从上面发展历程来看,此时我们电气工程中5个二级学科已经出现了4个,分别是电工理论与新技术、电机与电器、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术。我们这本书的主角“电力电子”此时还隐藏在幕后。直到1957年,美国GE公司研制出世界上第一款商业化晶闸管产品,我们通常将此称为电力电子技术的诞生标志(有人要问晶体管诞生得更早,为什么不是晶体管作为标志呢,本书作者认为主要是当时晶体管的电压电流还很低,只能处理小功率信号级的放大,比如说在收音机里面,如1954年第一台商用晶体管收音机就上市了)。晶闸管是一个半控型功率半导体器件,很快被应用于交流电与直流电之间的变换与调节。之后不久,具有更强功能的全控型功率器件陆续出现,如门极可关断(GTO)晶闸管、双极型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等,这些全控型功率器极大地促进了电力电子技术发展。
关于电力电子技术的定义,其同样经历了不同阶段的发展与丰富。1973年6月,在美国召开的IEEE电力电子专家会议(Power Electronics Specialists Conference,PESC)上,美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation)的William E.Newell博士首次给出了电力电子技术的定义,即电力电子技术是电子、电力和控制的交叉,并用倒三角进行了表示,如图1-24所示 [6] 。其中,电子学科包括器件和电路,电力学科包括静止设备和旋转设备,控制学科包括连续控制和离散控制。因此,电力电子技术是一门多学科交叉技术。这个图很有价值,甚至被20世纪80年代我国的“全国电力电子学会”(我国第一个电力电子技术的学术交流平台,1979年8月,在一机部西安整流器研究所召开了发起成立“电力电子学会”的座谈会,1980年9月在长春南湖宾馆召开了“全国电力电子学会成立筹备会议”,1980年11月获批成立“全国电力电子学会”)会员证上使用 [7] ,如图1-25所示。
图1-24 William E.Newell博士给出的电力电子技术的定义
图1-25 全国电力电子学会证
(感谢孙流芳老先生提供,他也是“电力电子新技术系列图书的开创者”)
2013年,国际著名电力电子专家、美国弗吉尼亚理工大学李泽元教授在“On a future for power electronics”一文中对电力电子技术的内涵进行了扩展和细化,指出电力电子技术是多学科的交叉,包括功率器件(涵盖器件本体以及驱动、保护等)、功率变换电路(涵盖硬开关电路、软开关电路、谐振电路以及各种电路拓扑等)、控制理论、无源元件(涵盖电感、变压器、电容等)、封装(涵盖封装材料、互连、结构布局等)、电磁环境影响(涵盖谐波、EMI、EMC等)、热管理(涵盖热传导介质以及方式等)、加工制造等,如图1-26所示 [8] 。
图1-26 李泽元教授给出的电力电子技术所涉及学科
相关的国际机构同样给出了电力电子技术的定义,如1990年国际电工委员会(IEC)定义电力电子学为“以电力技术为对象的电子学”。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年国际电气与电子工程师协会(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”,可见,该定义从技术层面更加全面。
清华大学赵争鸣教授提出了对现阶段电力电子学的再认知框架 [9] :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。图1-27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,包含电压/电流、损耗、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以及无源元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,体现了元器件群组特性及其变换能力。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。
图1-27 赵争鸣教授对电力电子学的再认知框架
从上可见,无论电力电子学诞生的标志,还是对电力电子学的定义,功率器件都处于重要地位,下面一章我们将从功率器件的发展史开始。