn Off, GTO）、絕緣柵雙極型電晶體（Insulated GateBipolar Transistor, IGBT）、集成門極可關斷晶閘管（Intergrated Gate CommutatedThyristors, IGCT）等。
功率半導體器件的襯基材料也從硒、鍺和砷發展到至今廣泛應用的矽，近幾年進一步發展到寬禁帶半導體材料，如碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等。可以說，至今為止，電力電子的發展史主要是功率半導體器件的發展史，“一代器件決定一代電力電子技術”是電力電子界的普遍共識。
因此，電力電子的起源主要來自於兩個方面：①早期電力整流技術的需求，其中，汞弧變流器的應用為電力電子變流技術提供了一定的發展基礎；②晶閘管的出現開啟了功率半導體先河，使得電力變流技術有了根本性的轉折。
功率半導體器件的發展對電力電子技術的發展起著決定性作用。但是，電力電子發展到今天，並不完全等於功率半導體器件的發展歷史。事實上，隨著電力電子技術的不斷進步和發展，電力電子學的內涵和外延亦不斷得到深化和擴展，變流電路、控制技術及應用領域都得到了很大的發展。
電路方面：從早期的AC-DC整流電路到DC-DC斬波電路，從DC-AC逆變電路到AC-AC的變頻電路，直到今天的各種多電平、多重化、多埠、多模組、多級變換等，變換電路已經發展到了一個完全多元化的階段[9,10]。
控制方面：硬體部分從類比電路到單板機、單片機、數位訊號處理器，直到今天的多核系統高性能信號處理器等；軟體部分則更是得到了極大發展，例如在各種脈衝調製方法上，從波形比較、滯環比較、空間向量調製、特定消諧、各種所謂智慧化的調製技術等，控制技術的發展給電力電子系統展現了一個很大的發展空間[11,12]。
應用方面：更是從早期的電力整流，發展到各種直流電源、逆變電源、變頻電源，從早期的電化應用、電力牽引和直流傳動，到後來的交流傳動、直流輸電、無功功率補償，以及現在的新能源發電、電力儲能、能源互聯網等，應用領域還在不斷地擴展和增加[13,14]。
今天，電力電子技術領域呈現出了一個完全多元化時代，人們也一直在努力發展與之相匹配的電力電子科學理論，以求獲得對電力電子系統內在規律更深入的認識和對實際應用更有效的理論指導。事實上，電力電子學一直伴隨著電力電子技術的發展而在與時俱進的發展。
早期電力電子學定義主要面向功率半導體器件而定義，即為“研究功率半導體中電子運動的科學”，或者稱之為“功率半導體器件及其應用的科學”[15]。隨著電力電子技術的進一步發展，特別是各種變換電路及其控制系統的發展，該電力電子學的定義顯然已經不能包括全部電力電子系統的內容了。
後來人們把電子學分類，分為資訊電子學和電力電子學，即認為“電力電子學主要是一門描述電力變換的科學”[15]。該定義更多的關注電子電路問題，從而將電力電子與微電子截然分開。而事實上，資訊電子學（即微電子技術）已經完全滲透到電力電子各個部分，這種定義顯然也是不全面的。
面對電力電子技術的迅速發展，急需有一個對電力電子科學更加準確的認識和定義。1973年IEEE三個學會，即宇航及電子系統學會（AES）、工業應用學會（IAS）和電子器件學會（PDS）聯合舉辦了IEEE電力電子專家會議。
美國著名電力電子專家Dr. William E. Newell應邀在該會上發表了一篇主題講演[16]：PowerElectronics—Emerging from Limbo。Dr. Newell在講演中首次給出電力電子的經典定義：“電力電子技術是電氣工程三大學科（電子、電力和控制）的交叉技術。其中，電子包括器件和電路；電力包括靜止和旋轉功率設備；控制包括連續和採樣控制”。他採用了一個倒三角形來形象地表徵了這三個方面定義及其相互關係（見圖3），它首次明確了電力電子是一個交叉學科的概念。但當時的認識主要還是基於技術的角度。
Dr. Newell建議儘快建立電力電子學這一新的重要學科和專業。這篇著名講演引起了人們的廣泛關注。1974年IEEE IAS會刊在特約專題上全文正式發表了這篇講演[17]。1977年電力電子專家會議（PESC）特地設立了以Dr. Newell的名字命名的Annual WilliamE. Newell Power Electronics Award，2006年該獎項升格為IEEE最高學術大獎[18]。
圖3 Newell電力電子技術的定義
為對電力電子學定義進一步規範，國際電子電機委員會（IEC）對電力電子學的定義為“以電力技術為物件的電子學”[15]。它定義了電力電子學的應用物件（電力）和所屬學科範疇（電子學），但過於籠統，缺乏具體內容。
1996年國際電氣電子工程師學會（IEEE）則定義：“電力電子技術是有效地使用半導體器件，應用電路和設計理論以及分析方法工具，實現對電能的高效能變換和控制的一門技術，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換”[19]。該定義在技術層面來講應該是比較全面的，一直以來規範著人們對電力電子技術的認識；但仍然是定義在技術層面，並沒有明確指出電力電子學所包含內容。
事實上，電力電子系統包括了半導體開關器件、電子電路及控制等要素，儘管各要素特性不盡相同，從表面看是一個混雜系統，但是從整個變換系統的角度來看，由於它們在系統中的有機結合，從而在物理上已經形成了電力電子變換系統的有機統一，應該有一個完整的理論體系來全面系統地表徵電力電子系統特性。
正如Dr. Newell在1973年那篇講演中指出的那樣：“電力電子技術迫切需要有效的理論指導，要開發綜合性的分析設計方法，以求成本最小、可靠性最高。未來一定會有統一的理論研究新方法，適合於類比和數位、時域和頻域、器件和電路、穩態和瞬態各種情況。換言之，電力電子將成為一門新學科”[17]。
經過近三十年的電力電子技術迅速發展，其應用面更寬，所涉因素更具多元化，當然所面臨的問題也更多，如器件、模組及單元如何組合以適應更高電壓、更大電流的換流需求，電力電子技術如何適應電力網絡化的要求，提高可靠性和降低成本的技術路徑等。
這些都需要去更準確地認識電力電子系統的內在本質和特性，從而形成一個更接近現狀的電力電子學表徵，以對電力電子系統建模、分析、設計及其控制的研究有一個更清晰的背景和統一的基礎，這是擺在電力電子學界前急需解決的問題。
2 再認知框架
長期的理論研究和應用實踐使人們認識到：電力電子系統需要處理好在電力電子特有屬性條件下的電磁能量可控變換，涉及到電磁能量變換瞬態過程及其平衡，需要處理好器件與裝置、控制與主電路、分佈參數與集總參數等關係。
從早期的整流裝置到後來的固態半導體器件的發展，從功率半導體器件的硬開關技術發展到軟開關技術，可以看到它們都在聚焦一個共同的屬性：即器件與裝置的開關特性；且一直在追求著改善針對電磁能量變換的這種開關特性的屬性：即功率大、損耗小、頻率高、回應快[20]。器件、電路及控制的發展都在圍繞改善變換器的開關特性而進行。
基於這種認識，本文提出一個對現階段電力電子學的再認知框架：即認為“電力電子學是一門基於功率半導體開關組合模式的電磁能量高效變換的科學”。該認知框架包含四個關鍵字：“功率半導體”為電磁能量變換的載體和基礎；“開關組合模式”則是變換的基本方式；“電磁能量”為作用物件；“高效變換”則是整個電力電子變換系統行為目標。
該認知框架嘗試從原來主要研究電子學（描述電子運動的科學）擴展到研究電磁能量高效變換的科學，從三個獨立學科（電力、電子和控制）的簡單疊加綜合到針對電磁能量開關組合模式的可控變換行為規律中來。
可以用“一個中心，兩個基本點”來概括這個認知框架內容，它包括兩層含義：①以“功率半導體”為中心，以“電磁能量”和“高效變換”為基本點；②以“功率半導體”為中心，以“開關特性”和“組合特性”為基本點。
圖4集中地表徵了這個認知框架的兩層含義關係。從左至右，表示了電磁能量通過可控的功率半導體作用進行高效變換，這是一種關於電力電子系統應用技術層面的描述，包括電力電子學的物件和目標；而從上至下，則表示了圍繞功率半導體變換作用的兩大關鍵屬性：開關特性和組合特性，前者主要體現單個功率半導體開關器件自身的特性和變換能力，包含功率、效率、回應和頻率等指標，後者則主要強調多個功率半導體開關器件構成的電路拓撲特性，包括空間上的連接關係和時間上的順序關係，體現了開關器件群組特性及其變換能力，這是一種關於電力電子系統科學層面的描述。兩層含義相互獨立又相互依存，構成一個關於電力電子學的有機整體。
圖4 對電力電子學再認知框架圖示
基於上述認識，進一步明確了電力電子系統包括器件、電路及其控制，儘管各要素特性不盡相同，但是從整個系統的角度來看，正因為它們在系統中的有機結合，從而形成了系統的有機統一，呈現出系統自身的科學特性。
概括來說，該認知框架試圖將以往的“電力電子技術”轉化為“電力電子系統分析、設計及其控制理論”，內容包含電力電子系統中的硬體與軟體的適配性，能量與資訊的互動性，非線性與線性的對換性，離散與連續的混雜性，以及多時間尺度的協調性等學科特性，簡要分述如下。
2.1 硬體與軟體的適配性
一個具體的典型電力電子系統硬體結構如圖5所示，其主要硬體部分包括：①由功率二極體器件（也可以是半控型或全控型功率開關器件）構成的整流環節，它將交流電整流成直流電；②由電容和連接件構成的直流母排環節，它將過濾掉直流電上的紋波，同時更好地保持直流電源的性質；③由全控型功率開關器件構成的逆變環節，它將直流電逆變成所需要的交流電；④由感測器、控制晶片、通信連線和驅動電路構成的系統控制環節，它們作為整個資訊系統的物質載體和資訊流的通道。
圖5 典型電力電子系統硬體結構
硬體系統主要包括全部元器件（功率半導體開關器件、無源器件、信號處理器件等）及各元器件的連接（所謂的拓撲結構）。從理想硬體特性來看，功率半導體開關器件相當於理想開關，即開通與關斷之間沒有時間間隔，當然也不考慮開關瞬態過程，僅考慮開通時的通流能力和關斷時的承壓能力（如額定電流和額定電壓）；無源器件主要指的是電感、電容等，可以看成可變的理想電源（理想電流源和電壓源），即不考慮器件損耗和分佈雜散參數，只考慮其集總參數值；信號處理器件則只考慮信號邏輯處理能力，不考慮信號延遲和畸變。
元器件的連接包括連接件材料、接頭以及連接方式（拓撲結構）。在理想情況下，不考慮連接件的材料特性和接頭上的分佈雜散參數，只考慮其連接拓撲特性。這些要素構成了典型變換器理想硬體系統。
軟體系統主要包括信號採樣、I/O通信、信號處理、系統控制、保護、系統功能管理等，它們體現在各信號處理器裡面的程式碼上或者類比信號電路中。理想條件下，不考慮軟體系統的時延和畸變。
電力電子系統中的硬體和軟體系統缺一不可：硬體系統在軟體系統的作用下可控運行，軟體系統通過硬體系統體現功能作用。在硬體和軟體均為理想條件下，理想器件和線性拓撲的電腦模擬可以在不用考慮實際硬體和軟體非理想特性情況下類比整個變換系統運行狀態，一般稱之為“理想運行”或為“機理模擬”。
但是，實際中的硬體和軟體系統都是非理想的，如功率開關器件的開通和關斷過程是需要經歷時間的，也存在電磁損耗；連接件存在分佈雜散參數，信號處理過程中存在時延和畸變等。這些非理想因素在系統實際運行中都會表現出來，體現在硬體和軟體的各個具體器件和演算法的特性參數上。
例如，同為功率開關器件，IGBT與IGCT就有很大差別，即使採用同樣的連接方式（即同樣的拓撲結構），用它們分別作為全控開關器件的變換系統也隨之有很大的差別。所以，考慮非理想因素的存在，研究對實際硬體和軟體參數最適設計和匹配，使整個電力電子系統真正高效可靠運行，這應該是電力電子學所包含的第一部分內容，即軟體與硬體的適配性。
2.2 能量與資訊的互動性
硬體、軟體所運載的是系統中的能量與資訊。此處提到的能量類別，主要指的是電磁能量，由外加電源供給，經過變換系統中的主電路可控變換和傳輸，傳送給外面負載做功；其資訊類別主要指傳感信號、控制指令和通信信號等，來源於主電路上的感測器、外部給定指令和信號處理器內部的邏輯運算輸出等。能量與信號都是電磁量，但在量級和功能上有很大的差異。能量一般指量級大的電磁量，主要為對負載做功所用；信號則電磁量級小，主要為系統運行時的通信和控制所用。
典型的電力電子系統中能量與資訊互動關係如圖6所示，可以看成是能量流與資訊流之間的互動關係。
從圖6中可以看到：能量流流經主電路，資訊流存在於控制系統、週邊電路以及主電路之中，能量流通過資訊流的控制在主電路中進行有效變換和傳遞。
能量流具有強度、分佈和方向三要素。它不僅是時間的函數，也是空間的函數（一維時間，三維空間）；不僅可以雙向流動，也可以多向流動；不僅
圖6 能量流與資訊流互動關係示意圖
可以沿著主電路器件和連接件傳導，也可以在空間以輻射的形式傳播（在高頻、脈衝的條件下）。特別應該指出的是：能量流在傳輸變換過程中一定遵循能量守恆和能量不能突變原則。因此，主電路中半導體開關器件的理想開關特性是不存在的。實際開關過程中的電磁能量是連續變化的，表現為短時間尺度過程，這是電力電子系統中開關模式下電磁能量變換的主要特點之一。
資訊流則表現出多元化的特點：有來自主電路電磁能量狀態的傳感資訊，來自外部給定的指令資訊，來自信號處理器中的分析計算輸出資訊等；既可以是單值脈衝資訊，也可以是連續變化的類比資訊；既可以是即時資訊，也可以是歷史資訊。最重要的資訊流是主電路中半導體開關器件的開關控制資訊，其他資訊都是為開關控制資訊服務的，開關控制資訊的正確與否由其他資訊的綜合效應所決定。
能量與資訊的互動關係決定了電力電子系統的有效可控運行。圖6反映了變換系統中能量與資訊之間的互動關係，主電路中的能量流變換特性是由逆變電路中的全控功率開關器件的開關控制資訊所決定的，而正確的開關控制資訊是由外部指令、傳感資訊和信號處理器中的邏輯分析輸出資訊共同決定的。
因此，開關控制資訊特性直接決定了能量變換和傳遞特性，而其他資訊的特性又決定了開關控制資訊特性，它們相互作用，又相互依存，形成了一個不可分割的有機統一體。但是，由於硬體系統的“非理想”特性，形成了能量脈衝與信號脈衝之間的時延和畸變，能量與資訊互動關係之間又存在許多的不可控“盲區”。這些特性構成了電力電子學的第二部分內容，即能量與資訊的互動性。
2.3 線性與非線性的對換性
由於電力電子系統主電路中的開關器件及其他元器件的非理想特性，在能量與資訊的互動中產生了許多的盲區和不可控部分，即在電力電子系統中的輸入輸出關係表現出很強的非線性關係。一般來講，當一個系統的輸入與輸出關係同時滿足齊次性與疊加性時，稱之為線性關係，否則為非線性關係。電力電子變換系統中非線性關係的一些典型例子見表1。
表1 典型電力電子變換系統中的非線性關係
從表1可以看出，非線性特性主要來源於硬體的材料特性、元器件的運行機理和元器件的連接方式等。對於電力電子系統來說，非線性關係是常態，線性關係是特例。所以對非線性特性的數學描述是瞭解變換系統運行規律的前提條件，需要從硬體的材料特性、元器件的連接方式以及元器件的工作模式中得到能量變換與資訊狀態的互動關係。
然而，由於實際中的非線性關係非常複雜，為簡化能量變換與資訊控制之間的複雜關係，人們往往採用將非線性系統進行線性化的對換。它帶來的好處是可簡化系統，使設計、分析和控制更加簡便，但帶來的問題則是對電磁變換規律的描述可能不準確，參數設計可能不匹配，系統控制可能不精確，尤其是在故障檢測和系統保護方面難以有效實施。
更為複雜的是在電力電子系統運行中，常常出現一些異常的非線性動態行為，如在功率開關器件輸出中的各種異常脈衝，驅動電路中的各種“毛刺”，連接母排上的電磁振盪等。這些都稱之為“結構上的可靠性問題”，輕者影響系統性能，重者則有可能損壞整個裝置和系統。
一般來講，電力電子系統中的異常動力學行為是在一定內外部結構和參數條件變化下產生的，故需要通過對系統中異常行為的檢測和診斷來進行控制保護，需要在不改變原有結構和參數的前提下，通過合理簡化建模、邊界設定以及控制器的設計，以達到精確控制。電力電子系統中的非線性與線性的對換性即為電力電子學的第三部分內容。
2.4 離散與連續的混雜性
常規意義上的離散與連續混雜系統，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、相互作用而形成的統一動態系統。與單純的連續變數動態系統或離散事件動態系統相比，所指混雜系統具有以下特點：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，當連續狀態變數超過閾值時，觸發相應的離散事件。
在電力電子系統中，由於控制系統採用數位控制（如離散採樣、DSP運行等），半導體開關器件採用脈衝調製等方式，資訊與能量狀態表現出離散和連續的混雜。電力電子系統中的離散性表現在信號脈衝和能量脈衝兩個層面上： 離散的信號脈衝來源於數位訊號處理器，以標準脈衝序列形式體現；離散的能量脈衝來源於半導體開關器件的開關特性，通過開通和關斷產生能量脈衝。但由於能量是不能突變的，所以實際中的能量脈衝不是一個真正意義上的離散量，只是一個短時變化較大的連續量。
因此，電力電子學所敘述的離散與連續應該主要對應信號脈衝的離散與能量脈衝的連續。圖7為電力電子系統中的離散與連續構成關係示意圖，即所謂離散決定連續，信號控制能量。
圖7 電力電子系統中的離散與連續構成關係示意圖
電力電子系統中的信號脈衝形態通常較為理想，一般認為是標準的方波。但當信號脈衝在傳播的過程中，可能因為線路中的分佈參數導致出現延遲和畸變，如光纖信號、器件門極信號在傳播中的延遲與畸變等，所以電力電子中的信號脈衝也不能簡單地進行“數位化”處理。對於能量脈衝，它的變化非常快（如在納微秒時間尺度變化），這種短時間尺度的大能量變換是電力電子變換系統電磁能量變換過程中最突出的特點之一。
因此，資訊控制能量和離散控制連續是電力電子系統運行機制的基礎。離散特性由啟動時刻、持續時間以及停止時刻等參量表示，連續特性由幅值大小、變化趨勢以及經歷時間等參量來表示。建立這些參量之間的定量關係，則是解決離散與連續混雜系統最優控制關鍵所在。因此，離散與連續混雜性是電力電子學的第四部分重要內容。
2.5 多時間尺度的協調性
電力電子系統中的電磁回路很多，非線性動態變化很複雜，加之離散與連續的混雜，呈現出在一個總的系統電磁能量變換過程中，每個局部都有基於本身參數的電磁能量變化過程，其變化的時間尺度是不一樣的。如考慮一個典型的電力電子系統的基本結構，它包括四個基本部分：驅動（包括控制演算法和驅動電路）、功率開關器件、無源器件主電路以及負載電路，如圖8所示。
圖8 典型的電力電子變換系統基本電路結構
由於每個電路的電感、電容及電阻不一樣，其瞬變過程的時間常數也都不一樣。因此，電力電子系統本身就是一個多時間尺度電磁瞬態過程並存的場所。能量脈衝在其中的變換傳送速率並不恒定，電磁能流、空穴流、電子流都以不同的速度在系統中流動。
換言之，在這個系統中，各個子系統的電磁能量變換時間常數不同，如無源器件及其組成的電路時間常數以毫秒計，功率開關器件子系統和部分控制電路的時間常數以微秒計，某些高頻軟開關子系統和數位控制系統的時間常數以納秒計。
當電力電子變換器帶機械負載，如電機拖動，則機電能量轉換部分的時間常數以秒計。具有不同時間常數的子系統構成整個電力電子變換系統，如何使得系統中的電磁能量在變換、傳輸和儲存中達到動態平衡成為其關鍵問題。
很多實際電力電子變換系統運行結果表明，大部分系統或其中元器件的失效均發生在電磁瞬態（從某個穩態能量分佈轉向另一個穩態）過程中。在這種電磁瞬態過程中，特別是時間常數不同的各子系統共同工作時，能量變化和分佈很可能失衡，造成破壞性的局部能量集中。
以往在研究電路拓撲的過程中，更多的是基於秒級、毫秒級或百微秒級的時間尺度，如考察電壓、電流的波形畸變率（Total HarmonicDistortion, THD）和系統的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）情況等，而對於更短時間尺度的能量脈衝現象研究不夠（如微秒和納秒級過渡過程）。這種瞬態過程引起的電磁干擾、器件失效等在不同功率等級的裝置中有不同程度的體現，尤其在大容量電力電子裝置中，能量脈衝大，電磁能量瞬變問題突出，器件容易出現損壞。
由於電力電子混雜系統中的各部件電磁參數量相差較大，在同一動態過程中其電磁瞬變時間常數不同，構成了多時間尺度電磁瞬變過程的混雜。因此，不同時間尺度的電磁瞬態過程需要協調，需要對各個電路參數進行優化匹配，這是電力電子系統的一個重要綜合特徵。
特別值得指出的是：對應不同的電磁瞬變時間尺度，其數學建模、解算分析、參數匹配、控制策略等都應該有所區別。如果要考慮全時域電磁瞬態建模和解算分析，則要建立各電磁瞬態變化時間尺度的連接關係。對於電磁瞬態過程時間尺度的準確劃分與應用，可以得到更好的理論建模、解算分析和控制精度的一致性。因此，多時間尺度的協調性是電力電子學中縱覽全域的重要內容。
綜上所述，對電力電子學的再認識，即認為“電力電子學是一門基於功率半導體開關組合模式的電磁能量高效變換的科學”，就是要解決電力電子系統在功率半導體開關組合模式中的硬體與軟體的適配性，能量與資訊的互動性，線性與非線性的對換性，離散與連續的混雜性，以及多時間尺度的協調性等問題。
同時認為：電力電子變換系統是實施電磁能量的可控變換和定向傳輸的系統，在變換和傳輸電磁能量的過程中，無論能量脈衝或者其序列形態如何，時間尺度如何，都必須遵循電磁能量守恆和能量不能突變的原則，這是電力電子學理論的前提和基礎。
上述僅為關於電力電子學所包含內容的定性描述，更為實質細節的描述應是定量的表述。關於對所述電力電子學內容的定量描述（包括建模、解算、設計和控制）將在後續文章中進一步論述。
3 未來發展
電力電子學的發展依託於電力電子技術的發展，電力電子技術的發展一直呈現階段式發展態勢，所以目前對電力電子學的再認識也是屬於階段性的再認識，它仍然在動態發展之中。
如前所述，早期的電力電子技術發展主要依託於功率半導體器件的發展。然而自從20世紀80年代初的全控型代表性器件IGBT發明之後，電力電子系統呈現出更加多元化的發展形態。此後功率半導體器件的發展就與電力電子系統的發展不在同一平行線上了。圖9為人們常用來表述關於功率半導體器件發展極限的形態圖[21]。
圖9 功率半導體器件發展極限形態圖
由圖中可以看到，從性能的角度，大功率和高頻化一直是人們對功率半導體器件所追求的性能目標，人們也把器件的“功率×頻率”值視為功率半導體器件發展的極限值來衡量。當矽基功率半導體器件的“功率×頻率”快要接近理論極限時，寬禁帶半導體材料由於具有理論上的耐高壓、高頻率及高耐溫等特性，成為人們關注的重點。
近幾年來，基於寬禁帶功率半導體（如SiC、GaN等）的功率開關器件迅速發展，成為當前電力電子技術領域的一個熱點[21]。寬禁帶功率半導體器件的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，勢必帶動一個新的電力電子技術發展階段，也將給電力電子學增添新的內容。
然而，電力電子系統的發展除了大功率以及與高頻化相關的高功率密度化之外，則更需要高效化、高可靠性以及智慧化。從器件與系統的發展目標來看，兩者有相同之處，也有不同之處，器件是系統的基礎，但器件並不等於系統。
裝置與系統是器件組合的結果，“電力電子組合化”特性將是未來電力電子系統發展的主要趨勢，也是電力電子學包含的主要內容。目前的電力電子組合化表現形式主要體現在模組組合、單元組合和裝置組合（也稱為網路化組合）的形式上。
3.1 模組組合
多個開關器件組合成獨立的變流單元，稱之為“模組組合”，表現在不同器件的連接方式上。首先是關於功率開關器件的選擇問題：同一電路拓撲選用不同的開關器件，其變換特性是完全不一樣的。例如，相同的二極體鉗位元三電平拓撲結構，如圖10a所示，但分別採用IGBT和IGCT，則這是兩種完全不同的變換裝置，這也是西門子三電平變頻器（圖10b）與ABB三電平變頻器（圖10c）的本質區別。
圖10 二極體鉗位元三電平拓撲結構及對應相同結構的不同產品
然後，是器件的連接方式問題，如採用串聯還是並聯，器件級聯還是模組層級聯，兩電平還是三電平，焊接還是壓接等。原來都將這些連接方式歸結為常規的電路拓撲結構，只是連線與節點的關係；實際上，由於連接方式不同，系統所表現出來的特性（均壓、均流、dv/dt、di/dt、環流、中點平衡等）有很大的區別。
因此，模組組合包括了器件種類及其連接方式等問題。其核心問題是功率半導體器件的開關特性及其可控性問題，即能夠實施極短時間尺度的電磁瞬態能量可控變換。其中，功率、效率、電應力以及波形畸變率等都是它的約束條件，對這些問題的研究都是電力電子學中的重要課題。
3.2 單元組合
單元組合定義為多個變換單元的組合，一般指的是一個獨立變換器中存在的多級變換單元，其目的是實施更多功能和更高性能的電磁功率變換，如目前實際在用的多級變換器、電力電子變壓器、電能路由器等。以電力電子變壓器為例（如圖11所示），從左至右，由整流、逆變、高壓變頻器、再整流、以及再逆變等五個變換單元構成，可以完成交流變壓、直流變壓、電磁隔離、頻率變換、波形變換、功率因數變換等功能。
圖11 典型的電力電子變壓器主電路結構
單元組合首先需要解決的問題是各單元之間的連接關係及其參數匹配。連接關係取決於變換功能和性能的需要，比如圖11中的電力電子變壓器，在兩邊的整流和逆變之間連接一個雙向有源橋（Dual ActiveBridge, DAB），其功能就是起一個隔離、擴大變壓範圍和引出直流埠的作用；在性能方面，它可以改善電能品質、提高故障容錯能力、減小體積和提高系統效率等；在參數匹配方面就包含有電壓、電流、頻率、阻抗（電阻、電容、電感等）以及各元件的開關模式等。
該層次的組合開啟了電力電子學的一個更大發展空間，產生了許多具有更多新功能的變換裝置，如電能路由器就是在電力電子變壓器的基礎上增加交直流母線埠構成。單元組合的核心問題是單元的優化集成問題，特別需要解決高頻高壓下的組合問題（電磁相容、高頻耐壓、損耗最小等）。
3.3 網路化組合
電力電子網路化是當今電力電子學發展的一個新趨勢。電力電子網路化組合指的是多個電力電子變換器依靠電力和資訊傳輸線有機連接起來，實施電力系統協調作用的組合。其目的就是通過多個電力電子變換器網路化組合以達到多種類型的能源和使用者組合在一起，高效、協調、安全、可靠地構成獨立電網、微電網、分散式電網直至大電網。
圖12所示為現代電網中的多種電力電子裝置的應用，包括用於潮流控制的統一潮流控制器（Unified PowerFlow Controller, UPFC）、用於直流輸電的換流閥，用於無功補償的靜止無功補償器（Static varCompensator, STATCOM）和靜止同步串聯補償器（Static Synchonous SeriesCompensator, SSSC）、用於儲能控制的變換器（BTB-DC）、以及用於各種風電光伏並網變換器等。
電力電子變換器在系統中的應用越來越多，且相互之間還存在電磁聯繫和功能性能關係，則這時的電力電子裝置就不是一個孤立的裝置，而是多個電力電子變換器互聯形成一個網路系統。
從電力電子學的角度來看，需要解決回應用電需求側的能力、網架結構、能量與資訊的互動關係以及電力電子本身的可靠性和容錯性等問題，效率和成本仍是非常重要的指標。其核心問題是如何進行網路化的動力學表徵，包括能量與資訊互動表徵、感知量測、系統建模及動態解算等，從而有效實施電力電子裝置的協調控制和網路能信互動。
圖12 智能電網示意圖
4 結論
電力電子學正在動態發展之中，隨著電力電子技術及其應用的快速發展，電力電子學也在不斷地增加其內涵和外延。加深對電力電子學的認識和理解是推動電力電子技術和應用發展的迫切需求，也是有效實施電力電子系統數學建模、模擬、設計和控制的基礎。
電力半導體新器件及其製造技術(電力電子新技術系列圖書) ￥77.95 購買
電子電工電力系統分析新興技術(新能源與智慧電力系統) ￥30.4 購買
電力系統電力電子及其試驗技術(精) ￥93.12 購買
電力電子技術第5版 王兆安 新華書店正版暢銷圖書籍 ￥21.75 購買
電力電子系統電磁瞬態過程 精裝 趙爭鳴 袁立強 魯挺 清華大學出版社 ￥99.5 購買