继人们对电机过渡过程和电力系统暂态过程分析之后展开的对电力电子系统瞬态过程的分析，正改变着人们对电气工程学科的看法，使之形成一种新的电气工程学科自然观，促进了一批电气工程学科新思想、新理念、新方法和新技术的孕育和发展，并有可能从根本上影响现代电气工程学科的动力学分析体系。

与电机和电力系统学科不同，电力电子学科从一开始就定义为交叉学科，包括功率半导体器件、功率变换电路以及对器件与电路的控制，同时需要考虑电磁场、热力场、机械力场等多种物理场的融合。特别是全控型半导体开关器件的应用和脉冲调制技术的引进，它们将连续变化的电磁能量转化为准离散型的、可控的电磁能量脉冲序列组合，使得原来在电机学和电力系统暂态分析中采用的连续的大时间尺度电磁暂态过渡过程分析方法难以适用。它不仅带来对脉冲型电磁瞬态过程分析方法的困惑，更是带来人们对电磁能量变换认识上的变更。从这个意义说，电力电子学科的发展是对整个电气工程学科内涵的深化和外延的扩展。

电力电子系统由半导体开关器件、电子电路及控制等要素构成，尽管各要素特性不尽相同，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，从而形成了电力电子系统的有机统一。一般来说，电力电子系统具有硬件与软件的统一性、能量与信息的互动性、线性与非线性的转换性、离散与连续的混杂性以及多时间尺度的协调性等，正是这些独有的综合特性体现出了电力电子学科自身的学科属性。与之相对应的电力电子技术则需要处理好在这些属性条件下的电磁能量可控变换，涉及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的问题。

电力电子变换理论和技术目前还处在一个基于功率半导体技术、电子电路技术以及控制技术的简单合成应用技术层面，基本上还处于实验科学的范畴，其自身理论体系还在持续发展过程之中。从系统集成、能量变换以及电磁瞬变的角度进行电力电子技术(特别是针对大容量电力电子装置与系统)的应用基础理论研究应该是这种发展的主要方向。过去二十多年来，我们研究团队先后在电机传动控制、光伏并网发电、大容量多电平变换器研制，以及近年来的面向能源互联网的电能路由器、无线电能传输等方面进行了较深入的理论研究和工程应用，深刻感受到电磁瞬态过程是电力电子系统中的关键核心问题之一。正是基于这样一个认识，结合我们研究团队多年来在电力电子系统领域的理论探索和技术实践，我们撰写了这本书，尝试初探电力电子系统电磁瞬态过程的规律及其分析方法，进而起到抛砖引玉的作用。

本书共分为10章。第1章为绪论，从大容量电力电子系统入手，分别从电力电子系统的解析和综合两方面来梳理和认识电力电子系统的结构和属性，围绕电力电子系统的核心问题——电磁能量变换瞬态换流平衡，阐述这种变换所具有的多时间尺度、准离散性和强非线性等特点。在分别叙述典型大容量电力电子应用系统的电磁瞬变特点之后，列举了电力电子系统研究和应用中存在的相应困惑和问题。第2章作为立论基础，叙述了电力电子系统中不同换流回路、不同变化时间尺度的电磁瞬态过程；  简述了针对这些电磁瞬态过程的数学建模以及建模方法；  具体分析了各时间尺度的差异及其带来的影响；  分析了各种电磁脉冲及其序列的数学描述和差异。第3章从功率半导体器件的内部物理机制和外部影响因素两个方面，分析了功率半导体器件在电力电子系统应用中表现出来的电磁瞬态特性。第4章论述了瞬态换流拓扑及其杂散参数，包括不同类型变换器中的杂散参数影响差异、杂散参数的提取方法以及如何设计降低杂散参数影响等问题。第5章在分析了器件特性和变换器各元素之间相互约束关系的基础上，论述了电力电子系统安全工作区的概念，从系统的角度、能量变换的角度以及全时域电磁瞬态过程的角度来描述电力电子装置的尽限应用和可靠性之间的矛盾。第6章描述了采样系统的结构、组成和功能，论述了采样系统中功率量和信号量之间的差异，分析了采样延迟和误差对控制性能的影响，并给出了采样系统的优化设计方法。第7章叙述了信号脉冲、驱动脉冲和功率脉冲之间的差异和互动关系，通过这些脉冲的比较，讨论了电力电子系统中的信息与能量之间的互动关系。第8章从控制的角度来分析电力电子系统中的高性能闭环控制及其限制，讨论了闭环控制的结构、传统控制的特性及其限制，特别分析了无效脉冲和异常脉冲产生的原因以及带来的影响。第9章基于电力电子变换器中瞬态能量分布和流动规律，阐述瞬态电磁能量平衡控制策略的概念和基本原理；  演示基于瞬态电磁能量平衡的控制方法；  分析基于瞬态电磁能量平衡的控制方法的稳定性和鲁棒性。第10章重点介绍电磁瞬态分析在高压IGBT串联动态均压变换器和基于SiC高频开关器件的功率放大器等变换系统中的应用。

本书总结了我们研究室十多年来在电力电子变换系统理论探讨和技术实践的研究成果。曾经在我们研究室学习和工作过的不少学者和同学为本书内容作出了重要贡献，他们是白华、张海涛、易荣、张颖超、张永昌、钟玉林、胡斯登、尹璐、邹高域、贺凡波、陈凯楠、姬世奇、葛俊杰等，在此对他们表示衷心感谢。同时在撰写本书的过程中，还得到本研究室其他老师和同学们的大力帮助和校核，如孙晓瑛、翁幸、蒋烨、凌亚涛、鲁思兆等，在此一并表示感谢。另外，在撰写该书时，我们参阅了大量的论著文献，主要的已经列入了参考文献中，在此对这些论著文献的作者表示衷心的感谢。

本书部分内容是在国家自然科学基金重大项目“大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制”(51490680、51490683)资助下完成的，如电力电子综合系统分析、电磁瞬态过程建模、信号脉冲与功率脉冲的比较、多时间尺度的比较和分析、基于能量平衡的控制方法等，在此深表感谢。

本书可供从事电力电子技术，特别是从事大容量电力电子系统研究、装置开发和工程应用的专业人士参考，也可供高等院校相关专业的教师和研究生作为参考书籍。

由于作者水平有限，且电力电子系统电磁瞬态过程研究仍处在动态发展之中，我们在这方面仅做了一些初步的工作，书中难免存在许多的不足，甚至是错误之处，恳请广大读者批评指正。

赵争鸣2017年3月于清华园