CN108233747A - 模块化电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种模块化电源系统，被配置为包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中每一个所述功率单元还包括：M个采样电路，被配置为分别采集所述M个功率变换器的正直流母线电压和负直流母线电压。

Description

模块化电源系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种模块化电源系统。
背景技术
目前，在一些较高电压等级(如10kV以上)应用场合，如静止无功发生器(StaticVar Generator，SVG)、中压变频器(Medium Variable-frequency Drive，MVD)以及轻型高压直流输电系统(High Voltage Direct Current Transmission Light，HVDC-Light)等，由于系统电压等级较高，受半导体器件的耐压等级和成本所限，通常都采用功率单元级联的电路拓扑结构。
传统的功率单元级联的拓扑结构需要给每一个功率单元即功率变换器配备一套光纤、辅助电源、本地控制器。这种功率单元级联的拓扑结构随着电压等级的提高，需要级联的功率单元的数量也随之增加，导致光纤、辅助电源及本地控制器的数量也随之增加，使得这种拓扑结构的设计复杂，成本高，同时也会降低其可靠性。
图1是现有技术中一个三相SVG系统的结构示意图。图2是现有技术中一个更具体的三相SVG系统的示意图。图1和图2中的SVG系统包括三相电路，每一相电路中的功率单元级联连接。
如图1中所示，该SVG系统的每一相电路都由多个功率单元1级联而成。这里的术语“级联”在本领域中是公知常识，即每一个功率单元包括第一端T1和第二端T2，相邻两个功率单元的其中一个的第二端T2与另一个的第一端T1连接。每一相电路的第1个功率单元的第一端T1经滤波器L分别连接到三相电网的UA、UB和UC三相线路上，每一相电路的最后一个功率单元的第二端相互连接。
如图2所述，该SVG系统的每一相电路都由8个功率单元P1至P8级联而成。每一个功率单元包括如图1中所示的第一端和第二端，其中相邻两个功率单元的其中一个的第二端与另一个的第一端连接。例如，功率单元P1的第二端与功率单元P2的第一端连接，功率单元P2的第二端与功率单元P3的第一端连接，依次类推，功率单元P7的第二端与功率单元P8的第一端连接。三相电路中三个功率单元P1的第一端经过滤波电路(由电感L、电阻R和电容C组成)分别连接于三相电网G的UA、UB和UC相，其中三相电网G的UA、UB和UC相连接负载Rload。三相电路中三个功率单元P8的第二端相互连接。每一个功率单元中包括四个功率开关器件2。每一个功率开关器件2由一个功率半导体开关S与一个反向并联的体二极管或外接二极管D构成。功率半导体开关S的集电极与二极管D的阴极连接，功率半导体开关S的发射极与二极管D的阳极连接。由于功率半导体开关S与一个反向并联的体二极管或外接二极管D二者通常作为一个整体使用，所以为了描述简洁的目的，以下描述中不再单独提及反向并联的体二极管或外接二极管D。
图1中所示的功率单元1可以是全桥(H桥)电路，也可以是其它的电路拓扑结构，如半桥电路、整流-逆变电路等。图3是现有技术中的一个H桥电路(拓扑)的示意图。例如，以功率单元为H桥电路为例，H桥电路如图3中所示，包括功率半导体开关S1至S4和直流母线电容CB。功率半导体开关S1的第一端连接于直流母线电容CB的正极端和功率半导体开关S3的第一端。功率半导体开关S1的第二端连接于功率半导体开关S4的第一端。功率半导体开关S4的第二端连接于直流母线电容CB的负极端和功率半导体开关S2的第二端。功率半导体开关S3的第二端连接功率半导体开关S2的第一端。功率半导体开关S1的第二端作为H桥电路的第一输出端，也即功率单元1的第一端T1，功率半导体开关S3的第二端作为H桥电路的第二输出端，也即功率单元1的第二端T2。
图4是现有技术中一个单相SVG的示意图。如图4中所示，该单相SVG包括充电部分3、功率部分4和控制部分5。该单相SVG也包括多个功率单元40，每一个功率单元40包括如图1中所示的第一端和第二端，相邻两个功率单元40其中一个的第一端与另一个的第二端连接。图4是应用于25kV单相SVG的传统级联式方案。该SVG由多个功率单元级联后形成一相，经滤波器和接触器接入电网。该SVG的每一个功率单元40通常采用一个H桥电路。H桥电路的拓扑结构如图3中所示，这里不再赘述。该SVG系统的每一个功率单元40还包括直流母线电容CB，其连接关系如图4中所示，其中充电部分3用以对直流母线电容CB进行预充电，控制部分5用以控制功率部分4的运行。
从图4可以看出，在传统的级联式拓扑结构中，除了包括一个主控制器50之外，每一个功率单元40即作为功率变换器，例如H桥电路，都需要单独配备一套本地控制器51、驱动电路52、辅助电源53及光纤54，其连接关系如图4中所示，主控制器50输出主控制信号至本地主控制器51，本地主控制器51根据主控制信号产生对应的功率单元的本地控制信号至驱动电路52，驱动电路52根据本地控制信号输出驱动信号来驱动对应的功率单元运行。例如25kV单相SVG，通常可以采用以下两种方案来实现。第一种方案：H桥电路中的功率开关器件均采用常用的1700V绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT)，那么单个功率单元40的直流母线电压为1000V，考虑冗余，共需要55级功率单元级联，因此一共需要55套本地控制板51、55套光纤54及55个辅助电源53。如此多的本地控制器51、光纤54、辅助电源53将导致SVG的结构设计极其复杂，成本也相当高昂，同时降低了其可靠性。
第二种方案：H桥电路中的功率开关器件选用高压IGBT，例如3300V IGBT甚至6500V IGBT，将单个功率单元40的电压等级提高。为减少功率单元40的级联数量，减少本地控制器51、光纤54、辅助电源53的数量，通常可以采用第二种方案。在第二种方案中，若选用3300V IGBT，每个功率单元40的电压等级相比1700V IGBT方案提高一倍，级联数量可由55级减少为28级，本地控制器51、光纤54及辅助电源53的数量及成本也可减少一半。但受限于当前的半导体工艺发展水平，3300V IGBT的成本依然居高不下，同样的电流规格下，其成本远远超过1700V IGBT成本的2倍。因此第二种方案的成本将远远超过第一种方案。如果选用6500V IGBT，成本的压力则更高。
因此，目前不管是采用低压IGBT功率单元的级联方案，或是采用高压IGBT功率单元的级联方案，均有其显著的缺点。
图5是现有技术中一个HVDC-Light系统的示意图。如图5中所示，该HVDC-Light包括三相电路，每一相电路包括上半桥臂和下半桥臂，每一相电路的上半桥臂和下半桥臂均包括多个级联的功率单元40和电感L，每一个功率单元40也包括如图1中所示的第一端和第二端，相邻两个功率单元40其中一个的第一端与另一个的第二端连接，每个上桥臂的电感L与相应下桥臂的电感L相连，并且两个电感L之间的连接点分别连接到电网，其连接关系如图5中所示。该HVDC-Light的每一个功率单元40采用了一个半桥变换器。该HVDC-Light的每一个功率单元40还包括直流母线电容，该HVDC-Light的每一个功率单元40还需要连接驱动电路52，功率单元40根据驱动电路52输出的驱动信号进行运行。除了主控制器50之外，每一个功率单元40也都需要配备一套本地控制器51、光纤54及辅助电源53，其连接关系如图5中所示。
由于HVDC-Light的直流电压高达上百千伏，需要级联的功率单元40的数量极其庞大，所以上述提到的问题更加显著，即现有技术中HVDC-Light整体结构复杂、成本高且可靠性低。
同时，针对直流母线电压的采样电路也需要进一步考虑和改进。
另外，本地控制器和辅助电源的供电方式也需要进一步考虑和改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化电源系统，以简化电力电子系统的结构，降低成本，并提高可靠性。
根据本发明的第一个方面，提供一种模块化电源系统，被配置为包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，其中每一个所述功率单元还包括：M个采样电路，被配置为分别采集所述M个功率变换器的正直流母线电压和负直流母线电压，以及所述功率单元所对应的所述本地控制器被配置为包括：M个采样调理电路，被配置为将所采集的所述M个功率变换器的所述正直流母线电压与所述负直流母线电压转换为数字信号。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样电路包括：M个直流母线正端采样器，与所述M个功率变换器以及所述M个采样调理电路一一对应，其中所述M个直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的正端，所述M个直流母线正端采样器分别被配置为另一端连接对应的所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述功率变换器的正直流母线电压；以及M个直流母线负端采样器，与所述M个功率变换器以及所述M个采样调理电路一一对应，其中所述M个直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的负端，所述M个直流母线负端采样器分别被配置为另一端连接对应的所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述功率变换器的负直流母线电压。
在本发明的一些示例性实施例中，所述直流母线正端采样器和所述直流母线负端采样器包括电阻。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样调理电路包括单运算放大器。
根据本发明的第二个方面，提供一种模块化电源系统，被配置为包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，其中所述M个功率变换器中至少一个为主功率变换器，至少一个为从功率变换器，控制所述从功率变换器相同位置处的功率半导体开关导通和断开的所述本地控制信号相同，每一个所述功率单元还包括：主采样电路，被配置为分别采集所述主功率变换器的正直流母线电压和负直流母线电压，或者所述主功率变换器的正直流母线电压之和和负母线电压之和；以及从采样电路，被配置为分别采集所述从功率变换器的正直流母线电压之和与负直流母线电压之和，以及其中所述功率单元所对应的所述本地控制器被配置为包括：采样调理电路，被配置为将所采集的所述主功率变换器的所述正直流母线电压和所述负直流母线电压，或者所述正直流电压之和与负直流电压之和，以及所述从功率变换器的所述正直流电压之和与负直流电压之和转换为数字信号。
在本发明的一些示例性实施例中，当所述主功率变换器的数量为一个，所述从功率变换器的数量为M-1个时，所述从功率变换器分布在所述主功率变换器的两侧。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样调理电路还包括采样参考点，所述采样参考点设置在所述主功率变换器处。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样参考点设置在所述主功率变换器的直流母线电容的正端，或者所述主功率变换器的直流母线电容的负端，或者所述主功率变换器的直流母线电容的中点。
在本发明的一些示例性实施例中，当所述主功率变换器的数量为一个，所述从功率变换器的数量为M-1个时，所述主采样电路包括：主直流母线正端采样器，被配置为一端连接所述主功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述主功率变换器的正直流母线电压；以及主直流母线负端采样器被配置为一端连接所述主功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述主功率变换器的负直流母线电压，以及所述从采样电路包括：M-1个从直流母线正端采样器，与所述M-1个从功率变换器一一对应，其中所述M-1个从直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第三端，所述采样调理电路的所述第三端接收所述M-1个从功率变换器的正直流母线电压之和；以及M-1个从直流母线负端采样器，与所述M-1个从功率变换器一一对应，其中所述M-1个从直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第四端，所述采样调理电路的所述第四端接收所述M-1个从功率变换器的所述负直流母线电压之和。
在本发明的一些示例性实施例中，当所述主功率变换器的数量为2个以上，所述从功率变换器的数量为2个以上时，控制所述主功率变换器相同位置处的功率半导体开关同时导通和同时断开的所述本地控制信号相同。
在本发明的一些示例性实施例中，所述主采样电路包括：多个主直流母线正端采样器，与所述2个以上主功率变换器一一对应，其中所述多个主直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述主功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述2个以上主功率变换器的正直流母线电压之和；以及多个主直流母线负端采样器，与所述2个以上主功率变换器一一对应，其中所述多个主直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述主功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述主功率变换器的负直流母线电压之和，以及所述从采样电路包括：多个流母线正端采样器，与所述2个以上从功率变换器一一对应，其中所述多个从直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第三端，所述采样调理电路的所述第三端接收所述2个上从功率变换器的正直流母线电压之和；以及多个从直流母线负端采样器，与所述2个以上从功率变换器一一对应，其中所述多个从直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第四端，所述采样调理电路的所述第四端接收所述2个以上从功率变换器的所述负直流母线电压之和。
在本发明的一些示例性实施例中，所述直流母线正端采样器和所述直流母线负端采样器包括电阻。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样调理电路包括双运算放大器。
根据本发明的第三个方面，提供一种模块化电源系统，被配置为包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，其中控制所述M个功率变换器相同位置处的功率半导体开关导通和断开的所述本地控制信号相同，每一个所述功率单元还包括：M个采样电路，被配置为分别采集所述功率变换器的正直流母线电压之和与负直流母线电压之和，以及所述功率单元所对应的所述本地控制器被配置为包括：采样调理电路，被配置为将所采集的所述功率变换器的所述正直流电压之和与负直流电压之和转换为数字信号。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样调理电路还包括采样参考点，当M是奇数时，所述采样参考点设置在第(M+1)/2个所述功率变换器处，或者当M是偶数时，采样参考点设置在第M/2个或第M/2+1个所述功率变换器处。
在本发明的一些示例性实施例中，当M是奇数时，所述采样参考点设置在第(M+1)/2个所述功率变换器的直流母线电容的正端、或者直流母线电容的负端、或者直流母线电容的中点。
在本发明的一些示例性实施例中，当M是偶数时，所述采样参考点设置在第M/2个所述功率变换器的直流母线电容的正端、或者直流母线电容的负端、或者直流母线电容的中点，或者所述采样参考点设置在第M/2+1个所述功率变换器的直流母线电容的正端、或者直流母线电容的负端、或者直流母线电容的中点。
在本发明的一些示例性实施例中，在每一个所述功率变换器的直流母线电容两端并联两个相互串联的电阻，当M是奇数时，所述采样参考点设置在第(M+1)/2个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点。
在本发明的一些示例性实施例中，当M是偶数时，在每一个所述功率变换器的直流母线电容两端并联两个相互串联的电阻，当M是偶数时，所述采样参考点设置在第M/2个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点，或者所述采样参考点设置在第(M/2+1)个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样电路包括：M个直流母线正端采样器，与所述M个功率变换器一一对应，其中所述M个直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述M个功率变换器的正直流母线电压之和；以及M个直流母线负端采样器，与所述M个功率变换器一一对应，其中所述M个直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述M个功率变换器的所述负直流母线电压之和。
在本发明的一些示例性实施例中，所述直流母线正端采样器和所述直流母线负端采样器包括电阻。
在本发明的一些示例性实施例中，所述采样调理电路包括单运算放大器。
在本发明的一些示例性实施例中，所述的模块化电源系统被配置为还包括：N个辅助电源，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述辅助电源被配置为给对应的所述本地控制器提供电源。
在本发明的一些示例性实施例中，所述辅助电源从外部电源取电，或者所述N个辅助电源与所述N个功率单元一一对应，每一个所述辅助电源被配置为从对应的所述功率单元取电。
在本发明的一些示例性实施例中，所述功率变换器为AC/DC变换器、DC/AC变换器和DC/DC变换器中的任何一种。
在本发明的一些示例性实施例中，所述M个功率变换器的直流母线电压为全部相同，部分相同，或全部不相同。
在本发明的一些示例性实施例中，所述M个功率变换器的拓扑结构为全部相同，或部分相同。
在本发明的一些示例性实施例中，每一个所述功率单元中的所述M个功率变换器的拓扑结构全部为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的一种。
本发明通过将多个功率变换器组成一个功率单元，利用一套本地控制器、光纤、辅助电源控制多个功率变换器的方法，可大大减少本地控制器、光纤、辅助电源的数量，简化结构设计，降低成本，提高可靠性。
本发明通过让功率单元中各级联功率变换器相同位置处的功率半导体开关共用一个本地控制信号，可简化控制电路。
本发明还提高了直流母线电压的采样精度。
本发明适用于所有AC/DC、DC/AC、DC/DC功率变换器连接的拓扑结构，应用广泛。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加明显。
图1是现有技术中一个三相SVG系统的结构示意图；
图2是现有技术中一个更具体的三相SVG系统的示意图；
图3是现有技术中的一个H桥电路(拓扑)的示意图；
图4是现有技术中一个单相SVG的示意图；
图5是现有技术中一个HVDC-Light系统的示意图；
图6是本发明一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图7是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图8是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图9是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图10是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图11是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图12是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图13是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图14是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图15是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图16是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图17是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图18是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图19是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图20是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图21是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图22是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图23是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图24是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图25是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图26是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图27是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图28是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图29是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图30是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图31是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图32是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图33是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图34是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图35是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图36是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图37是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图38是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
图39是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；以及
图40是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图；
具体实施例
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
图6是本发明一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图6中所示，本发明的电力电子变换器被配置为包括：一个主控制器90、N个本地控制器91、N个辅助电源93和N个功率单元70，其中N为大于1的自然数。
主控制器90被配置为输出主控制信号。主控制信号例如是设置来控制该模块化电源系统的整体运行状态的一个或多个参数。
每一个本地控制器91被配置为接收前述的主控制信号，以输出至少一个本地控制信号。本地控制信号例如是设置来控制对应的功率单元70的整体运行状态的一个或多个参数，或者本地控制信号用以控制对应的功率单元70中部分功率变换器的运行状态。
N个辅助电源93与N个本地控制器91一一对应，其中每一个辅助电源93被配置为给对应的本地控制器91提供电源。
N个功率单元70与N个本地控制器91一一对应，每一个功率单元70包括第一端X1和第二端X2，每一个功率单元70的第二端X2连接到相邻的一个功率单元70的第一端X1，也就是说，相邻两个功率单元70的其中一个的第二端X2与另一个的第一端X1连接。
每一个功率单元70被配置为包括M个功率变换器701，其中每一个功率变换器701包括第三端X3和第四端X4，每一个功率变换器的第四端X4连接到相邻的一个功率变换器701的第三端X3。也就是说，相邻两个功率变换器701的其中一个的第四端X4与另一个的第三端X3连接。M为大于1的自然数。这样，第1个功率变换器701的第三端X3即为该功率单元70的第一端X1，第M个功率变换器701的第四端X4为该功率单元70的第二端X2。每一个功率变换器701被配置为根据对应的本地控制器91输出的本地控制信号运行。
作为本发明的一个实施例，主控制器90与每一个本地控制器91之间可以通过光隔离器件，例如光纤94传输前述的主控制信号。在其他实施例中，主控制器90与每一个本地控制器91之间可以通过磁隔离器件，例如，隔离变压器，进行连接，主控制器90与每一个本地控制器91之间的连接方式不仅限于上述连接方式。
本发明的电力电子装置可以应用于SVG、MVD、HVDC-Light以及风力发电系统等领域。
如图6中所示，本发明提出将M个功率变换器701合成为一个功率单元70，一个功率单元70配置一套本地控制器91、光纤94及辅助电源93，即一套本地控制器91、光纤94及辅助电源93控制M个功率变换器701。而在传统的方案中，每个功率单元40即功率变换器均需要配置一套本地控制器51、光纤54及辅助电源53，相比于传统方案，本发明提出的模块化电源系统所需要配置的本地控制器91、光纤94及辅助电源93的数量将降为传统方案的1/M。本发明使得模块化电源系统的结构设计大大简化，成本也显著降低，同时可靠性得到极大提高。
本发明不限制各个功率变换器701的直流母线电压。本发明的模块化电源系统中的M个功率变换器701的直流母线电压可以为全部相同，部分相同，或全部不相同。基于图6，图7是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图7中所示，功率单元70内M个功率变换器701的直流母线电压可以分别为V1、V2…和VM，其中V1、V2…和VM可以全部相同，即V1＝V2＝…＝VM，也可以部分相同V1＝V2，V1≠VM，或者全部不相同，即V1≠V2≠…≠VM。
本发明也不限制各个功率变换器701中所用的拓扑结构。本发明的模块化电源系统中的M个功率变换器701可以为交流/直流(AC/DC)变换器、直流/交流(DC/AC)变换器和直流/直流(DC/DC)变换器中的任何一种，因此图7中用功率变换器701代表所有适用的AC/DC、DC/AC和DC/DC拓扑结构中的任何一种。本发明不限制M个功率变换器701中所用的拓扑结构还体现在M个功率变换器的拓扑结构可以为全部相同，或部分相同。例如，本发明的模块化电源系统中的每一个功率单元70中的M个功率变换器701的拓扑结构可以全部为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的一种。或者例如，本发明的模块化电源系统中的每一个功率单元70中的M个功率变换器701的拓扑结构可以为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的两种或两种以上的组合。
如图6和图7中所示，本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70可以包括：M个驱动电路702，与M个功率变换器701一一对应，其中每一个驱动电路702被配置为连接于对应的功率变换器701中的功率半导体开关，接收并根据对应的本地控制器91输出的至少一个本地控制信号，以输出至少一个驱动信号来驱动对应的M个功率变换器701中的功率半导体开关的导通和断开。
在其它实施例中，模块化电源系统中的每一个功率单元可以包括：多个驱动电路，多个驱动电路的数量等于这个功率单元中功率半导体开关的数量，每一个驱动电路被配置为性连接于对应的功率半导体开关，接收并根据对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开。
图8是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图8中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构均采用全桥变换器，例如H桥电路。每一个H桥电路701包括4个功率半导体开关和直流母线电容，4个功率半导体开关构成2个桥臂，为了便于说明，将4个功率半导体开关分别定义为一个桥臂的上功率半导体开关、下功率半导体开关、另一个桥臂的上功率半导体开关和下功率半导体开关，其中一个桥臂的上功率半导体开关的一端连接另一个桥臂的上功率半导体开关的一端和直流母线电容的一端，一个桥臂的下功率半导体开关的另一端连接另一个桥臂的下功率半导体开关的另一端和直流母线电容的另一端，一个桥臂的上功率半导体开关与下功率半导体开关连接于第三端X3，另一个桥臂的上功率半导体开关与下功率半导体开关连接于第四端X4。以其中第M个功率变换器70为例，功率变换器701包括两个桥臂和直流母线电容，一个桥臂的上功率半导体开关QM1的一端连接另一个桥臂的上功率半导体开关QM3的一端和直流母线电容CB的一端，一个桥臂的下功率半导体开关QM2的另一端连接另一个桥臂的下功率半导体开关QM4的另一端和直流母线电容CB的另一端，一个桥臂的上功率半导体开关QM1与下功率半导体开关QM2的连接点为第三端X3，另一个桥臂的上功率半导体开关QM3与下功率半导体开关QM4的连接点为第四端X4。
在本实施例中，每一个功率单元70中的第1个H桥电路701的第三端X3为该功率单元70的第一端X1，第1个H桥电路701的第四端X4连接第二个H桥电路701的第三端X3，以此类推，第M-1个H桥电路701的第四端X4连接第M个H桥电路701的第三端X3，第M个功率变换器的第四端X4为该功率单元70的第二端X2。
每一个功率单元70所对应的本地控制器91输出至少一个本地控制信号用以控制对应的H桥电路701中功率半导体开关的导通和断开。在本实施例中，每一个H桥电路701需要4个本地控制信号，分别控制对应的功率半导体开关导通和断开，每一个功率单元70需要4×M个本地控制信号，即，本地控制器需要输出4×M个本地控制信号，用以控制对应的功率半导体开关的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM4均需要一个对应的本地控制信号。
如图8所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个H桥电路701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的4个本地控制信号，并输出4个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个H桥电路701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出4个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q14的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于4×M，每一个驱动电路连接于对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个H桥电路701所对应的4个驱动电路为例，4个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q14并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关QM1-QM4的导通和断开。
图9是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图9中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构均采用半桥变换器。每一个半桥变换器701包括2个功率半导体开关和直流母线电容，其连接关系如图9中所示。一个功率半导体的一端连接直流母线电容的一端，其另一端连接另一个功率半导体开关的一端，另一个功率半导体开关的另一端连接直流母线电容CB的另一端。2个功率半导体开关相互连接的连接点为第三端X3，另一个功率半导体开关的另一端为第四端X4。以第1个功率变换器70为例，功率变换器701包括两个功率半导体开关Q11、Q12和直流母线电容CB。功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容CB的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端，功率半导体开关Q12的另一端连接于直流母线电容CB的另一端，功率半导体开关Q11与功率半导体开关Q12的连接点为第1个功率变换器701的第三端X3，功率半导体开关Q12的另一端为第1个功率变换器701的第四端X4。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个半桥变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个半桥变换器的第四端X4连接第二个半桥变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个半桥变换器的第四端X4连接第M个半桥变换器的第三端X3，第M个半桥变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，每一个功率单元70对应的本地控制器可以输出2×M个本地控制信号，用以控制半桥变换器701中的功率半导体开关Q11-QM2的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM2均需要一个本地控制信号。
如图9所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个半桥变换器701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的2个本地控制信号，并输出2个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个半桥变换器701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出2个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q12的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于2×M，每一个驱动电路性连接于对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个半桥变换器701所对应的2个驱动电路为例，2个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q12并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关Q11-Q12的导通和断开。
图10是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图10中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构均采用中性点可控三电平变换器。每一个中性点可控三电平变换器701包括8个功率半导体开关和2个直流母线电容，其连接关系如图10中所示。以第1个功率变换器701为例加以说明，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容C1的一端和功率半导体开关Q15的一端，直流母线电容C1的另一端连接于直流母线电容C2的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端，功率半导体开关Q11与功率半导体开关Q12的连接点为第1个功率变换器701的第三端X3，功率半导体开关Q12的另一端连接于直流母线电容C2的另一端和功率半导体开关Q16的另一端，功率半导体开关Q15的另一端连接于功率半导体开关Q16的一端，功率半导体开关Q15与功率半导体开关Q16的连接点为第1个功率变换器701的第四端X4，功率半导体开关Q13的一端连接于直流母线电容C1的另一端，功率半导体开关Q13的另一端连接于功率半导体开关Q14的一端，功率半导体开关Q14的另一端连接于功率半导体开关Q11的另一端，功率半导体开关Q17的一端连接于直流母线电容C1的另一端，功率半导体开关Q17的另一端连接于功率半导体开关Q18的一端，功率半导体开关Q18的另一端连接于功率半导体开关Q15的另一端。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个中性点可控三电平变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个中性点可控三电平变换器的第四端X4连接第二个中性点可控三电平变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个中性点可控三电平变换器的第四端X4连接第M个中性点可控三电平变换器的第三端X3，第M个中性点可控三电平变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，每一个功率单元对应的本地控制器可以输出8×M个本地控制信号，用以控制中性点可控三电平变换器701中功率半导体开关Q11-QM8的的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM8均需要一个本地控制信号。
如图10所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个中性点可控三电平变换器701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的8个本地控制信号，并输出8个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个中性点可控三电平变换器701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出8个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q18的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于8×M，每一个驱动电路连接对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个中性点可控三电平变换器701所对应的8个驱动电路为例，8个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q18并每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关Q11-Q18的导通和断开。
图11是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图11中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构均采用二极管钳位三电平变换器。每一个二极管钳位三电平变换器701包括8个功率半导体开关、4个钳位二极管和2个直流母线电容，其连接关系如图11中所示。以第1个功率变换器701为例，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容C1的一端和功率半导体开关Q15的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端和钳位二极管D1的阴极，功率半导体开关Q12的另一端连接于功率半导体开关Q13的一端，功率半导体开关Q13的另一端连接于功率半导体开关Q14的一端和钳位二极管D2的阳极，直流母线电容C1的另一端连接于直流母线电容C2的一端，功率半导体开关Q14的另一端连接于直流母线电容C2的另一端，钳位二极管D1的阳极连接于钳位二极管D2的阴极和直流母线电容C1的另一端，功率半导体开关Q12与功率半导体开关Q13的连接点为第1个功率变换器701的第三端X3，功率半导体开关Q15的另一端连接于功率半导体开关Q16的一端和钳位二极管D3的阴极，功率半导体开关Q16的另一端连接于功率半导体开关Q17的一端，功率半导体开关Q17的另一端连接于功率半导体开关Q18的一端和钳位二极管D4的阳极，功率半导体开关Q18的另一端连接于直流母线电容C2的另一端，钳位二极管D3的阳极连接于钳位二极管D4的阴极和直流母线电容C1的另一端，功率半导体开关Q16与功率半导体开关Q17的连接点为第1个功率变换器701的第四端X4。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个二极管钳位三电平变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个二极管钳位三电平变换器的第四端X4连接第二个二极管钳位三电平变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个二极管钳位三电平变换器的第四端X4连接第M个二极管钳位三电平变换器的第三端X3，第M个二极管钳位三电平变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，每一个功率单元对应的本地控制器可以输出8×M个本地控制信号，用以控制中性点可控三电平变换器701中功率半导体开关Q11-QM8的的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM8均需要一个本地控制信号。
如图11所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个二极管钳位三电平变换器701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的8个本地控制信号，并输出8个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个二极管钳位三电平变换器701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出8个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q18的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于8×M，每一个驱动电路连接对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个二极管钳位三电平变换器701所对应的8个驱动电路为例，8个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q18并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关Q11-Q18的导通和断开。
图12是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图12中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701拓扑结构均采用飞跨电容三电平变换器。每一个飞跨电容三电平变换器701包括8个功率半导体开关、2个直流母线电容和2个飞跨电容，其连接关系如图12中所示。以第1个功率变换器701为例，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容C1的一端和功率半导体开关Q15的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端和飞跨电容C3的一端，功率半导体开关Q12的另一端连接于功率半导体开关Q13的一端，功率半导体开关Q13的另一端连接于功率半导体开关Q14的一端和飞跨电容C3的另一端，直流母线电容C1的另一端连接于直流母线电容C2的一端，功率半导体开关Q14的另一端连接于直流母线电容C2的另一端，功率半导体开关Q12与功率半导体开关Q13的连接点为第1个功率变换器701的第三端X3，功率半导体开关Q15的另一端连接于功率半导体开关Q16的一端和飞跨电容C4的一端，功率半导体开关Q16的另一端连接于功率半导体开关Q17的一端，功率半导体开关Q17的另一端连接于功率半导体开关Q18的一端和飞跨电容C4的另一端，功率半导体开关Q18的另一端连接于直流母线电容C2的另一端，功率半导体开关Q16与功率半导体开关Q17的连接点为第1个功率变换器701的第四端X4。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个飞跨电容三电平变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个飞跨电容三电平变换器的第四端X4连接第二个飞跨电容三电平变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个飞跨电容三电平变换器的第四端X4连接第M个飞跨电容三电平变换器的第三端X3，第M个飞跨电容三电平变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，每一个功率单元对应的本地控制器可以输出8×M个本地控制信号，用以控制中性点可控三电平变换器701中功率半导体开关Q11-QM8的的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM8均需要一个本地控制信号。
如图12所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个飞跨电容三电平变换器701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的8个本地控制信号，并输出8个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个飞跨电容三电平变换器701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出8个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q18的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于8×M，每个驱动电路接收一个对应的本地控制信号并输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个飞跨电容三电平变换器701所对应的8个驱动电路为例，8个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q18并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关Q11-Q18的导通和断开。
图8-图12的模块化电源系统中的M个功率变换器701可以为交流/直流(AC/DC)变换器或者直流/交流(DC/AC)变换器，但是不以此为限，还可以是其它拓扑结构的变换器。
图13是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图13中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构均采用全桥谐振变换器。每一个全桥谐振变换器701包括全桥电路、谐振电路、变压器和整流桥，其连接关系如图13中所示。以第1个全桥谐振变换器701为例，全桥电路包括4个功率半导体开关和一个直流母线电容，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容CB’的一端和功率半导体开关Q13的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端，功率半导体开关Q12的另一端连接于直流母线电容CB’的另一端和功率半导体开关Q14的另一端，功率半导体开关Q11与功率半导体开关Q12的连接点连接于电容C’和电感L’构成的谐振电路的一端，谐振电路的另一端连接于变压器T’的原边线圈的一端，变压器T’的原边线圈的另一端连接于功率半导体开关Q13与功率半导体开关Q14的连接点，直流母线电容CB’的前述一端为第1个功率变换器的第三端X3，直流母线电容CB’的另一端为第1个功率变换器的第四端X4，整流桥包括4个整流二极管，整流二极管D1’的一端连接于整流二极管D3’一端，整流二极管D1’的另一端连接于整流二极管D2’一端，整流二极管D3’的另一端连接于整流二极管D4’一端，整流二极管D2’的另一端连接于整流二极管D4’另一端，整流二极管D1’的前述一端为变换器的第五端X5，整流二极管D2’的另一端为变换器的第六端X6，变压器T’的输出端分别连接于整流二极管D1’与整流二极管D2’的连接点以及整流二极管D3’与整流二极管D4’的连接点，其中变压器T’可以是中间抽头变压器，具有两个副边线圈，两个副边线圈并联连接，变压器T’也可以具有单个副边线圈。
在实施例中，每一个功率单元70中第1个全桥谐振变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个全桥谐振变换器的第四端X4连接第二个全桥谐振变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个全桥谐振变换器的第四端X4连接第M个全桥谐振变换器的第三端X3，第M个全桥谐振变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。每一个功率单元70中所有的全桥谐振变换器器的第五端X5连在一起，而第六端X6连在一起。
在本实施例中，每一个功率单元对应的本地控制器可以输出4×M个本地控制信号，用以控制全桥谐振变换器701中功率半导体开关Q11-QM4的的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM4均需要一个本地控制信号。
如图13所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个全桥谐振变换器701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的4个本地控制信号，并输出4个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个全桥谐振变换器701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出4个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q14的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于4×M，每一个驱动电路连接对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个全桥谐振变换器701所对应的4个驱动电路为例，4个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q14并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关Q11-Q14的导通和断开。
图14是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图14中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构均采用半桥谐振变换器。每一个半桥谐振变换器701包括半桥电路、谐振电路、变压器和整流桥，其连接关系如图14中所示。以第1个半桥谐振变换器701为例，半桥电路包括2个功率半导体开关和一个直流母线电容，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容CB’的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端，功率半导体开关Q12的另一端连接于直流母线电容CB’的另一端，功率半导体开关Q11与功率半导体开关Q12的连接点连接于电容C’和电感L’构成的谐振电路的一端，谐振电路的另一端连接于变压器T’的原边线圈的一端，变压器T’的原边线圈的另一端连接于功率半导体开关Q12的另一端，直流母线电容CB’的一端为第1个功率变换器的第三端X3，直流母线电容CB’的另一端为第1个功率变换器的第四端X4，整流桥包括4个整流二极管，整流二极管D1’的一端连接于整流二极管D3’一端，整流二极管D1’的另一端连接于整流二极管D2’一端，整流二极管D3’的另一端连接于整流二极管D4’一端，整流二极管D2’的另一端连接于整流二极管D4’另一端，整流二极管D1’的一端为变换器的第五端X5，整流二极管D2’的另一端为变换器的第六端X6，变压器T’的输出端分别连接于整流二极管D1’与整流二极管D2’的连接点以及整流二极管D3’与整流二极管D4’的连接点，其中变压器T’可以是中间抽头变压器，具有两个副边线圈，两个副边线圈并联连接，变压器T’也可以具有单个副边线圈。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个半桥谐振变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个半桥谐振变换器的第四端X4连接第二个半桥谐振变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个半桥谐振变换器的第四端X4连接第M个半桥谐振变换器的第三端X3，第M个半桥谐振变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。每一个功率单元70中所有的半桥谐振变换器器的第五端X5连在一起，而第六端X6连在一起。
在本实施例中，每一个功率单元对应的本地控制器可以输出2×M个本地控制信号，用以控制半桥谐振变换器701中功率半导体开关Q11-QM2的的导通和断开，即，功率半导体开关Q11-QM2均需要一个本地控制信号。
如图14所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个半桥谐振变换器701一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，每一个驱动电路702接收对应的2个本地控制信号，并输出2个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个半桥谐振变换器701所对应的驱动电路702为例，该驱动电路输出2个驱动信号分别驱动功率半导体开关Q11-Q12的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，驱动电路的数量等于2×M，每一个驱动电路连接对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号并输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以第1个半桥谐振变换器701所对应的2个驱动电路为例，2个驱动电路分别连接功率半导体开关Q11-Q12并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关Q11-Q12的导通和断开。
图13和图14的模块化电源系统中的M个功率变换器701可以为直流/直流(DC/DC)变换器，但是不以此为限，还可以是其它拓扑结构的变换器。
图15是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图15中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构同时采用全桥变换器和半桥变换器的组合。每一个全桥变换器的功率转换器7011’包括4个功率半导体开关，每一个半桥变换器7012’包括2个功率半导体开关，其连接关系如图15中所示。在本实施例中，全桥变换器的具体连接关系如图8所述，半桥变换器的具体连接关系如图9所示，在此不再赘述。类似的，相邻两个功率变换器701的其中一个的第四端X4与另一个的第三端X3连接，其中M为大于1的自然数。这样，第1个功率变换器701的第三端X3即为该功率单元70的第一端X1，第1个功率变换器701的第四端X4连接第2个功率变换器701的第三端X3，依次类推，第M-1个功率变换器701的第四端X4连接第M个功率变换器701的第三端X3，第M个功率变换器701的第四端X4为该功率单元70的第二端X2。
本实施例中，每一个功率单元70对应的本地控制器所输出的本地控制信号的数量等于功率单元70中功率半导体开关的数量，这些本地控制信号分别控制全桥变换器和半桥变换器701中的功率半导体开关的导通和断开，即，每一个功率半导体开关均需要一个本地控制信号。
如图15所示，每一个功率单元70还包括M个驱动电路702，驱动电路702与M个功率变换器7011’和7012’一一对应，每一个驱动电路702接收对应的本地控制信号，并输出至少一驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，具体而言，功率变换器7011’对应的驱动电路702接收对应的4个本地控制信号，并输出4个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，功率变换器7012’对应的驱动电路702接收对应的2个本地控制信号，并输出2个驱动信号来分别驱动对应的功率半导体开关的导通和断开。
在其它实施例中，每一个功率单元70还包括多个驱动电路，功率单元中驱动电路的数量等于其对应的功率单元中功率半导体开关的数量，每一个驱动电路连接对应的一个功率半导体开关，并且接收一个对应的本地控制信号以输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以功率变换器7011’所对应的4个驱动电路为例，4个驱动电路分别连接对应的功率半导体开关并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开，以及以功率变换器7012’所对应的2个驱动电路为例，2个驱动电路分别连接对应的功率半导体开关并且每一个驱动电路输出一个驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开。
尽管图15仅仅示出了本实施例的模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构同时采用全桥变换器和半桥变换器的组合。然而本发明不限于此，如前所述，本发明的模块化电源系统中的每一个功率单元70中的M个功率变换器701的拓扑结构可以为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的两种或两种以上的组合。
在本实施例的每一个功率单元70中，采用相同拓扑结构的功率变换器701可以采用“共用驱动”。所谓“共用驱动”是指采用相同拓扑结构的各功率变换器701(或7011’或7012’)的相同位置处的功率半导体开关可采用同一个本地控制信号来进行控制。所谓“相同位置”是指相同拓扑结构的各功率变换器701中(或7011’或7012’)在逻辑上对应的功率半导体开关在电路图中的位置。例如，图6-图15中相同拓扑结构的各功率变换器701中的功率半导体开关Q11、Q21…QM1具有相同位置，Q12、Q22…QM2具有相同位置，Q18、Q28…QM8具有相同位置，所以图8-图14中每一个功率单元70中的M个功率变换器701都可以采用“共用驱动”。基于同样的原理，图15中的每一个功率单元70中的功率变换器7011’具有相同的拓扑结构，因而这些功率变换器7011可以采用“共用驱动”，而每一个功率单元70中的功率变换器7012’具有相同的拓扑结构，因而这些功率变换器7012’可以采用“共用驱动”。
采用本发明的“共用驱动”的驱动方式，可以大大减少本地控制信号的数量，简化本地控制的电路设计。图16-图23将进一步描述本发明的本发明的“共用驱动”的驱动方式。
图16是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图16是基于图8并对应图8中一个功率单元70的具体化。如图16中所示，同一个功率单元70的每一个功率变换器701的拓扑结构均为全桥变换器，例如H桥电路。以第M个H桥电路为例，H桥电路包括2个桥臂，例如，第M个H桥电路的一个桥臂包括上功率半导体开关QM1和下功率半导体开关QM2，另一个桥臂包括上功率半导体开关QM3和下功率半导体开关QM4。上功率半导体开关QM1和下功率半导体开关QM2的连接点为第M个功率变换器401的第三输出端X3。上功率半导体开关QM3和下功率半导体开关QM4的连接点为第M个功率变换器401的第四输出端X4。
在本实施例中，相邻两个功率变换器701的其中一者的第三输出端X3与其中另一者的第四输出端X4依次连接。具体而言，第1个H桥电路的第三输出端X3为功率单元70的第一端X1，第1个H桥电路的第四输出端X4与第2个H桥电路的第三输出端X3连接，依次连接下去，第M-1个H桥电路的第四输出端X4与第M个H桥电路的第三输出端X3连接，第M个H桥电路的第四输出端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，本地控制器91输出4个本地控制信号。每一个H桥电路对应一个驱动电路702。每一个驱动电路702与本地控制器91耦接，且与对应的上功率半导体开关以及下功率半导体开关的控制端相连，用于接收本地控制器91输出的上述4个本地控制信号，并对本地控制信号进行处理以产生各自的4个驱动信号。例如产生的4个驱动信号YM1、YM2、YM3和YM4输出至第M个H桥电路中上功率半导体开关QM1和QM3以及下功率半导体开关QM2和QM4的控制端，用于驱动上功率半导体开关QM1和QM3以及下功率半导体开关QM2和QM4的导通和断开。
在本实施例中，每一个H桥电路的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，例如，第1个H桥电路的上功率半导体开关Q11、第2个H桥电路的上功率半导体开关Q21、依次类推，直至第M个H桥电路的上功率半导体开关QM1所对应本地控制信号相同，即同一个本地控制信号，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，使得上功率半导体开关Q11、Q21…QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701的拓扑结构均采用H桥电路，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各H桥电路相同位置处的功率半导体开关采用同一个本地控制信号，因此一个功率单元70中一共仅需要4个本地控制信号。
图17是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图17是基于图9并对应图9中一个功率单元70的具体化。如图17中所示，同一个功率单元70中的每一个功率变换器701的拓扑结构均为半桥变换器。以第M个半桥变换器为例，半桥变换器包括1个桥臂111，例如，第M个半桥电路的桥臂111包括上功率半导体开关QM1和下功率半导体开关QM2。上功率半导体开关QM1和下功率半导体开关QM2的一端的连接点为第M个功率变换器701的第三输出端X3。下功率半导体开关QM2的另一端为第M个功率变换器701的第四输出端X4。
在本实施例中，相邻两个功率变换器701的其中一者的第三输出端X3与其中另一者的第四输出端X4依次连接。具体而言，第1个半桥变换器的第三输出端X3为功率单元70的第一端X1，第1个半桥变换器的第四输出端X4与第2个半桥变换器的第三输出端X3连接，依次连接下去，第M-1个半桥变换器的第四输出端X4与第M个半桥变换器的第三输出端X3连接，第M个半桥变换器的第四输出端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，本地控制器91输出2个本地控制信号。每一个半桥变换器对应一个驱动电路702。每一个驱动电路702与本地控制器91耦接，且与对应的上功率半导体开关以及下功率半导体开关的控制端相连，用于接收本地控制器91输出的上述2个本地控制信号，并对本地控制信号进行处理以产生各自的2个驱动信号。例如产生的2个驱动信号YM1和YM2输出至第M个半桥变换器中上功率半导体开关QM1和下功率半导体开关QM2的控制端，用于驱动上功率半导体开关QM1和下功率半导体开关QM2的导通和断开。
在本实施例中，每一个半桥变换器的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，例如，第1个半桥变换器的上功率半导体开关Q11、第2个H桥电路的上功率半导体开关Q21、依次类推，直至第M个半桥变换器的上功率半导体开关QM1所对应本地控制信号为同一个，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，使得上功率半导体开关Q11、Q21…QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701的拓扑结构均采用半桥变换器，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各半桥变换器相同位置处的功率半导体开关采用同一个本地控制信号，因此一个功率单元70中一共仅需要2路本地控制信号。
图18是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图18是基于图10并对应图10中一个功率单元70的具体化。如图18中所示，同一个功率单元70中的每一个功率变换器701的拓扑结构均为中性点可控三电平变换器。以第1个中性点可控三电平变换器为例，中性点可控三电平变换器包括第一桥臂111a和第二桥臂111b。第一桥臂111a和第二桥臂111b均包括上功率半导体开关(如Q11、Q15)和下功率半导体开关(如Q12、Q16)。中性点可控三电平变换器还包括第一直流母线电容C1、第二直流母线电容C2，第一开关组(如Q13、Q14)和第二开关组(如Q17、Q18)。其中第一直流母线电容C1和第二直流母线电容C2串联连接后与第一桥臂111a和第二桥臂111b并联连接。第一桥臂111a的上功率半导体开关Q11和下功率半导体开关Q12的连接点为第1个功率变换器701的第三输出端X3。第二桥臂111b的上功率半导体开关Q15和下功率半导体开关Q16的连接点为第1个功率变换器701的第四输出端X4。第一开关组(如Q13、Q14)连接在第一桥臂111a的上功率半导体开关Q11和下功率半导体开关Q12的连接点与第一直流母线电容C1和第二直流母线电容C2的连接点之间。第二开关组(如Q17、Q18)连接在第二桥臂111b的上功率半导体开关Q15和下功率半导体开关Q16的连接点与第一直流母线电容C1和第二直流母线电容C2的连接点之间。在本实施例中，第一开关组为由两个功率半导体开关串联而成，例如，该两个功率半导体开关可以为双向可控开关。
在本实施例中，相邻两个功率变换器701的其中一者的第三输出端X3与其中另一者的第四输出端X4依次连接。具体而言，第1个中性点可控三电平变换器的第三输出端X3为功率单元70的第一端X1，第1个中性点可控三电平变换器的第四输出端X4与第2个中性点可控三电平变换器的第三输出端X3连接，依次连接下去，第M-1个中性点可控三电平变换器的第四输出端X4与第M个中性点可控三电平变换器的第三输出端X3连接，第M个中性点可控三电平变换器的第四输出端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，本地控制器91输出8个本地控制信号，每一个本地控制信号用于控制对应的上功率半导体开关(如Q11、Q15)、下功率半导体开关(如Q12、Q16)、第一开关组(如Q13、Q14)和第二开关组(如Q17、Q18)其中一者。每个中性点可控三电平变换器的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，以功率单元中的中性点可控三电平变换器的第一功率半导体开关为例，第1个中性点可控三电平变换器的第一功率半导体开关Q11、第2个中性点可控三电平变换器的第一功率半导体开关Q21、依次类推直至第M个中性点可控三电平变换器的第一功率半导体开关QM1所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，使得第一功率半导体开关Q11、Q21直至QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701的拓扑结构均采用中性点可控三电平变换器，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各中性点可控三电平变换器的相同位置处的功率半导体开关采用相同的本地控制信号，因此一个功率单元70一共仅需要8个本地控制信号。
图19是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图19是基于图11并对应图11中一个功率单元70的具体化。如图19中所示，同一个功率单元70中的每一个功率变换器701的拓扑结构均为二极管钳位三电平变换器。以第1个二极管钳位三电平变换器为例，二极管钳位三电平变换器包括第一桥臂111a和第二桥臂111b。第一桥臂111a和第二桥臂111b均包括第一功率半导体开关(如Q11、Q15)、第二功率半导体开关(如Q12、Q16)、第三功率半导体开关(如Q13、Q17)和第四功率半导体开关(如Q14、Q18)。二极管钳位三电平变换器还包括第一直流母线电容C1、第二直流母线电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4。其中第一直流母线电容C1和第二直流母线电容C2串联连接后与第一桥臂111a和第二桥臂111b并联连接。第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q11、第二功率半导体开关Q12、第三功率半导体开关Q13和第四功率半导体开关Q14串联连接。第二功率半导体开关Q12和第三功率半导体开关Q13的连接点为该功率变换器401的第三输出端X3。第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q15、第二功率半导体开关Q16、第三功率半导体开关Q17和第四功率半导体开关Q18串联连接。第二功率半导体开关Q16和第三功率半导体开关Q17的连接点为该功率变换器401的第四输出端X4。第一二极管D1和第二二极管D2串联后连接在第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q11和第二功率半导体开关Q12的连接点和第三功率半导体开关Q13和第四功率半导体开关Q14的连接点之间。第三二极管D3和第四二极管D4串联后连接在第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q16和第二功率半导体开关Q17的连接点和第三功率半导体开关Q17和第四功率半导体开关Q18的连接点之间。第一二极管D1和第二二极管D2的连接点与第一直流母线电容C1和第二直流母线电容C2的连接点连接。第三二极管D3和第四二极管D4的连接点也与第一直流母线电容C1和第二直流母线电容C2的连接点连接。在本实施例中，第一二极管D1和第二二极管D2的作用为钳位二极管，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关为IGBT或者IGCT等。
在本实施例中，相邻两个功率变换器701的其中一者的第三输出端X3与其中另一者的第四输出端X4依次连接。具体而言，第1个二极管钳位三电平变换器的第三输出端X3为功率单元70的第一端X1，第1个二极管钳位三电平变换器的第四输出端X4与第2个二极管钳位三电平变换器的第三输出端X3连接，依次连接下去，第M-1个二极管钳位三电平变换器的第四输出端X4与第M个二极管钳位三电平变换器的第三输出端X3连接，第M个二极管钳位三电平变换器的第四输出端X4为功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，本地控制器91输出8个本地控制信号，每一个本地控制信号用于控制对应的第一功率半导体开关(如Q11、Q15)、第二功率半导体开关(如Q12、Q16)、第三功率半导体开关(如Q13、Q17)和第四功率半导体开关(如Q14、Q18)其中一者。每个二极管钳位三电平变换器的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，例如，以功率单元中二极管钳位三电平变换器的第一功率半导体开关为例，第1个二极管钳位三电平变换器的第一功率半导体开关Q11、第2个二极管钳位三电平变换器的第一功率半导体开关Q21、依次类推直至第M个二极管钳位三电平变换器的第一功率半导体开关QM1所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，以使第一功率半导体开关Q11、Q21直至QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701均采用二极管钳位三电平变换器，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各二极管钳位三电平变换器相同位置处的功率半导体开关采用相同的本地控制信号，因此一个功率单元一共仅需要8个本地控制信号。
图20是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图20是基于图12并对应图12中一个功率单元70的具体化。如图20中所示，同一个功率单元70中的每一个功率变换器701的拓扑结构均为飞跨电容三电平变换器。以第1个飞跨电容三电平变换器为例，飞跨电容三电平变换器包括第一桥臂111a和第二桥臂111b。第一桥臂111a和第二桥臂111b均包括第一功率半导体开关(Q11、Q15)、第二功率半导体开关(Q12、Q16)、第三功率半导体开关(Q13、Q17)和第四功率半导体开关(Q14、Q18)。飞跨电容三电平变换器还包括第一直流母线电容C1、第一直流母线电容C2、第一电容C3和第二电容C4。其中第一直流母线电容C1和第一直流母线电容C2串联连接后与第一桥臂111a和第二桥臂111b并联连接。第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q11、第二功率半导体开关Q12、第三功率半导体开关Q13和第四功率半导体开关Q14串联连接。第二功率半导体开关Q12和第三功率半导体开关Q13的连接点为该功率变换器401的第三输出端X3。第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q15、第二功率半导体开关Q16、第三功率半导体开关Q17和第四功率半导体开关Q18串联连接。第二功率半导体开关Q16和第三功率半导体开关Q17的连接点为该功率变换器401的第四输出端X4。第一电容C3连接于第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q11和第二功率半导体开关Q12的连接点与第一桥臂111a的第三功率半导体开关Q13和第四功率半导体开关Q14的连接点之间。第二电容C4连接于第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q15和第二功率半导体开关Q16的连接点与第二桥臂111b的第三功率半导体开关Q17和第四功率半导体开关Q18的连接点之间。
在本实施例中，相邻两个功率变换器701的其中一者的第三输出端X3与其中另一者的第四输出端X4依次连接。具体而言，第1个飞跨电容三电平变换器的第三输出端X3为功率单元70的第一端X1，第1个飞跨电容三电平变换器的第四输出端X4与第2个飞跨电容三电平变换器的第三输出端X3连接，依次连接下去，第M-1个飞跨电容三电平变换器的第四输出端X4与第M个飞跨电容三电平变换器的第三输出端X3连接，第M个飞跨电容三电平变换器的第四输出端X4为该功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，本地控制器91输出8个本地控制信号，每一个本地控制信号用于控制对应的第一功率半导体开关(如Q11、Q15)、第二功率半导体开关(如Q12、Q16)、第三功率半导体开关(如Q13、Q17)和第四功率半导体开关(如Q14、Q18)其中一者。每个飞跨电容三电平变换器的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，例如，以功率单元中飞跨电容三电平变换器的第一功率半导体开关为例，第1个飞跨电容三电平变换器的第一功率半导体开关Q11、第2个飞跨电容三电平变换器的第一功率半导体开关Q21、依次类推直至第M个飞跨电容三电平变换器的第一功率半导体开关QM1所对应的本地控制信号相同，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，以使第一功率半导体开关Q11、Q21直至QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701均采用飞跨电容三电平变换器，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各飞跨电容三电平变换器相同位置处的功率半导体开关采用相同的本地控制信号，因此一个功率单元一共仅需要8个本地控制信号。
图21是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图21是基于图13并对应图13中一个功率单元70的具体化。如图21中所示，同一个功率单元70中的每一个功率变换器701的拓扑结构均为全桥谐振变换器。全桥谐振变换器701包括全桥电路、谐振电路、变压器和整流桥，其连接关系如图21中所示。以第1个全桥谐振变换器701为例，全桥电路包括4个功率半导体开关和一个直流母线电容，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容CB’的一端和功率半导体开关Q13的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端，功率半导体开关Q12的另一端连接于直流母线电容CB’的另一端和功率半导体开关Q14的另一端，功率半导体开关Q11与功率半导体开关Q12的连接点连接于电容C’和电感L’构成的谐振电路的一端，谐振电路的另一端连接于变压器T’的原边线圈的一端，变压器T’的原边线圈的另一端连接于功率半导体开关Q13与功率半导体开关Q14的连接点，直流母线电容CB’的一端为第1个功率变换器的第三端X3，直流母线电容CB’的另一端为第1个功率变换器的第四端X4，整流桥包括4个整流二极管，整流二极管D1’的一端连接于整流二极管D3’一端，整流二极管D1’的另一端连接于整流二极管D2’一端，整流二极管D3’的另一端连接于整流二极管D4’一端，整流二极管D2’的另一端连接于整流二极管D4’另一端，整流二极管D1’的一端为变换器T’的第五端X5，整流二极管D2’的另一端为变换器的第六端X6，变压器的输出端分别连接于整流二极管D1’与整流二极管D2’的连接点以及整流二极管D3’与整流二极管D4’的连接点，其中变压器T’可以是中间抽头变压器，具有两个副边线圈，两个副边线圈并联连接，变压器T’也可以具有单个副边线圈。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个全桥谐振变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个全桥谐振变换器的第四端X4连接第二个全桥谐振变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个全桥谐振变换器的第四端X4连接第M个全桥谐振变换器的第三端X3，第M个全桥谐振变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。每一个功率单元70中每一个全桥谐振变换器器的第五端X5连在一起，而第六端X6连在一起。
在本实施例中，每一个全桥谐振变换器中全桥电路的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，例如，第1个全桥电路的功率半导体开关Q11、第2个全桥电路的功率半导体开关Q21、依次类推，直至第M个全桥电路的功率半导体开关QM1所对应本地控制信号相同，即同一个本地控制信号，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，使得上功率半导体开关Q11、Q21…QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701的拓扑结构均采用全桥谐振变换器，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各全桥谐振变换器相同位置处的功率半导体开关采用同一个本地控制信号，因此一个功率单元70中一共仅需要4个本地控制信号。
图22是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图22是基于图14并对应图14中一个功率单元70的具体化。如图22中所示，同一个功率单元70中的每一个功率变换器701的拓扑结构均为半桥谐振变换器。半桥谐振变换器701包括半桥电路、谐振电路、变压器和整流桥，其连接关系如图22中所示。以第1个半桥谐振变换器701为例，半桥电路包括2个功率半导体开关和一个直流母线电容，功率半导体开关Q11的一端连接于直流母线电容CB’的一端，功率半导体开关Q11的另一端连接于功率半导体开关Q12的一端，功率半导体开关Q12的另一端连接于直流母线电容CB’的另一端，功率半导体开关Q11与功率半导体开关Q12的连接点连接于电容C’和电感L’构成的谐振电路的一端，谐振电路的另一端连接于变压器T’的原边线圈的一端，变压器T’的原边线圈的另一端连接于功率半导体开关Q12的另一端，直流母线电容CB’的一端为第1个功率变换器的第三端X3，直流母线电容CB’的另一端为第1个功率变换器的第四端X4，整流桥包括4个整流二极管，整流二极管D1’的一端连接于整流二极管D3’一端，整流二极管D1’的另一端连接于整流二极管D2’一端，整流二极管D3’的另一端连接于整流二极管D4’一端，整流二极管D2’的另一端连接于整流二极管D4’另一端，整流二极管D1’的一端为变换器的第五端X5，整流二极管D2’的另一端为变换器的第六端X6，变压器的输出端分别连接于整流二极管D1’与整流二极管D2’的连接点以及整流二极管D3’与整流二极管D4’的连接点，其中变压器可以是中间抽头变压器，具有两个副边线圈，两个副边线圈并联连接，变压器也可以具有单个副边线圈。
在本实施例中，每一个功率单元70中第1个半桥谐振变换器的第三端X3为功率单元70的第一端X1，第1个半桥谐振变换器的第四端X4连接第二个半桥谐振变换器的第三端X3，依次类推，第M-1个半桥谐振变换器的第四端X4连接第M个半桥谐振变换器的第三端X3，第M个半桥谐振变换器的第四端X4为功率单元70的第二端X2。每一个功率单元70中所有的半桥谐振变换器器的第五端X5连在一起，而第六端X6连在一起。
在本实施例中，每一个半桥谐振变换器中半桥电路的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，例如，第1个半桥电路的功率半导体开关Q11、第2个半桥电路的功率半导体开关Q21、依次类推，直至第M个半桥电路的功率半导体开关QM1所对应本地控制信号为同一个，即驱动电路702输出对应的驱动信号Y11、Y21…YM1相同，使得功率半导体开关Q11、Q21…QM1同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内各功率变换器701的拓扑结构均采用半桥谐振变换器，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各半桥变换器相同位置处的功率半导体开关采用同一个本地控制信号，因此一个功率单元70中一共仅需要2个本地控制信号。
图23是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图23是基于图15并对应图15中一个功率单元70的具体化。如图23中所示，同一个功率单元70中的M个功率变换器701的拓扑结构同时采用全桥变换器和半桥变换器的组合。全桥变换器的功率变换器7011’包括4个功率半导体开关，半桥变换器7012’包括2个功率半导体开关。在本实施例中，全桥变换器的具体连接关系如图8所述，半桥变换器的具体连接关系如图9所示，在此不再赘述。类似的，相邻两个功率变换器701的其中一个的第四端X4与另一个的第三端X3连接，其中M为大于1的自然数。这样，第1个功率变换器701的第三端X3即为该功率单元70的第一端X1，第1个功率变换器701的第四端X4连接第2个功率变换器701的第三端X3，依次类推，第M-1个功率变换器701的第四端X4连接第M个功率变换器701的第三端X3，第M个功率变换器701的第四端X4为该功率单元70的第二端X2。
在本实施例中，每一个全桥变换器的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即驱动电路输出对应的驱动信号相同，使得相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开。每一个半桥变换器的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即本地控制信号为同一个，即驱动电路输出对应的驱动信号相同，使得相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开。由于该实施例中功率单元70内M个功率变换器的拓扑结构同时采用全桥变换器和半桥变换器的组合，一个功率单元70只需要一套本地控制器91、光纤94和辅助电源93。该实施例中各个全桥变换器相同位置处的功率半导体开关采用同一个本地控制信号，各个半桥变换器相同位置处的功率半导体开关采用同一个本地控制信号，因此一个功率单元70中一共仅需要6路本地控制信号。
在其他实施例中，模块化电源系统中每一个功率单元70的M个功率变换器701的拓扑结构同时采用全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的两种或两种以上的组合。M个功率变换器701中相同拓扑结构的相同位置的功率半导体开关所对应的本地控制信号相同，即驱动电路输出对应的驱动信号相同，使得相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开。
如图6-图23中所示，本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70可以包括：多个驱动电路702，功率单元中驱动电路的数量等于该功率单元中功率半导体开关的数量，其中每一个驱动电路702被配置为连接于对应的功率变换器701的功率半导体开关，接收对应的本地控制器91输出的本地控制信号，以输出驱动信号来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开。
图24是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图24是基于图10，是图10的局部示意图。如图24中所示，同一个功率单元70中的M个功率变换器701均为中性点可控三电平变换器。该功率单元70可以包括8×M个驱动电路，每一个驱动电路被配置为电连接于功率变换器701的功率半导体开关Q11、Q12…Q18…QM1、QM2…QM8中对应的一个，每一个驱动电路均接收对应的本地控制器91输出的本地控制信号，以输出驱动信号Y11、Y12…Y18…YM1、YM2…YM8中对应的一个，来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开。
需要说明的是，图6-图24中一个功率单元包括的驱动电路的数量等于该功率单元中功率半导体开关的数量，每一个驱动电路被配置为连接于功率变换器的功率半导体开关中对应的一个，每一个驱动电路均接收对应的本地控制器91输出的对应的本地控制信号，以输出一个驱动信号，来驱动对应的功率半导体开关的导通和断开。
本发明的模块化电源系统中的每一个驱动电路702与对应的本地控制器91可以直接电连接，或者通过磁隔离器件连接，或者通过光隔离器件连接。
本发明的模块化电源系统中的各驱动电路702可以为彼此相同或彼此不相同。
如图6-图24中所示，本实施例的模块化电源系统中的各驱动电路702为彼此相同。
图25是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图25中所示，本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70中的M个功率变换器701中至少一个为主功率变换器7012，至少一个为从功率变换器7011，其中主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构相同，均可以采用图15-图22所述的功率变换器其中的一种，或者主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构不相同，主功率变换器可以采用图15-图22所述的功率变换器其中的一种，从功率变换器可以采用图15-图22所述的功率变换器其中的另一种。相应地，M个驱动电路中有至少一个为主驱动电路722，至少一个为从驱动电路721，主驱动电路722被配置为驱动对应的主功率变换器7012中的功率半导体开关导通和断开，每一个从驱动电路721被配置为驱动对应的从功率变换器7011中的功率半导体开关的导通和断开。
作为一个实施例，在如图25中所示的模块化电源系统中，主驱动电路722不同于从驱动电路721。
在本实施例中，当主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构相同时，主驱动电路722与从驱动电路721可以是不同，而每一个从驱动电路721相同，主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号可以相同，例如，为同一个本地控制信号。在其它实施例中，主驱动电路722与从驱动电路721可以不同，主功率变换器7012和从功率变换器7011相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号可以不相同；但是每一个从功率变换器7011相同位置处的功率半导体开关对应的本地控制信号可以相同。
图26是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图26所示，在本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70中包括一个主功率变换器7012和M-1个从功率变换器7011，M-1个从功率变换器7011平均分布于主功率变换器7012的两侧，其中主功率变换器7012的拓扑结构可以是图15-图22的其中一种，而从功率变换器7011的拓扑结构也可以是图15-图22的其中一种。图26中的主功率变换器7012与从功率变换器7011的驱动方式可以不同。各从功率变换器可以采取前述的“共用驱动”，而主功率变换器7012采用独立的控制方式。
图27是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图28中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个辅助电源93可以被配置为从外部电源取电，例如从市电取电，或者从其他电路取电，每一个辅助电源93连接外部电源EC。
图28是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图28中所示，本实施例的模块化电源系统中的前述N个辅助电源93与前述N个功率单元70一一对应，每一个辅助电源93可以被配置为从对应的功率单元70取电，例如从对应的功率单元70中一个或多个功率变换器的直流母线电容上取电。
图29是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。基于图8-图22，如图29中所示，如图8-图22中任何一种的模块化电源系统中的每一个功率单元70还包括：M个采样电路704，与所述M个功率变换器一一对应，被配置为采集对应的功率变换器701的正直流母线电压和负直流母线电压；对应的本地控制器91被配置为包括M个采样调理电路913，采样调理电路913与采样电路704一一对应，被配置为将所采集的功率变换器701的正直流母线电压和负直流母线电压转换为数字信号。
M个采样电路704包括：M个直流母线正端采样器，即电阻R，与M个功率变换器701以及M个采样调理电路913一一对应，其中M个直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的功率变换器701的直流母线电容CB的正端(例如V1+、Vx+、VM+)，M个直流母线正端采样器分别被配置为另一端连接对应的采样调理电路913的第一端，采样调理电路913的第一端接收功率变换器701的正直流母线电压。
M个直流母线负端采样器，即对应的电阻R，与M个功率变换器701以及M个采样调理电路913一一对应，其中M个直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的功率变换器701的直流母线电容CB的负端(例如V1-、Vx-、VM-)，M个直流母线负端采样器分别被配置为另一端连接对应的采样调理电路913的第二端，采样调理电路913的第二端接收所述功率变换器的负直流母线电压。在本实施例中，直流母线正端采样器和直流母线负端采样器以电阻为例进行说明，但不仅限于此，直流母线正端采样器和直流母线负端采样器还可以是由多个电阻串联而成，或者多个电阻并联而成，或者电阻和其他电子元器件的组合等。
采样调理电路913可以包括单运算放大器。
采样调理电路913还包括采样参考点或采样参考地GND。
图30是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图30是图29的一个具体实施例。如图30中所示，图30中的每个功率变换器701不但独立采样，还采用前述的独立驱动方式。
如图30所示，功率单元70对应一个本地控制器91，该本地控制器91输出的控制对应的功率单元70中M个功率变换器701的功率半导体开关的本地控制信号的数量与功率半导体开关的数量相同，亦即，每一个功率半导体开关都需要被单独的本地控制信号控制。采样电路以及采样调理电路913的相关内容已在图29中描述，再次不再赘述。
图31是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图31是图29的一个具体实施例。如图31中所示，图31中的每个功率变换器701不但独立采样，还采用前述的共用驱动方式。
如图31所示，功率单元70对应一个本地控制器91，该本地控制器91输出的控制对应的功率单元70中M个功率变换器701相同位置处功率半导体开关的导通和断开的本地控制信号为同一个。采样电路以及采样调理电路913的相关内容已在图29中描述，在此不再赘述。
图32是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。图32是图29的一个具体实施例。如图32中所示，图32中的每个功率变换器701独立采样，但一部分功率变换器701采用前述的独立驱动方式，一部分功率变换器701采用前述的共用驱动方式。
图33是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图33中所示，基于图15-图22，如图33中所示，如图15-图22中任何一种的模块化电源系统中的每一个功率单元70还包括：采样电路704，被配置为分别采集M个功率变换器701的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和，对应的本地控制器91被配置为包括：采样调理电路913，被配置为将所采集的M个功率变换器701的正直流母线电压之和与负直流母线电压之和转换为数字信号。
如图33中所示，本实施例的模块化电源系统中的采样电路704被配置为包括：M个直流母线正端采样器，即电阻R，与前述M个功率变换器701一一对应，其中M个直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的功率变换器701的直流母线正端，例如V1+到VM+，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913的第一端，该采样调理电路的第一端接收该M个功率变换器701的正直流母线电压之和；以及M个直流母线负端采样器，即电阻R，与前述M个功率变换器701一一对应，其中M个直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的功率变换器701的直流母线负端，例如V1-到VM-，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第二端，该采样调理电路的第二端接收该M个功率变换器701的负直流母线电压之和。
在实施例中，采样电路不仅限于包括电阻，还可以是其它的电路。
如图33中所示，为减小针对直流母线的采样电路中共模电压，本实施例的模块化电源系统中的采样电路通过直流母线正端采样器和直流母线负端采样器将M个功率变换器701的正直流母线电压、负母线电压分别汇总求和后，输入至采样调理电路913，其中采样调理电路913包括运算放大器。在实施例中，直流母线正端采样器和直流母线负端采样器可是单个电阻或者多个电阻的串联、并联或串并联的组合。
图34是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图34中所示，本发明通过将采样调理电路913及本地控制器91的采样参考点GND尽量设置在M个功率变换器701中位置最居中的功率变换器701处，例如将采样参考点GND设置在位置最居中的功率变换器701的直流母线电容CB的正端、或者直流母线电容CB的负端，可使采样电压的共模电压最小，从而可以提高采样精度，减小共模干扰。
如图34中所示，本实施例的模块化电源系统中的采样电路704被配置为分别采集前述M个功率变换器的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和，其中，M是奇数，采样参考点GND设置在第(M+1)/2个功率变换器处，从而使采样参考点GND设置在前述M个功率变换器701中位置最居中的功率变换器701处，例如，采样参考点GND设置在第(M+1)/2个功率变换器701的直流母线电容CB的负端V(M+1)/2-。在其他实施例中，采样参考点GND可以设置在第(M+1)/2个功率变换器701的直流母线电容CB的正端V(M+1)/2+。
图35是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图35中所示，本实施例的模块化电源系统中的采样电路704被配置为分别采集前述M个功率变换器的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和，其中，M是偶数，采样参考点设置在第M/2个所述功率变换器处，从而使采样参考点GND设置在M个功率变换器701中位置相对最居中的功率变换器701处，例如，采样参考点设置在第M/2个所述功率变换器的直流母线CB的负端VM/2-。在其他实施例中，采样参考点GND可以设置在第M/2个所述功率变换器的直流母线CB的正端VM/2+。
如图36中所示，本实施例的模块化电源系统中的采样电路704被配置为分别采集前述M个功率变换器的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和，其中，M是偶数，采样参考点设置在第M/2+1个所述功率变换器处，从而使采样参考点GND设置在前述M个功率变换器701中位置相对最居中的功率变换器701处，例如，采样参考点GND设置在第M/2+1个所述功率变换器的直流母线CB的正端VM/2+1+。在其他实施例中，采样参考点GND可以设置在第(M/2+1)个功率变换器701的直流母线电容CB的负端VM/2+1-。
图37是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图37中所示，每一个功率变换器701的直流母线电容CB由两个电容串联而成，两个电容串联的连接点为该直流母线电容CB的中点，其中当M是奇数时，所述采样参考点GND可以设置在第(M+1)/2个所述功率变换器的直流母线电容CB的中点。
作为一个实施例，当M是偶数时，采样参考点GND可以设置在第M/2个所述功率变换器的直流母线电容CB的中点，或者第(M/2+1)个所述功率变换器的直流母线电容CB的中点。
图38是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图38中所示，每一个功率变换器701的直流母线电容CB仅包含一个电容，没有电容中点，需要在每一个功率变换器701的直流母线电容CB的两端并联两个相互串联的电阻，其中当M是奇数时，所述采样参考点GND设置在第(M+1)/2个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点。
作为一个实施例，当M是偶数时，所述采样参考点GND设置在第M/2个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点，或者所述采样参考点GND设置在第(M/2+1)个所述功率变换器处两个所述电阻的连接点。
如图38中所示，在本实施例的模块化电源系统中的功率单元70中的每一个功率变换器701中，直流母线电容CB是单个的，可以确定直流母线电容CB没有中点，那么就在直流母线电容CB两端并联均压电阻，其中该均压电阻由两个等值电阻串联构成，将这两个等值电阻之间的连接点设置为中点，那么就将采样参考点GND设置为M个功率变换器701中位置最居中的功率变换器701处的中点。
图33-图38中所示的采样调理电路913可以包括单运算放大器。
图39是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图39中所示，本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70还包括：一个主采样电路7042，被配置为采集主功率变换器7012的正直流母线电压和负直流母线电压，且采样参考点GND设置在主功率变换器的电容中点；以及M-1个从采样电路7041，被配置采集M-1个从功率变换器7011的正直流母线电压之和与负直流母线电压之和，其中M-1个从功率变换器7011以主功率变换器7012为中心平均分配在主功率变换器7012两侧；以及对应的本地控制器91被配置为包括：采样调理电路913，被配置为将所采集的主功率变换器7012的正直流母线电压VS2+、负直流母线电压VS2-、从功率变换器7011的正直流母线电压之和VS1+以及从功率变换器7011的负直流母线电压之和VS1-转换为数字信号。
如图39所示，本实施例的模块化电源系统中，主采样电路7042包括：主直流母线正端采样器，即电阻，与主功率变换器7012对应，其中主直流母线正端采样器的一端连接所述主功率变换器的直流母线正端，另一端连接采样调理电路913的第一端，采样调理电路913的第一端接收主功率变换器7012的正直流母线电压VS2+；以及主直流母线负端采样器的一端连接所述主功率变换器7012的直流母线负端，另一端连接采样调理电路913的第二端，采样调理电路913的第二端接收主功率变换器7012的负直流母线电压VS2-。从采样电路7041包括：M-1个从直流母线正端采样器，即电阻，与所述M-1个从功率变换器7011一一对应，其中M-1个从直流母线正端采样器的一端分别被配置为一端连接对应的从功率变换器7011的直流母线正端，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913的第三端，采样调理电路913的第三端接收M-1个从功率变换器7011的正直流母线电压之和VS1+；以及M-1个从直流母线负端采样器，即电阻，与所述M-1个从功率变换器7011一一对应，其中M-1个从直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的从功率变换器7011的直流母线负端，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913的第四端，采样调理电路913的第四端接收M-1个从功率变换器7011的负直流母线电压之和VS1-。
作为一个实施例，图39中的功率变换器的数目M为5，但本发明不限于此，例如适用于前述图中功率单元内包含主从功率变换器的实施例。
如图39中所示，功率单元70内共有5个H桥电路，其中最居中的H桥电路为主功率变换器，分布在两侧的4个H桥电路为从功率变换器，每个H桥电路的直流母线电压均为Vbus。若采样参考点GND设置不合理，如采样参考点GND设置于最下面所示的H桥电路的直流母线负端，则从上到下所示的5个H桥电路的直流母线电压正、直流母线电压负分别为(5Vbus，4Vbus)、(4Vbus，3Vbus)、(3Vbus，2Vbus)、(2Vbus，Vbus)、(Vbus，0)。假设采样电路的采样比例为k，此时采样电压Vs2+＝15*k*Vbus，Vs2-＝10*k*Vbus，则采样电压中差模分量VDM＝5kV，共模分量VCM＝12.5kV。然而本发明将采样调理电路913及本地控制器91的采样参考点GND设置在最中间的H桥电路的直流母线电容的中点之后，则从上到下所示的5个H桥电路的直流母线电压正、直流母线电压负分别为(2.5Vbus，1.5Vbus)、(1.5Vbus，0.5Vbus)、(0.5Vbus，-0.5Vbus)、(-0.5Vbus，-1.5Vbus)、(-1.5Vbus，-2.5Vbus)，此时采样电压Vs2+＝2.5*k*Vbus，Vs2-＝-2.5*k*Vbus，差模分量VDM＝5kV，共模分量VCM＝0，共模分量显著降低，采样精度及抗干扰能力得到极大提高。
图40是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图40中所示，本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70还包括：多个(例如2个以上)主采样电路7042，分别被配置为采集多个主功率变换器7012的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和；以及多个(例如2个以上)从采样电路7041，分别被配置采集多个从功率变换器7011的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和，其中多个从功率变换器7011和多个主功率变换器7012分为两组；以及对应的本地控制器91被配置为包括：采样调理电路913’和913，采样调理电路913被配置为将所采集的主功率变换器7012的正直流母线电压之和以及负直流母线电压之和转换为数字信号；采样调理电路913’被配置为将所采集的从功率变换器7011的正直流母线电压之和以及从功率变换器7011的负直流母线电压之和转换为数字信号。
如图40所示，本实施例的模块化电源系统中，主采样电路7042包括：多个主直流母线正端采样器，与主功率变换器7012一一对应，其中主直流母线正端采样器的一端连接所述主功率变换器的主直流母线正端，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913’的第一端，采样调理电路913’的第一端接收主功率变换器7012的正直流母线电压之和；以及主直流母线负端采样器的一端连接所述主功率变换器7012的主直流母线负端，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913’的第二端，采样调理电路913’第二端接收主功率变换器7012的负直流母线电压之和。从采样电路7041包括：多个从直流母线正端采样器，与所述多个从功率变换器7011一一对应，其中多个从直流母线正端采样器的一端分别被配置为一端连接对应的从功率变换器7011的从直流母线正端，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913的第一端，采样调理电路913的第一端接收多个从功率变换器7011的正直流母线电压之和；以及多个从直流母线负端采样器，与所述多个从功率变换器7011一一对应，其中多个从直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的从功率变换器7011的从直流母线负端，另一端连接在一起并连接到采样调理电路913的第二端，采样调理电路913的第二端接收多个从功率变换器7011的负直流母线电压之和。
作为一个实施例，图40中的功率变换器的数目M为4，但本发明不限于此，例如适用于前述图中功率单元内包含主从功率变换器的实施例。
如图39和图40中所示的采样调理电路可以包括双运算放大器。
本发明通过将多个功率变换器组成一个功率单元，利用一套本地控制器、光纤、辅助电源控制多个功率变换器的方法，可大大减少本地控制器、光纤、辅助电源的数量，简化结构设计，降低成本，提高可靠性。
本发明通过让功率单元中各级联功率变换器相同位置处的功率半导体开关共用一个本地控制信号，可简化控制电路。
本发明通过采样电路和采样调理电路可以采集功率变换器的母线电压，并提高了直流母线电压的采样精度。
本发明适用于所有AC/DC、DC/AC、DC/DC功率变换器连接的拓扑结构，应用广泛。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施例。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (28)

1.一种模块化电源系统，被配置为包括：
一个主控制器，被配置为输出主控制信号；
N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及
N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，
其中每一个所述功率单元还包括：M个采样电路，被配置为分别采集所述M个功率变换器的正直流母线电压和负直流母线电压，以及
所述功率单元所对应的所述本地控制器被配置为包括：M个采样调理电路，被配置为将所采集的所述M个功率变换器的所述正直流母线电压与所述负直流母线电压转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的模块化电源系统，其中所述采样电路包括：
M个直流母线正端采样器，与所述M个功率变换器以及所述M个采样调理电路一一对应，其中所述M个直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的正端，所述M个直流母线正端采样器分别被配置为另一端连接对应的所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述功率变换器的正直流母线电压；以及
M个直流母线负端采样器，与所述M个功率变换器以及所述M个采样调理电路一一对应，其中所述M个直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的负端，所述M个直流母线负端采样器分别被配置为另一端连接对应的所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述功率变换器的负直流母线电压。
3.根据权利要求2所述的模块化电源系统，其中所述直流母线正端采样器和所述直流母线负端采样器包括电阻。
4.根据权利要求1所述的模块化电源系统，其中所述采样调理电路包括单运算放大器。
5.一种模块化电源系统，被配置为包括：
一个主控制器，被配置为输出主控制信号；
N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及
N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，
其中所述M个功率变换器中至少一个为主功率变换器，至少一个为从功率变换器，控制所述从功率变换器相同位置处的功率半导体开关导通和断开的所述本地控制信号相同，
每一个所述功率单元还包括：
主采样电路，被配置为分别采集所述主功率变换器的正直流母线电压和负直流母线电压，或者所述主功率变换器的正直流母线电压之和和负母线电压之和；以及
从采样电路，被配置为分别采集所述从功率变换器的正直流母线电压之和与负直流母线电压之和，以及
其中所述功率单元所对应的所述本地控制器被配置为包括：采样调理电路，被配置为将所采集的所述主功率变换器的所述正直流母线电压和所述负直流母线电压，或者所述正直流电压之和与负直流电压之和，以及所述从功率变换器的所述正直流电压之和与负直流电压之和转换为数字信号。
6.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的数量为一个，所述从功率变换器的数量为M-1个时，所述从功率变换器分布在所述主功率变换器的两侧。
7.根据权利要求6所述的模块化电源系统，其中所述采样调理电路还包括采样参考点，所述采样参考点设置在所述主功率变换器处。
8.根据权利要求7所述的模块化电源系统，其中所述采样参考点设置在所述主功率变换器的直流母线电容的正端，或者所述主功率变换器的直流母线电容的负端，或者所述主功率变换器的直流母线电容的中点。
9.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的数量为一个，所述从功率变换器的数量为M-1个时，
所述主采样电路包括：
主直流母线正端采样器，被配置为一端连接所述主功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述主功率变换器的正直流母线电压；以及
主直流母线负端采样器被配置为一端连接所述主功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述主功率变换器的负直流母线电压，以及
所述从采样电路包括：
M-1个从直流母线正端采样器，与所述M-1个从功率变换器一一对应，其中所述M-1个从直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第三端，所述采样调理电路的所述第三端接收所述M-1个从功率变换器的正直流母线电压之和；以及
M-1个从直流母线负端采样器，与所述M-1个从功率变换器一一对应，其中所述M-1个从直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第四端，所述采样调理电路的所述第四端接收所述M-1个从功率变换器的所述负直流母线电压之和。
10.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的数量为2个以上，所述从功率变换器的数量为2个以上时，控制所述主功率变换器相同位置处的功率半导体开关同时导通和同时断开的所述本地控制信号相同。
11.根据权利要求10所述的模块化电源系统，其中
所述主采样电路包括：
多个主直流母线正端采样器，与所述2个以上主功率变换器一一对应，其中所述多个主直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述主功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述2个以上主功率变换器的正直流母线电压之和；以及
多个主直流母线负端采样器，与所述2个以上主功率变换器一一对应，其中所述多个主直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述主功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述主功率变换器的负直流母线电压之和，以及
所述从采样电路包括：
多个从直流母线正端采样器，与所述2个以上从功率变换器一一对应，其中所述多个从直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第三端，所述采样调理电路的所述第三端接收所述2个以上从功率变换器的正直流母线电压之和；以及
多个从直流母线负端采样器，与所述2个以上从功率变换器一一对应，其中所述多个从直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述从功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第四端，所述采样调理电路的所述第四端接收所述2个以上从功率变换器的所述负直流母线电压之和。
12.根据权利要求9或11所述的模块化电源系统，其中所述直流母线正端采样器和所述直流母线负端采样器包括电阻。
13.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中所述采样调理电路包括双运算放大器。
14.一种模块化电源系统，被配置为包括：
一个主控制器，被配置为输出主控制信号；
N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及
N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，
其中控制所述M个功率变换器相同位置处的功率半导体开关导通和断开的所述本地控制信号相同，
每一个所述功率单元还包括：M个采样电路，被配置为分别采集所述功率变换器的正直流母线电压之和与负直流母线电压之和，以及
所述功率单元所对应的所述本地控制器被配置为包括：采样调理电路，被配置为将所采集的所述功率变换器的所述正直流电压之和与负直流电压之和转换为数字信号。
15.根据权利要求14所述的模块化电源系统，其中所述采样调理电路还包括采样参考点，当M是奇数时，所述采样参考点设置在第(M+1)/2个所述功率变换器处，或者当M是偶数时，采样参考点设置在第M/2个或第M/2+1个所述功率变换器处。
16.根据权利要求15所述的模块化电源系统，其中当M是奇数时，所述采样参考点设置在第(M+1)/2个所述功率变换器的直流母线电容的正端、或者直流母线电容的负端、或者直流母线电容的中点。
17.根据权利要求15所述的模块化电源系统，其中当M是偶数时，所述采样参考点设置在第M/2个所述功率变换器的直流母线电容的正端、或者直流母线电容的负端、或者直流母线电容的中点，或者所述采样参考点设置在第M/2+1个所述功率变换器的直流母线电容的正端、或者直流母线电容的负端、或者直流母线电容的中点。
18.根据权利要求15所述的模块化电源系统，其中在每一个所述功率变换器的直流母线电容两端并联两个相互串联的电阻，当M是奇数时，所述采样参考点设置在第(M+1)/2个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点。
19.根据权利要求15所述的模块化电源系统，其中在每一个所述功率变换器的直流母线电容两端并联两个相互串联的电阻，当M是偶数时，所述采样参考点设置在第M/2个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点，或者所述采样参考点设置在第(M/2+1)个所述功率变换器处的两个所述电阻的连接点。
20.根据权利要求15所述的模块化电源系统，其中所述采样电路包括：
M个直流母线正端采样器，与所述M个功率变换器一一对应，其中所述M个直流母线正端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的正端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第一端，所述采样调理电路的所述第一端接收所述M个功率变换器的正直流母线电压之和；以及
M个直流母线负端采样器，与所述M个功率变换器一一对应，其中所述M个直流母线负端采样器分别被配置为一端连接对应的所述功率变换器的直流母线电容的负端，另一端连接在一起并连接到所述采样调理电路的第二端，所述采样调理电路的所述第二端接收所述M个功率变换器的所述负直流母线电压之和。
21.根据权利要求20所述的模块化电源系统，其中所述直流母线正端采样器和所述直流母线负端采样器包括电阻。
22.根据权利要求14所述的模块化电源系统，其中所述采样调理电路包括单运算放大器。
23.根据权利要求1或9或14所述的模块化电源系统，被配置为还包括：
N个辅助电源，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述辅助电源被配置为给对应的所述本地控制器提供电源。
24.根据权利要求1或9或14所述的模块化电源系统，其中所述辅助电源从外部电源取电，或者所述N个辅助电源与所述N个功率单元一一对应，每一个所述辅助电源被配置为从对应的所述功率单元取电。
25.根据权利要求1或9或14所述的模块化电源系统，其中所述功率变换器为AC/DC变换器、DC/AC变换器和DC/DC变换器中的任何一种。
26.如权利要求1或9或14所述的模块化电源系统，其中所述M个功率变换器的直流母线电压为全部相同，部分相同，或全部不相同。
27.如权利要求1或9或14所述的模块化电源系统，其中所述M个功率变换器的拓扑结构为全部相同，或部分相同。
28.如权利要求1或9或14所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元中的所述M个功率变换器的拓扑结构全部为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的一种。
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