CN108566101A - 模块化电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种模块化电源系统包括：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，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置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为同一个。

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3300VIGBT甚至6500VIGBT，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3300VIGBT，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6500VIGBT，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。
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。
另外，功率半导体开关的驱动方式也需要进一步考虑和改进。
另外，针对直流母线电容上直流母线电压的钳位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，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置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为同一个。
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，其中所述N个辅助电源被配置为从外部电源取电，或者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，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。
在本发明的一些示例性实施例中，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。
在本发明的一些示例性实施例中，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。
在本发明的一些示例性实施例中，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。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述功率单元还包括：M个驱动电路，与所述M个功率变换器一一对应，其中每一个所述驱动电路被配置为连接于对应的所述功率变换器的功率半导体开关，接收对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号，以输出至少一个驱动信号来驱动对应的所述M个功率变换器中的所述功率半导体开关的导通和断开。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述功率单元还包括：多个驱动电路，其中所述多个驱动电路的数量等于所述功率单元中功率半导体开关的数量，每一个所述驱动电路被配置为连接于对应的所述功率变换器的所述功率半导体开关，接收对应的所述本地控制器输出的本地控制信号，以输出驱动信号来驱动对应的所述功率半导体开关的导通和断开。
在本发明的一些示例性实施例中，其中各所述驱动电路为彼此相同或彼此不相同。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述驱动电路包括第一磁隔离器件，所述第一磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或每一个所述驱动电路包括第二磁隔离器件，所述第二次隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的一些示例性实施例中，其中部分所述驱动电路包括第一磁隔离器件，所述第一磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；另一部分所述驱动电路包括第二磁隔离器件，所述第二磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的一些示例性实施例中，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，所述M个驱动电路中至少一个为主驱动电路，至少一个为从驱动电路，所述主驱动电路被配置为驱动对应的所述主功率变换器中的功率半导体开关导通和断开，所述从驱动电路被配置为驱动对应的所述从功率变换器中的功率半导体开关的导通和断开。
在本发明的一些示例性实施例中，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构相同时，控制所述主功率变换器和所述从功率变换器中相同位置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为同一个。
在本发明的一些示例性实施例中，其中所述至少一个主功率变换器的数量为1，所述至少一个从功率变换器的数量为M-1时，控制所述从功率变换器中相同位置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为同一个。
在本发明的一些示例性实施例中，其中当所述至少一个主功率变换器的数量大于等于2，所述至少一个从功率变换器的数量大于等于2时，控制所述从功率变换器中相同位置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为同一个。
在本发明的一些示例性实施例中，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构不相同时，控制所述主功率变换器中相同位置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为同一个。
在本发明的一些示例性实施例中，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构相同时，控制所述主功率变换器中相同位置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为同一个。
在本发明的一些示例性实施例中，其中所述主驱动电路和所述从驱动电路均包括磁隔离器件，所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的一些示例性实施例中，其中所述主驱动电路包括主磁隔离器件，所述从驱动电路包括从磁隔离器件，其中所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述主驱动电路和每一个所述从驱动电路均包括磁隔离器件，所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，或者所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的一些示例性实施例中，其中所述主驱动电路包括主磁隔离器件，所述从驱动电路包括从磁隔离器件，其中所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，或者所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述功率单元还包括：多个第一直流母线电压钳位电路，与所述从功率变换器一一对应，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路被配置为与对应的从功率变换器的直流母线电容并联，以使对应的所述从功率变换器的直流母线电压不超过第一预设值。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路包括：开关、电阻和开关控制电路，其中所述开关与所述电阻形成串联支路，所述串联支路与所述直流母线电容并联，所述开关控制电路连接所述开关的控制端，当所述直流母线电压超过所述第一预设值时，所述开关控制电路输出开关控制信号以导通所述开关，使得所述直流母线电容通过所述串联支路放电。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述功率单元还包括：
多个第一直流母线电压钳位电路，与所述从功率变换器一一对应，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路被配置为与对应的从功率变换器的直流母线电容并联，以使对应的所述从功率变换器的直流母线电压不超过第一预设值；以及
多个第二直流母线电压钳位电路，与所述主功率变换器一一对应，其中每一个所述第二直流母线电压钳位电路被配置为与对应的主功率变换器的直流母线电容并联，以使对应的所述主功率变换器的直流母线电压不超过第二预设值。
在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路包括：开关、电阻和开关控制电路，其中所述开关与所述电阻形成串联支路，所述串联支路与所述直流母线电容并联，所述开关控制电路连接所述开关的控制端，当所述直流母线电压超过所述第一预设值时，所述开关控制电路输出开关控制信号以导通所述开关，使得所述直流母线电容通过所述串联支路放电；以及
每一个所述第二直流母线电压钳位电路包括：
开关、电阻和开关控制电路，其中所述开关与所述电阻形成串联支路，所述串联支路与所述直流母线电容并联，所述开关控制电路连接所述开关的控制端，当所述直流母线电压超过所述第二预设值时，所述开关控制电路输出开关控制信号以导通所述开关，使得所述直流母线电容通过所述串联支路放电。
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驱动信号，可简化控制电路。
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是说明本发明本地控制器与驱动电路之间连接方式的示意图；
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是说明本发明驱动电路的驱动方式的示意图；
图19是说明本发明驱动电路的另一种驱动方式的示意图；
图20是本发明一个实施例的驱动电路的电路图；
图21是本发明一个实施例的驱动电路的时序图；
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是本发明一个实施例的钳位电路的电路图；
图28是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。
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，本发明的模块化电源系统被配置为包括：一个主控制器90、N个本地控制器91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来控制对应的功率单元70中部分功率变换器的运行状态。
本发明的模块化电源系统可以被配置为还包括N个辅助电源93，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，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置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为同一个。
作为一个实施例，部分功率变换器所对应的本地控制信号是共用的，另一部分功率变换器所对应的本地控制信号是独立的，亦即，在共用本地控制信号的功率变换器中，同一个本地控制信号控制相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开。
作为另一个实施例，M个功率变换器所对应的本地控制信号都是共用的，同一个本地控制信号控制M个功率变换器中相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开。
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。
本发明的模块化电源系统可以应用于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6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。
如图6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，接收对应的本地控制器91输出的本地控制信号，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。
如图6所示，功率单元70中第一个功率变换器701和第二个功率变换器701所对应的本地控制信号是共同的，亦即，控制该两个功率变换器701中相同位置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为同一个；而第三个功率变换器701所对应的本地控制信号是独立的，亦即，其与第一个功率变换器701和第二个功率变换器701的本地控制信号不是同一个。换句话说，第三个功率变换器701是被独立控制的而第一个功率变换器701和第二个功率变换器701是被共同控制的。
在其他实施例中，第一个功率变换器701、第二个功率变换器701以及第三个功率变换器701所对应的本地控制信号是共同的，亦即，三个功率变换器701均被共同控制的。需要说明的是，功率单元70中功率变换器有M个，这里以3个举例，但不仅限于3个。
在本实施例的模块化电源系统每一个功率单元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变换器701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中在逻辑上对应的功率半导体开关在电路图中的位置。例如，下面的图7-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，所以下面的图7-图15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”。
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7-图15将进一步描述本发明的本发明的“共用驱动”的驱动方式，即功率变换器701所对应的本地控制信号相同，即M个功率变换器701被共同控制，具体而言，M个功率变换器701中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个。
其中主控制器90、本地控制器91、光纤94以及辅助电源93的相关内容已经在图6中加以描述，在此不再赘述。图7-图15仅描述一个功率单元70中M个功率变换器所对应的本地控制信号以及相应驱动电路。
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，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相同，即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，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，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，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，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，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12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，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13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，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7所述，半桥变换器的具体连接关系如图8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，即为同一个本地控制信号，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，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为同一个，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14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，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本地控制器91输出的对应的本地控制信号，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15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。
图16是说明本发明本地控制器与驱动电路之间连接方式的示意图。如图16中所示，作为一个实施例，驱动电路72(702)与本地控制器91通过磁隔离器件T连接，传输本地控制信号。采用磁隔离器件具有高可靠性、高性能、低功耗等优点。
作为一个实施例，驱动电路72(702)与本地控制器91也可以通过光隔离器件连接。采用光隔离器件具有信号单向传输、输入端与输出端完全实现了电气隔离、输出信号对输入端无影响、抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高等优点。
作为一个实施例，驱动电路72(702)与本地控制器91直接电连接。
本发明的模块化电源系统中的各驱动电路72(702)可以为彼此相同或彼此不相同。
如图6-图15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17是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图17中所示，本实施例的模块化电源系统中的一个功率单元中包括5个H桥电路的功率变换器701。其中4个功率变换器701的驱动电路721不同于中间的功率变换器701的驱动电路722。
图18是说明本发明驱动电路的驱动方式的示意图。如图18中所示，驱动电路722包括原边电路7221、副边电路7222以及磁隔离器件T1，原边电路7221接收本地控制器91输出的本地控制信号，其中本地控制信号中只包含驱动成分，该本地控制信号是一个弱信号。原边电路7221将本地控制信号调制成为高低电平的窄脉冲信号，其中高低电平的窄脉冲信号包括驱动逻辑脉冲，该窄脉冲信号经由磁隔离器件(例如，高频隔离变压器)T1传输副边电路7222，副边电路7222将高低压窄脉冲信号还原成PWM信号并经过放大处理以输出驱动信号来驱动功率半导体开关Q的导通和断开，其中该窄脉冲信号仅包含驱动逻辑脉冲，例如PWM信号。功率单元70还包括电源电路7223，用以给原边电路7221和副边电路7222提供电源。电源电路7223接收的电源可以来自于辅助源93，或者其他外部电源，电源电路7223将接收到的电源转换为给原边电路7221供电的电压V1以及给副边7222供电的电压V2，且电压V1和V2之间是相互隔离的。在其它实施例中，电源电路7223还包括原边电源电路(未示出)、隔离变压器(未示出)以及副边电源电路(未示出)，原边电源电路将接收到的电源转换为原边电源给原边电路7221提供直流电V1，同时原边电源电路将接收到的电源转换为功率脉冲即电源脉冲通过隔离变压器传输给副边电源电路，再由副边电源电路将功率脉冲转换为副边电源给副边电路7222提供直流电V2。
为简化驱动电路722，节省成本，提高驱动电路72的可靠性，本发明中各功率变换器的驱动方式可采用“简易驱动”。
图19是说明本发明驱动电路的另一种驱动方式的示意图。如图19中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个驱动电路721包括原边电路7211、副边电路7212和磁隔离器件(例如，隔离变压器)T2。原边电路7211接收本地控制信号，其中本地控制信号包括驱动成分和功率成分，该本地控制信号是一个强信号，原边电路7211将本地控制信号调制成为正负窄脉冲信号YMN，经由磁隔离器件T2传输给副边电路7212，副边电路7212将窄脉冲信号YMN解调成驱动信号以驱动功率半导体开关Q的导通和断开，其中该正负窄脉冲信号YMN包括驱动逻辑脉冲以及功率脉冲，功率半导体开关Q例如包括栅极G、集电极C和发射极E，驱动信号被输出至功率半导体开关的栅极G。图19所述的驱动方式为“简易驱动”，这种“简易驱动”省去了大量的电源电路，使得驱动电路721的器件减少了很多，整个驱动电路721的结构得到简化，功耗得以减小，可靠性得到了提高。
图20是本发明一个实施例的驱动电路的电路图。图20基于图19并且为图19中驱动电路的副边电路的具体化。图21是本发明一个实施例的驱动电路的时序图。如图20中所示，本发明的驱动电路主要包括磁隔离器件T2和一个双向稳压管W，其它电阻R11、R12、R13、R、R21、R22、R23、栅极电容CGE、二极管D11、D21、稳压管W1、W2和开关管M1和M2为辅助元件，其连接关系如图20中所示。
结合图20和图21，本地控制器91发出的本地控制信号PWM经原边电路调制后形成正负脉冲信号YMN，如图21中YNM所示。该正负脉冲信号YNM经磁隔离器件(例如，隔离变压器)T2传输至副边电路，触发开关管M1和M2动作后向IGBT栅极电容CGE充放电，形成驱动功率半导体开关所需的驱动信号VGE，VGE的波形图基本与本地控制信号PWM相近，如图21所示。为了减小磁隔离器件即隔离变压器T2的磁芯，且使磁芯不饱和，正负脉冲信号YNM的刷新脉冲的宽度可能只有几μs。以功率半导体开关Q的栅极-发射级电压VGE为正进行说明，几μs的正脉冲一次给栅极电容CGE充的电，就可以使得驱动信号VGE达到功率半导体开关的栅极开通电压，例如+15V。然而要维持功率半导体开通导通，其需要的正脉冲可能有几十μs到上百μs甚至更长，因此，如果没有刷新脉冲，栅极电容CGE会缓慢放电导致驱动信号VGE逐渐降低，达不到功率半导体开关正常导通所需的栅极开通电压，因此需要刷新脉冲每隔一段时间对栅极电容CGE充电以维持驱动信号VGE在正常的栅极开通电压。至于刷新脉冲的时间间隔，主要由栅极电容CGE的放电时间常数确定，原则是在下一个刷新脉冲来之前，VGE不至于下降太多，例如下一个刷新脉冲到来之前驱动信号VGE不能低于14V。
图20的驱动电路接收的本地控制信号包括驱动逻辑脉冲以及功率脉冲，因而该驱动电路就不需要外接电源，也不需要对本地控制信号进行放大处理，相对于图18的驱动电路省去了大量的电源电路，使得驱动电路721的器件减少了很多，整个驱动电路721的结构得到简化，功耗得以减小，可靠性得到了提高。
在本发明的上述实施例中，如图6-图15所示，每一个驱动电路702可以采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输的本地控制信号中包含驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
在其他实施例中，如图6-图15所示，每一个驱动电路702可以采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的上述实施例中，如图6-图15所示，一部分驱动电路702可以采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件T2传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；以及另一部分驱动电路702采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件T1传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的上述实施例中，如图17所示，驱动电路721可以采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲以及功率脉冲；以及驱动电路722采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
在本发明的上述实施例中，如图17所示，驱动电路722可以采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲以及功率脉冲；以及驱动电路721采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
图22是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图22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中有一个为主功率变换器7012，其余M-1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7-图15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7-图15所述的功率变换器其中的一种，从功率变换器可以采用图7-图15所述的功率变换器其中的另一种。相应地，M个驱动电路中有一个为主驱动电路722，其余M-1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22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，主驱动电路722采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件仅传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲；以及每一个从驱动电路721采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
作为另一个实施例，主驱动电路722不同于从驱动电路721，每一个从驱动电路721采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲；以及主驱动电路722采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
作为又一个实施例，主驱动电路722与从驱动电路721相同，主驱动电路722和从驱动电路721均采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲；或者主驱动电路722和从驱动电路721均采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
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，且主功率变换器7012在功率单元70中居中，从功率变换器7011分别分布于主功率变换器7012的两侧。主功率变换器7012所对应的本地控制信号独立于从功率变换器7011所对应的本地控制信号，亦即，主功率变换器7012被独立控制，从功率变换器7011被共同控制，例如采用共用驱动方式，因而从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，主功率变换器7012与从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号不为同一个。
在其它实施例中，主功率变换器7012和从功率变换器7011被共同控制，例如采用共用驱动方式，主功率变换器7012和从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个。
图23是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图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中的M个功率变换器701中有至少一个为主功率变换器7012，并且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7-图15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7-图15所述的功率变换器其中的一种，从功率变换器可以采用图7-图15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，并且至少一个为从驱动电路721，每一个主驱动电路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23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，每一个主驱动电路722采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲；以及每一个从驱动电路721采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
作为另一个实施例，主驱动电路722不同于从驱动电路721，每一个从驱动电路721采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲；以及每一个主驱动电路722采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
作为又一个实施例，主驱动电路722与从驱动电路721相同，每一个主驱动电路722和每一个从驱动电路721均采用图18所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲；或者每一个主驱动电路722和每一个从驱动电路721均采用图19所描述的驱动电路，磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲。
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，每一个主驱动电路722与每一个从驱动电路721相同，每一个主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011被共同控制，例如采用共用驱动方式，每一个主功率变换器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为同一个。在其它实施例中，主驱动电路722与从驱动电路721可以相同或者不相同，主功率变换器7012所对应的本地控制信号独立于从功率变换器7011所对应的本地控制信号，亦即，主功率变换器7012被独立控制，从功率变换器7011被共同控制，例如采用共用驱动方式，因而从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，主功率变换器7012与从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号不为同一个。
图24是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图24中所示，在本实施例的模块化电源系统中的每一个功率单元70中，主功率变换器7012和从功率变换器7011的数量均为2个以上。每一个主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构相同，均可以采用图7-图14所述的功率变换器其中一种，而且主驱动电路722与从驱动电路721可以相同，驱动方式都采用了前述的“简易驱动”，如前述图19所描述的内容，即每一个主驱动电路722的磁隔离器件以及每一个从驱动电路721的磁隔离器件都传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者每一个主驱动电路722的磁隔离器件以及每一个从驱动电路721均采用图18所描述的驱动电路，主磁隔离器件和从磁隔离器件均传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
作为另一个实施例，每一个主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构相同，均可以采用图7-图14所述的功率变换器其中一种，主驱动电路722与从驱动电路721可以不相同，每一个主驱动电路722采用图18所描述的驱动电路，主磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲，而每一个从驱动电路721采用图19所描述的驱动电路，从磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者每一个主驱动电路722采用图19所描述的驱动电路，主磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，而每一个从驱动电路721采用图18所描述的驱动电路，从磁隔离器件传输本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
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，每一个主功率变换器7012所对应的本地控制信号相互独立且都独立于从功率变换器7011所对应的本地控制信号，亦即，每一个主功率变换器7012均被独立控制，每一个从功率变换器7011均采用共用驱动方式，因而从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个主功率变换器7012与2个以上从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号不为同一个。
作为一个实施例，当主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构相同时，每一个主功率变换器7012所对应的本地控制信号为同一个，每一个从功率变换器7011所对应的本地控制信号是同一个，且主功率变换器7012与从功率变换器7011所对应的本地控制信号不是同一个，亦即，每一个主功率变换器7012采用共同驱动方式，每一个从功率变换器7011也采用共同驱动方式，因而每一个主功率变换器7012中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个。
作为另一个实施例，当主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构相同时，每一个主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011所对应的本地控制信号是同一个，亦即，每一个主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011均采用共用驱动方式，主功率变换器7012和从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个。
在作为另一个实施例，当主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构不相同时，每一个主功率变换器7012所对应的本地控制信号相互独立且都独立于从功率变换器7011所对应的本地控制信号，亦即，每一个主功率变换器7012均被独立控制，每一个从功率变换器7011均采用共用驱动方式，因而从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个主功率变换器7012与2个以上从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号不为同一个。
作为另一个实施例，当主功率变换器7012和从功率变换器7011的拓扑结构不相同时，每一个主功率变换器7012所对应的本地控制信号为同一个，每一个从功率变换器7011所对应的本地控制信号是同一个，且主功率变换器7012与从功率变换器7011所对应的本地控制信号不是同一个，亦即，每一个主功率变换器7012采用共同驱动方式，每一个从功率变换器7011也采用共同驱动方式，因而每一个主功率变换器7012中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个。
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25是对图23的进一步描述，在图23中已经描述的内容，这里不再赘述。如图25所示，本实施例的模块化电源系统中每一个所述功率单元70可以还包括：多个直流母线电压钳位电路703，与前述的采用共同驱动方式的功率变换器701一一对应，其中每一个直流母线电压钳位电路703被配置为与对应的功率变换器701的直流母线电容并联，以使对应的功率变换器701的直流母线电压不超过预设值。也就是说，本发明在模块化电源系统中每一个所述功率单元70中功率变换器701中加入了直流母线电压控制环节。为了确保功率变换器701可靠运行，需要把功率变换器701中的母线电压控制在合适的范围内。该母线电压控制方式可以通过硬件实现，也可以通过软件实现。
在本实施例中，当每一个从功率变换器7011均采用共用驱动方式时，亦即，每一个从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个从功率变换器7011的直流母线电容上都并联一个直流母线电压钳位电路703。
作为一个实施例，当每一个主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011均采用共用驱动方式时，亦即，每一个主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个主功率变换器7012和每一个从功率变换器7011的直流母线电容上都并联一个直流母线电压钳位电路703。
作为一个实施例，当每一个主功率变换器7012中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，每一个从功率变换器7011中相同位置处的功率半导体开关所对应的本地控制信号为同一个，且主功率变换器7012与从功率变换器7011所对应的本地控制信号不是同一个，每一个主功率变换器7012的直流母线电容上都并联一个直流母线电压钳位电路，而每一个从功率变换器7011的直流母线电容上都并联一个直流母线电压钳位电路，可以与主功率变换器的直流母线电容上并联的直流母线电压钳位电路相同或者不同。
如图25中所示，该直流母线电压钳位电路703由硬件实现，用以控制各直流母线电容CB两端的电压不超过预设值。
当直流母线电压钳位电路703应用于如图7、图8和图12-图14的模块化电源系统中，直流母线电压钳位电路703连接于对应的功率变换器701的直流母线电容CB的一端和另一端之间，而如图9-图11和图15，直流母线电压钳位电路703连接在对应的功率变换器701的直流母线电容C1的一端和直流母线电容C2的另一端之间，以使对应的功率变换器701的直流母线电压不超过预设值，其中直流母线电压钳位电路703由硬件实现。
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26是对图22的进一步描述，在图22中已经描述的内容，这里不再赘述。如图26中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个所述功率单元可以还包括：M-1个直流母线电压钳位电路703，与前述的M-1个从功率变换器7011一一对应，其中每一个直流母线电压钳位电路703被配置为与对应的从功率变换器7011的直流母线并联，以使得对应的从功率变换器7011的直流母线电压不超过预设值。
除了使用直流母线电压钳位电路703，本发明还提供了动态调节方式的直流母线电压控制。如图26中所示，功率单元70内包含5个级联的基于H桥电路的功率变换器，需要说明的是，功率单元70中功率变换器的拓扑结构也可以是图7-图15所述的拓扑结构。中间的功率变换器7012独立控制。具体地，将通过检测获得的功率变换器7012的直流母线电压与预设值比较。如果该直流母线电压高于预设值，则本地控制器91输出本地控制信号以控制功率变换器7012的H桥电路的功率半导体开关导通或断开，使其直流母线电容CB放电，如果该直流母线电压低于预设值，则本地控制器91输出本地控制信号以控制功率变换器7012的H桥电路的功率半导体开关导通或断开，使其直流母线电容CB充电，从而使得该直流母线电压被控制在合理的范围内。
如图26中所示，共4个从功率变换器7011分别分布于主功率变换器7012的两侧，其中4个从功率变换器则可以采用前述的共用驱动方式。各H桥电路中相同位置处的功率半导体开关由同一本地控制信号对应的驱动信号来控制。在实际应用中，由于器件存在离散性，由同一个本地控制信号控制的各功率半导体开关并不能真正实现同时导通和同时断开，且直流母线电容也会存在离散性，导致各直流母线电压会产生差异。本发明在采用共用驱动的各个从功率变换器的直流母线电容CB两侧并联直流母线电压钳位电路703后，可将各直流母线电容CB两端的电压限制在预设值内，可保证系统稳定可靠地运行。
图27是本发明一个实施例的钳位电路的电路图。如图27中所示，本实施例的模块化电源系统中每一个直流母线电压钳位电路703包括：开关K、电阻R和开关控制电路WC。其中开关K与电阻R形成串联支路，该串联支路与对应的功率变换器701的直流母线并联。开关控制电路WC连接开关K的控制端。当功率变换器701的直流母线电压超过预设值时，开关控制电路WC输出开关控制信号以导通开关K，使得功率变换器701的直流母线通过该串联支路放电。
在图27中，开关控制电路WC采用了一个瞬态抑制二极管(TVS管)。TVS管与一个二极管D串联连接后一端连接于直流母线的一端，另一端连接于开关的控制端，其中二极管D起反向保护作用。当功率变换器701的直流母线电压超过该TVS管的击穿值以后，控制可控开关K导通，使直流母线电容CB上的直流母线电压经过与可控开关K串联的电阻R进行放电。直至该直流母线电压降至该TVS管的击穿值以下，该TVS管恢复截止状态，可控开关K断开，直流母线电容CB放电结束。因此，该直流母线电压钳位电路703可将功率变换器701的直流母线电容的电压限制在预设值即该TVS击穿值以下。
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每一个辅助电源93可以被配置为从外部电源取电，每一个辅助电源93连接外部电源EC，例如从市电取电或者外部电路取电，或者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，或者本实施例的模块化电源系统中的每一个辅助电源93可以被配置为从对应的功率单元70中的任一个功率变换器701的直流母线电容CB1取电，以获取直流母线电容CB1上的直流母线电压，或者本实施例的模块化电源系统中的一部分辅助电源93可以被配置为从外部电源取电，另一部分辅助电源93可以被配置为从对应的功率单元70中的任一个功率变换器701的直流母线电容CB1取电，以获取直流母线电容CB1上的直流母线电压。
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 (26)

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，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置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为同一个。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求2所述的模块化电源系统，其中所述N个辅助电源被配置为从外部电源取电，或者从对应的所述功率单元取电。
4.根据权利要求1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。
5.根据权利要求1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。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求5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。
8.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元还包括：
M个驱动电路，与所述M个功率变换器一一对应，其中每一个所述驱动电路被配置为连接于对应的所述功率变换器的功率半导体开关，接收对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号，以输出至少一个驱动信号来驱动对应的所述M个功率变换器中的所述功率半导体开关的导通和断开。
9.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元还包括：
多个驱动电路，其中所述多个驱动电路的数量等于所述功率单元中功率半导体开关的数量，每一个所述驱动电路被配置为连接于对应的所述功率变换器的所述功率半导体开关，接收对应的所述本地控制器输出的本地控制信号，以输出驱动信号来驱动对应的所述功率半导体开关的导通和断开。
10.根据权利要求8或9所述的模块化电源系统，其中各所述驱动电路为彼此相同或彼此不相同。
11.根据权利要求8或9所述的模块化电源系统，其中每一个所述驱动电路包括第一磁隔离器件，所述第一磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者每一个所述驱动电路包括第二磁隔离器件，所述第二磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
12.根据权利要求8或9所述的模块化电源系统，其中部分所述驱动电路包括第一磁隔离器件，所述第一磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；另一部分所述驱动电路包括第二磁隔离器件，所述第二磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
13.根据权利要求5所述的模块化电源系统，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，所述M个驱动电路中至少一个为主驱动电路，至少一个为从驱动电路，所述主驱动电路被配置为驱动对应的所述主功率变换器中的功率半导体开关导通和断开，所述从驱动电路被配置为驱动对应的所述从功率变换器中的功率半导体开关的导通和断开。
14.根据权利要求13所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构相同时，控制所述主功率变换器和所述从功率变换器中相同位置的所述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为同一个。
15.根据权利要求13所述的模块化电源系统，其中所述至少一个主功率变换器的数量为1，所述至少一个从功率变换器的数量为M-1时，控制所述从功率变换器中相同位置的所述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为同一个。
16.根据权利要求13所述的模块化电源系统，其中当所述至少一个主功率变换器的数量大于等于2，所述至少一个从功率变换器的数量大于等于2时，控制所述从功率变换器中相同位置的所述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为同一个。
17.根据权利要求16所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构不相同时，控制所述主功率变换器中相同位置的所述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为同一个。
18.根据权利要求16所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构相同时，控制所述主功率变换器中相同位置的所述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为同一个。
19.根据权利要求13任何一个所述的模块化电源系统，其中所述主驱动电路和所述从驱动电路均包括磁隔离器件，所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
20.根据权利要求13任何一个所述的模块化电源系统，其中所述主驱动电路包括主磁隔离器件，所述从驱动电路包括从磁隔离器件，其中所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
21.根据权利要求14所述的模块化电源系统，其中每一个所述主驱动电路和每一个所述从驱动电路均包括磁隔离器件，所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，或者所述磁隔离器件仅传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
22.根据权利要求15-18任何一个所述的模块化电源系统，其中所述主驱动电路包括主磁隔离器件，所述从驱动电路包括从磁隔离器件，其中所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，或者所述主磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲，所述从磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。
23.根据权利要求15-18任何一个所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元还包括：
多个第一直流母线电压钳位电路，与所述从功率变换器一一对应，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路被配置为与对应的从功率变换器的直流母线电容并联，以使对应的所述从功率变换器的直流母线电压不超过第一预设值。
24.根据权利要求23所述的模块化电源系统，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路包括：
开关、电阻和开关控制电路，其中所述开关与所述电阻形成串联支路，所述串联支路与所述直流母线电容并联，所述开关控制电路连接所述开关的控制端，当所述直流母线电压超过所述第一预设值时，所述开关控制电路输出开关控制信号以导通所述开关，使得所述直流母线电容通过所述串联支路放电。
25.根据权利要求16-18任何一个所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元还包括：
多个第一直流母线电压钳位电路，与所述从功率变换器一一对应，其中每一个所述第一直流母线电压钳位电路被配置为与对应的从功率变换器的直流母线电容并联，以使对应的所述从功率变换器的直流母线电压不超过第一预设值；以及
多个第二直流母线电压钳位电路，与所述主功率变换器一一对应，其中每一个所述第二直流母线电压钳位电路被配置为与对应的主功率变换器的直流母线电容并联，以使对应的所述主功率变换器的直流母线电压不超过第二预设值。
26.根据权利要求25所述的模块化电源系统，其中
每一个所述第一直流母线电压钳位电路包括：
开关、电阻和开关控制电路，其中所述开关与所述电阻形成串联支路，所述串联支路与所述直流母线电容并联，所述开关控制电路连接所述开关的控制端，当所述直流母线电压超过所述第一预设值时，所述开关控制电路输出开关控制信号以导通所述开关，使得所述直流母线电容通过所述串联支路放电；以及
每一个所述第二直流母线电压钳位电路包括：
开关、电阻和开关控制电路，其中所述开关与所述电阻形成串联支路，所述串联支路与所述直流母线电容并联，所述开关控制电路连接所述开关的控制端，当所述直流母线电压超过所述第二预设值时，所述开关控制电路输出开关控制信号以导通所述开关，使得所述直流母线电容通过所述串联支路放电。
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