电力电子学科史上的一次重要演讲

上期内容：迎接电子化电能系统的新时代

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Newell 博士

电力电子技术先驱 

西屋电气工程师

电力电子学从不被重视到脱颖而出，William E. Newell 博士 1973 年做的一次演讲是电力电子学科发展史上的一个重要里程碑。不幸的是，演讲结束三年之后，Newell 博士就英年早逝了。2006年，在Newell 博士逝世 30 周年之际，我国著名的电力电子技术专家、清华大学蔡宣三教授特别撰文纪念这位国际电力电子技术先驱者。

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引言

1973年6月，在美国加州的Pasadena，IEEE下属的宇航及电子系统学会、工业应用学会、电子器件学会联合举办了IEEE电力电子专家会议（Power Electronics Specialists Conference，PESC）。会上，William E Newell博士应邀做了题为《电力电子从不被重视到脱颖而出》（Power Electronics-Emerging from Limbo）的主题报告，在电力电子学科发展历史上有重要的意义。

Newell博士在演讲中首次给出了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。原文：Power electronics is a technology which is interstitial  to  all three of the major disciplines of electrical engineering: electronics, power and control. Yet its rapidly expanding significance has not been widely recognized, and the historical parochialism of specialists within the technology has stifled communication and cooperation in solving increasingly challenging problems. This paper calls for an end to this parochialism, leading to the emergence of an important new discipline and profession. 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。简言之，电力电子是一门多学科交叉技术：功率流经电力电子电路，并由电子器件控制，流向静止和旋转功率设备。原文：Power electronics is a interstitial technology, in which power flow through and are controlled by electronic devices. 

电力电子学是电子、电力和控制学科的交叉

这篇演讲包括三个内容：

1、电力电子现状分析；

2、迫切需要电力电子专家联合面对挑战；

3、电力电子未来一定会成为一门成熟的学科和职业。

Newell在演讲中引用了30篇文献，主要是美国40-70年代发表的论文或参考书。Newell着重指出：70年代，美国电力电子技术的研究处在分散和不被重视的状态。建议尽快建立电力电子学这一新的重要学科和专业。

这次著名的演讲引起了人们的广泛关注。1974年，IEEE Transactions on Industry Applications期刊在特约专题（Guest Feature）一栏全文正式发表了这篇演讲。

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Newell 博士生平

William E. Newell先后获得美国俄亥俄州立大学和匹茨堡卡内基梅隆大学电机工程系学士、硕士和博士学位。在贝鲁特的美国大学和卡内基梅隆大学从事教学工作四年，之后在匹茨堡西屋电气公司研究所工作，主持固态器件研究和电路计算机辅助设计等许多项目，并负责电力电子在新领域中应用的研究课题。在西屋电气公司研发中心，Newell博士开设了电力电子学课程，并在卡内基梅隆大学讲授该课程。他是美国宾夕法尼亚州注册工程师、IEEE Senior Member。曾在IEEE电子器件学会理事会和功率器件委员会、固态电路委员会等学术组织兼职，并参加工业应用学会、静止功率变换器委员会的工作。1974年担任PESC程序委员会主席。1976年逝世。

William E.Newell 博士

根据IEEE电力电子学会（IEEE Power Electronics Society，IEEE PELS）官方网站的介绍，Newell博士是一位著名的电力电子权威人士，毕生致力于帮助工程师和大学生更好地了解电力电子学，曾在西屋公司和卡内基梅隆大学讲授电力电子学课程。Newell去世以后，由莫特(J. W. Mott, Jr.)将该课程的讲义编辑出版，书名为《固态电力电子学导论》。

Newell生前指出了电力电子学的多学科（multi-discipline）本质，建议建立这门新的学科。他也为IEEE PELS的建立播下了种子。

为纪念Newell博士，1977年的PESC会议设立了以他的名字命名的电力电子奖：Annual William E. Newell Power Electronics Award，以奖励世界各国杰出的电力电子专家对电力电子学发展作出的贡献，每年评选一名。后来该奖项正式成为IEEE PELS的年度电力电子大奖。自2006年起，该奖项升格为 IEEE William E. Newell Technical Field Award，是IEEE PELS的最高奖项。

 Newell 电力电子奖章

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时代背景

上世纪70年代，固态功率器件仅有硅二极管、晶闸管SCR和双极功率晶体管BPT等；SCR已取代了闸流管、引燃管、汞弧整流器等；SCR相位控制逐步取代磁放大器控制；功率静止变换器已取代M-G机组；开关稳压电源开始取代线性稳压电源；PWM控制刚开始应用。

但那时的电力电子技术还没有形成学科，分散在各个应用领域和学科内；功率变换理论分析研究还很落后；名词、术语没有统一，当时的习惯用语五花八门，工业电子、power conditioning、power processing、硅可控整流、电源等等，几乎都是表示相同内容。1969年，国际著名的磁放大器专家H. F. Storm在IEEE Spectrum上发表文章《美国的固态电力电子技术》（Solid State Power Electronics in USA），这是最早出现电力电子这一名词的文献。

Newell博士在演讲中指出了当时存在的许多不协调现象：

1、只将电子技术理解为信号处理，不重视电力电子对功率和能量处理的作用。

2、电力电子技术强调的效率，得不到电子工程师的重视。

3、固态功率器件工作于重复开关状态，虽然数字电子工程师比较熟悉，但电力工程师却很陌生。

4、固态功率器件的瞬态热问题使电力工程师感到困扰，只有少数电子工程师能理解瞬态热阻问题。

5、使开关动作的信号是连续变化的，模拟电子工程师能理解，而数字电子工程师不能理解。

6、控制工程师熟悉系统稳定性、控制准确性和响应速度，但对开关变换器瞬态建模问题却无能为力。

7、轧钢机电力传动与卫星中的DC-DC变换器有什么共同点，人们很少考虑，等等。

上世纪60年代，IEEE PELS还未建立，没有出版独立的电力电子学专业期刊或杂志。1970年4月，在美国举行的功率调节专家会议（Power Conditioning Specialist Conference，PCSC）是电力电子专家们第一次组织的学术会议。1973年，在第4届PCSC上，该会议正式改名为电力电子专家会议PESC。

在60至70年代，人们认为：微电子技术的功能是信号处理（Signal Processing），而电力电子技术的主要功能是功率调节（Power Conditioning）或功率处理（Power Processing）。功率处理主要是指功率变换技术，包括整流、DC-DC变换、逆变等。

上世纪80年代初，加州理工学院R. D. Middlebrook博士给出了功率处理的定义，即：将电能从某个电压、电流或频率变换为另一个电压、电流或频率。下图中，(a)、(b)分别表示信号处理和功率处理系统的功能。

信号处理和功率处理系统

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电力电子分类

在演讲的第一部分，Newell根据电气工程的三个学科领域，即电子、电力和控制，首次提出了电力电子分类大纲（Classification Scheme）。这一分类过去还没有人提出过，它既包含了电力电子的专业范畴，又包括了电力电子与这三个学科领域的交叉重叠部分。他认为，电力电子分类不但对教学有益，而且对电力电子文献的分类也很有用。Newell建议电力电子按三大块分类：系统与控制、功率器件、电力电子电路，具体内容如下:

(1) System & Control

General systems and application topics, Control theory and stability analysis, Sensing and gating signal generation, Motor drives and machines (DC, AC, brushless machines), Heating & welding equipment, HVDC and other utility equipment, Large power supplies, Low power or/and high frequency equipment, Miscellaneous applications.

(2) Solid state power devices

Materials and fabrication processes, Power diode, Power transistor, Turn-on and turn-off devices, High voltage design and overvoltage protection, High current design, on-state voltage and cooling, Surge and pulse current, Transient thermal analysis and fuse coordination, dv/dt considerations, cathode shunts and snubber design, Turn-on and di/dt considerations, turn-off and recovery considerations, Series/parallel Array equalization, second breakdown.

(3) Power Circuits and Components

Power components，Harmonics and filters, Naturally commutated circuits (AC/DC converters, AC switches and regulators, Cyclo-converters, VA-regulators, Pulse circuits), Self-Commutated circuits and tech. for forced commutation (DC switches and regulators, Inverters, Frequency and power factor changer, Active filters).

Newell博士三十多年前提出的分类为现代电力电子学奠定了基础。例如，器件部分从电力电子应用和设计角度考虑，几乎囊括了所有基本问题，包括保护、冷却、浪涌、热瞬态，直到均流、均压。值得注意的是，70年代是SCR年代，快速电力电子器件还没有诞生。那时能提出这样详尽的大纲，说明他对功率器件研究功底的深厚。

电路部分包括开关、调节器、变换器、逆变器、变频器、有源滤波、功率因数校正等，和现代电力电子学基本一致。当然，随着科学技术的进步，具体内容现在又有了新的发展。

系统部分包括DC与AC电力传动及电机、热处理和焊接、各种电源、高压直流输电等。值得注意的是，那时柔性输电、柔性配电的概念尚未提出，电力电子在电力系统中的应用还局限于HVDC。而电力传动则还停留在以直流传动为主的阶段。因此，分类大纲不可避免地会存在一定的历史局限和时代局限性。但无论如何，Newell博士的开创性思维，到今天还有重要参考价值，令后人崇敬。

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电力电子的特点

Newell博士在演讲的第二部分分析了电力电子的几个特点：

1、发展受功率半导体器件的限制。例如，由于缺乏高压大功率器件，阻碍了高电压大功率变换器（例如GW级）容量的扩大。

2、成本太高，阻碍了电力电子的推广应用。

3、是一门实验技术，产品上市前需要做大量实验。一般需要几年时间才能使电力电子的某种应用成为主导技术，使产品占市场90%以上。

4、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。

Newell博士在三十多年前指出的电力电子的这些性质和特点，今天依然值得我们重视和参考。

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电力电子的未来发展趋势

Newell博士在演讲的第三部分预测了电力电子的未来发展趋势，他明确指出：

1、电力电子系统应用将继续发展扩大，只有电力电子器件才能实现高效率、高可靠性、可维护性，以及能满足可控程度和响应速度要求的各种新应用。

2、将开发出计算机辅助分析和器件建模方法，使标准设计和定制设计（Custom design）最优，并降低成本、提高可靠性。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。

3、随着固态大功率器件市场开发和增长，应当进一步研究开发器件。透彻了解电荷动态、热流问题，才能改进功率器件技术。可关断器件应用将更普遍。

4、将制造出标准通用的开关模块，功能更强，成本更低，而不降低可靠性。控制电路将集成化、标准化。

5、大学里将建立电力电子专业，开设相关课程，出版教科书，开展研究。国家需要部分大学有更高水平的电力电子教学与研究。

6、器件、电路和电力电子各个应用领域的专家们将会有更多合作、交流的机会，例如像PESC这样的国际会议，电力电子学将会得到更普遍的承认。

Newell博士三十多年前关于电力电子发展趋势的预测，绝大部分已经实现，历史的发展证明了Newell博士的远见卓识。

当结束这次著名演讲的时候，Newell满怀信心地强调：电力电子一定会脱颖而出，走出不被重视的状态。不幸的是，这篇演讲发表三年之后，Newell博士来不及看到他的预言全部实现，就溘然长逝。

在Newell博士逝世30周年之际，我们深切缅怀这位先驱者为电力电子学科的创建、发展作出的杰出贡献。

备注：本文原载于2006台达电力电子新技术研讨会论文集, 2006,6.30-7.2（江苏,南京）

专家介绍

蔡宣三，上海人，1929年出生，IEEE Fellow、中国电源学会名誉理事长、国务院特殊津贴专家，清华大学电机系教授、我国著名的电力电子技术专家。曾任IEEE中国分会主席、IEEE PELS中国分会主席、IEEE中国分会Fellow提名委员主席、IEEE亚洲-太平洋区教育委员会主席，中国电工技术学会学术委员会副主席、中国电力电子学会副理事长、河北工业大学名誉教授。蔡宣三教授1948年参加革命；1950年7月毕业于清华大学电机系，并留校任助教、讲师；1961年任电机系副教授；1970年至1979年在清华大学自动化系任教，任自动化教研室副主任；80年代任电机系教授；1991年受到国务院表彰，享受政府特殊津贴；1992年离休；1993年至1997年任中国电源学会理事长；2001年至2005年任北京电源行业协会名誉理事长。2009年10月19日，因病不幸逝世，享年80岁。长期从事电气工程的教育与科研工作，研究内容包括：电力电子学及其仿真、建模、CAD、优化设计和最优控制，高频软开关PWM变换技术等。主持2项国家自然科学基金项目，电力电子发展战略研究等三项软课题，电工技术中工程优化应用课题。在国内外会议发表科技论文百余篇；曾出版《高频功率电子学》、《最优化与最优控制》、《高频功率变换技术》、《开关电源的原理与设计》、《饱和电抗器原理与应用》等专著。获国家教委1994年科技进步二等奖、机械部中国电工科学技术基金会二等奖、1996年河北省科技进步二等奖；多次获中国电子学会、中国电工技术学会、中国计算机学会、中国电源学会、清华大学等颁发的优秀论文奖。曾赴日本九州大学、香港理工大学、台湾清华大学及成功大学等校讲学。他的名字曾列入美国出版的《世界名人录》1994年版及1996年版，美国传记研究所(ABI)《国际荣誉名册》(第4版)，以及中国出版的《中国当代名人录》（第2版）等。由于对发展中国电力电子教育与技术所做出的贡献，他被评选为IEEE Fellow。

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