TWI661632B - 模組化電源系統 - Google Patents

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Abstract

本案為一種模組化電源系統，被配置為包括：一個主控制器，被 配置為輸出主控制信號；N個本地控制器，其中每一本地控制器被配置為接收主控制信號，以輸出至少一個本地控制信號；N個輔助電源，與N個本地控制器一一對應，其中每一輔助電源被配置為給對應的本地控制器提供電源；以及N個功率單元，與N個本地控制器一一對應，其中每一功率單元包括第一端和第二端，每一功率單元的第二端連接到相鄰的一個功率單元的第一端，每一功率單元被配置為包括M個功率變換器，每一功率變換器被配置為根據對應的本地控制器輸出的本地控制信號運行。

Description

模組化電源系統
本案係關於電力電子技術領域，尤指一種模組化電源系統。
目前，在一些較高電壓等級(如10kV以上)應用場合，如靜止無功發生器(Static Var Generator，SVG)、中壓變頻器(Medium Variable-frequency Drive，MVD)以及輕型高壓直流輸電系統(High Voltage Direct Current Transmission Light，HVDC-Light)等，由於系統電壓等級較高，受半導體器件的耐壓等級和成本所限，通常都採用功率單元級聯的電路拓撲結構。
傳統的功率單元級聯的拓撲結構需要給每一個功率單元即功率變換器配備一套光纖、輔助電源、本地控制器。這種功率單元級聯的拓撲結構隨著電壓等級的提高，需要級聯的功率單元的數量也隨之增加，導致光纖、輔助電源及本地控制器的數量也隨之增加，使得這種拓撲結構的設計複雜，成本高，同時也會降低其可靠性。
第1圖是習知技術中一個三相SVG系統的結構示意圖。第2圖是習知技術中一個更具體的三相SVG系統的示意圖。第1圖和第2圖中的SVG系統包括三相電路，每一相電路中的功率單元級聯連接。
如第1圖中所示，該SVG系統的每一相電路都由多個功率單元1級聯而成。這裡的術語“級聯”在本領域中是公知常識，即每一個功率單元包括第一端T1和第二端T2，相鄰兩個功率單元的其中一個的第二端T2與另一個的第一端T1連接。每一相電路的第1個功率單元1的第一端T1經濾波器L(可由電感構成)分別連接到三相電網的UA、UB和UC三相線路上，每一相電路的最後一個功率單元1的第二端T2相互連接。
如第2圖所述，該SVG系統的每一相電路都由8個功率單元 P1至P8級聯而成。每一個功率單元包括如第1圖中所示的第一端和第二端，其中相鄰兩個功率單元的其中一個的第二端與另一個的第一端連接。例如，功率單元P1的第二端與功率單元P2的第一端連接，功率單元P2的第二端與功率單元P3的第一端連接，依次類推，功率單元P7的第二端與功率單元P8的第一端連接。三相電路中三個功率單元P1的第一端經過濾波電路(由電感L、電阻R和電容C組成)分別連接於三相電網G的UA、UB和UC相，其中三相電網G的UA、UB和UC相連接負載Rload。三相電路中三個功率單元P8的第二端相互連接。每一個功率單元中包括四個功率開關器件2。每一個功率開關器件2由一個功率半導體開關S與一個反向並聯的體二極體或外接二極體D構成。功率半導體開關S的集電極與二極體D的陰極連接，功率半導體開關S的發射極與二極體D的陽極連接。由於功率半導體開關S與一個反向並聯的體二極體或外接二極體D二者通常作為一個整體使用，所以為了描述簡潔的目的，以下描述中不再單獨提及反向並聯的體二極體或外接二極體D。
第1圖中所示的功率單元1可以是全橋(H橋)電路，也可以是其它的電路拓撲結構，如半橋電路、整流-逆變電路等。圖3是習知技術中的一個H橋電路(拓撲)的示意圖。例如，以功率單元為H橋電路為例，H橋電路如第3圖中所示，包括功率半導體開關S1至S4和直流匯流排電容CB。功率半導體開關S1的第一端連接於直流匯流排電容CB的正極端和功率半導體開關S3的第一端。功率半導體開關S1的第二端連接於功率半導體開關S4的第一端。功率半導體開關S4的第二端連接於直流匯流排電容CB的負極端和功率半導體開關S2的第二端。功率半導體開關S3的第二端連接功率半導體開關S2的第一端。功率半導體開關S1的第二端作為H橋電路的第一輸出端，也即功率單元1的第一端T1，功率半導體開關S3的第二端作為H橋電路的第二輸出端，也即功率單元1的第二端T2。
第4圖是習知技術中一個單相SVG的示意圖。如第4圖中所示，該單相SVG包括充電部分3、功率部分4和控制部分5。該單相SVG也包括多個功率單元40，每一個功率單元40包括如第1圖中所示的第一端和第二端，相鄰兩個功率單元40其中一個的第一端與另一個的第二端連接。第4圖是應用於25kV單相SVG的傳統級聯式方案。該SVG由多個功率單元級聯後形成一相，經濾波器和接觸器接入電網。該SVG的每一個功率單元40通常採用一個H橋電路。H橋電路的拓撲結構如圖3中所示，這裡不再贅述。該SVG系 統的每一個功率單元40還包括直流匯流排電容CB，其連接關係如第4圖中所示，其中充電部分3用以對直流匯流排電容CB進行預充電，控制部分5用以控制功率部分4的運行。
從第4圖可以看出，在傳統的級聯式拓撲結構中，除了包括一個主控制器50之外，每一個功率單元40即作為功率變換器，例如H橋電路，都需要單獨配備一套本地控制器51、驅動電路52、輔助電源53及光纖54，其連接關係如第4圖中所示，主控制器50輸出主控制信號至本地主控制器51，本地主控制器51根據主控制信號產生對應的功率單元的本地控制信號至驅動電路52，驅動電路52根據本地控制信號輸出驅動信號來驅動對應的功率單元運行。例如25kV單相SVG，通常可以採用以下兩種方案來實現。第一種方案：H橋電路中的功率開關器件均採用常用的1700V絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT)，那麼單個功率單元40的直流匯流排電壓為1000V，考慮冗餘，共需要55級功率單元級聯，因此一共需要55套本地控制器51、55套光纖54及55個輔助電源53。如此多的本地控制器51、光纖54、輔助電源53將導致SVG的結構設計極其複雜，成本也相當高昂，同時降低了其可靠性。
第二種方案：H橋電路中的功率開關器件選用高壓IGBT，例如3300V IGBT甚至6500V IGBT，將單個功率單元40的電壓等級提高。為減少功率單元40的級聯數量，減少本地控制器51、光纖54、輔助電源53的數量，通常可以採用第二種方案。在第二種方案中，若選用3300V IGBT，每個功率單元40的電壓等級相比1700V IGBT方案提高一倍，級聯數量可由55級減少為28級，本地控制器51、光纖54及輔助電源53的數量及成本也可減少一半。但受限於當前的半導體工藝發展水準，3300V IGBT的成本依然居高不下，同樣的電流規格下，其成本遠遠超過1700V IGBT成本的2倍。因此第二種方案的成本將遠遠超過第一種方案。如果選用6500V IGBT，成本的壓力則更高。
因此，目前不管是採用低壓IGBT功率單元的級聯方案，或是採用高壓IGBT功率單元的級聯方案，均有其顯著的缺點。
第5圖是習知技術中一個HVDC-Light系統的示意圖。如第5圖中所示，該HVDC-Light包括三相電路，每一相電路包括上半橋臂和下半橋臂，每一相電路的上半橋臂和下半橋臂均包括多個級聯的功率單元40和電感 L，每一個功率單元40也包括如圖1中所示的第一端和第二端，相鄰兩個功率單元40其中一個的第一端與另一個的第二端連接，每個上橋臂的電感L與相應下橋臂的電感L相連，並且兩個電感L之間的連接點分別連接到電網，其連接關係如第5圖中所示。該HVDC-Light的每一個功率單元40採用了一個半橋變換器。該HVDC-Light的每一個功率單元40還包括直流匯流排電容，該HVDC-Light的每一個功率單元40還需要連接驅動電路52，功率單元40根據驅動電路52輸出的驅動信號進行運行。除了主控制器50之外，每一個功率單元40也都需要配備一套本地控制器51、光纖54及輔助電源53，其連接關係如第5圖中所示。
由於HVDC-Light的直流電壓高達上百千伏，需要級聯的功率單元40的數量極其龐大，所以上述提到的問題更加顯著，即習知技術中HVDC-Light整體結構複雜、成本高且可靠性低。
同時，本地控制器和輔助電源的供電方式也需要進一步考慮和改進。
另外，功率半導體開關的驅動方式也需要進一步考慮和改進。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之模組化電源系統，實為目前迫切之需求。
本案之目的在於提供一種模組化電源系統，以簡化電力電子系統的結構，降低成本，並提高可靠性。
本案之一較佳實施態樣提供一種模組化電源系統，被配置為包括：一個主控制器，被配置為輸出主控制信號；N個本地控制器，其中每一個本地控制器被配置為接收主控制信號，以輸出至少一個本地控制信號；N個輔助電源，與N個本地控制器一一對應，其中每一個輔助電源被配置為給對應的本地控制器提供電源；以及N個功率單元，與N個本地控制器一一對應，其中每一個功率單元包括第一端和第二端，每一個功率單元的第二端連接到相鄰的一個功率單元的第一端，每一個功率單元被配置為包括M個功率變換器，其中每一個功率變換器包括第三端和第四端，每一個功率變換器的第四端連接到相鄰的一個功率變換器的第三端，且第一個功率變換器的第三端為功率單元的第一端，第M個功率變換器的第四端為功率單元的第二端，每一個功率變 換器被配置為根據對應的本地控制器輸出的本地控制信號運行，其中N和M均為大於1的自然數。
其中，輔助電源從外部電源取電。
其中，N個輔助電源與N個功率單元一一對應，每一個輔助電源被配置為從對應的功率單元取電。
其中，每一個輔助電源被配置為從對應的功率單元中的任一個或多個功率變換器的直流匯流排電容取電，以獲取直流匯流排電容上的直流匯流排電壓。
其中，部分N個輔助電源從外部電源取電，另一部分N個輔助電源從對應的功率單元取電。
其中，功率單元中的M個功率變換器中至少一個為高壓功率變換器，至少一個為低壓功率變換器，高壓功率變換器的工作電壓高於低壓功率變換器的工作電壓，每一個高壓功率變換器包括至少一個高壓功率半導體開關，每一個低壓功率變換器包括至少一個低壓功率半導體開關，高壓功率半導體開關的工作電壓高於低壓功率半導體開關的工作電壓。
其中，每一個功率單元還包括至少一個高壓驅動電路和至少一個低壓驅動電路，至少一個高壓驅動電路的數量與至少一個高壓功率變換器一一對應，每一個高壓驅動電路連接於對應的高壓功率半導體開關，每一個高壓驅動電路被配置為接收對應的本地控制信號以輸出至少一個驅動信號來分別驅動對應的高壓功率半導體開關；至少一個低壓驅動電路與至少一個低壓功率變換器一一對應，每一個低壓驅動電路連接於對應的低壓功率半導體開關，每一個低壓驅動電路被配置為接收對應的本地控制信號以輸出至少一個驅動信號來分別驅動對應的低壓功率半導體開關。
其中，每一個功率單元還包括至少一個高壓驅動電路和至少一個低壓驅動電路，至少一個高壓驅動電路的數量等於至少一個高壓功率半導體開關的數量，每一個高壓驅動電路連接於對應的高壓功率半導體開關，每一個高壓驅動電路被配置為接收對應的本地控制信號以輸出驅動信號來驅動對應的高壓功率半導體開關；至少一個低壓驅動電路的數量等於至少一個低壓功率半導體開關的數量，每一個低壓驅動電路連接於對應的低壓功率半導體開關，每一個低壓驅動電路被配置為接收對應的本地控制信號以輸出驅動信號來驅動對應的低壓功率半導體開關。
其中，每一個對應的本地控制器包括：高壓控制電路，被配置為輸出本地控制信號至對應的高壓驅動電路；以及低壓控制電路，被配置為輸出本地控制信號至對應的低壓驅動電路。
其中，每一個輔助電源被配置從對應的功率單元中的一個或多個低壓功率變換器的直流匯流排電容取電，以獲取直流匯流排電容上的直流匯流排電壓。
其中，每一個輔助電源為DC/DC變換器，DC/DC變換器接收直流匯流排電容上的直流匯流排電壓，並將直流匯流排電壓轉換為給對應的本地控制器供電的電壓。
其中，每一個輔助電源為DC/DC變換器，DC/DC變換器接收直流匯流排電容上的直流匯流排電壓，並將直流匯流排電壓轉換為給對應的本地控制器，或者DC/DC變換器接收直流匯流排電容上的直流匯流排電壓，並將直流匯流排電壓轉換為給對應的本地控制器、高壓驅動電路以及低壓驅動電路供電的電壓。
其中，功率變換器為AC/DC變換器、DC/AC變換器和DC/DC變換器中的任何一種。
其中，M個功率變換器的直流匯流排電壓為全部相同，部分相同，或全部不相同。
其中，M個功率變換器的拓撲結構為全部相同，或部分相同。
其中，每一個功率單元中的M個功率變換器的拓撲結構全部為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的一種。
其中，每一個功率單元中的M個功率變換器的拓撲結構為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的兩種或兩種以上的組合。
本案通過將多個功率變換器組成一個功率單元，利用一套本地控制器、光纖、輔助電源控制多個功率變換器的方法，可大大減少本地控制器、光纖、輔助電源的數量，簡化結構設計，降低成本，提高可靠性。
本案解決了模組化電源系統的控制量繁多，所需硬體資源較多，成本較高，同時功率單元數量較多，導致功率密度較低的問題；並且由於至少 一直流轉直流變換器的輸入端連接於低壓匯流排電容的兩端，因此直流轉直流變換器的變壓器原副邊的耐壓程度只需達到低壓直流匯流排電壓以上即可，從而避免了實現技術較難的問題。
本案適用於所有AC/DC、DC/AC、DC/DC功率變換器連接的拓撲結構，應用廣泛。
1、P1至P8、40、70‧‧‧功率單元
T1、X1‧‧‧第一端
T2、X2‧‧‧第二端
L、L’‧‧‧電感
UA、UB、UC‧‧‧三相線路
R‧‧‧電阻
C、C’‧‧‧電容
G‧‧‧電網
Rload‧‧‧負載
2‧‧‧功率開關器件
S、S1至S4‧‧‧功率半導體開關
D‧‧‧二極體
CB、C1、C2、CB’、CB4‧‧‧直流匯流排電容
3‧‧‧充電部分
4‧‧‧功率部分
5‧‧‧控制部分
50、90‧‧‧主控制器
51、91‧‧‧本地控制器
52、702、721、722、723、724‧‧‧驅動電路
53、93‧‧‧輔助電源
54、94‧‧‧光纖
701、7011’、7012’、7011”、7012”‧‧‧功率變換器
X3‧‧‧第三端
X4‧‧‧第四端
V1至VM‧‧‧直流匯流排電壓
QM1至QM8‧‧‧功率半導體開關
D1、D2、D3、D4‧‧‧鉗位元二極體
C3、C4‧‧‧飛跨電容
T’‧‧‧變壓器
D1’、D2’、D3’、D4’‧‧‧整流二極體
X5‧‧‧第五端
X6‧‧‧第六端
EC‧‧‧外部電源
912‧‧‧高壓控制電路
911‧‧‧低壓控制電路
第1圖是習知技術中一個三相SVG系統的結構示意圖；第2圖是習知技術中一個更具體的三相SVG系統的示意圖；第3圖是習知技術中的一個H橋電路(拓撲)的示意圖；第4圖是習知技術中一個單相SVG的示意圖；第5圖是習知技術中一個HVDC-Light系統的示意圖；第6圖是本案一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第7圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第8圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第9圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第10圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第11圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第12圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第13圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第14圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第15圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第16圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第17圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第18圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第19圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第20圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第21圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第22圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；第23圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖；以及 第24圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。
體現本案特徵與優點的典型實施例將在後段的說明中結合圖式詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。。本案圖式僅為本案的示意圖，並非一定是按比例繪製。圖式中相同的附圖註記表示相同或類似的部分，因而將省略對其重複描述。
第6圖是本案一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第6圖中所示，本案的電力電子變換器被配置為包括：一個主控制器90、N個本地控制器91、N個輔助電源93和N個功率單元70，其中N為大於1的自然數。
主控制器90被配置為輸出主控制信號。主控制信號例如是設置來控制該模組化電源系統的整體運行狀態的一個或多個參數。
每一個本地控制器91被配置為接收前述的主控制信號，以輸出至少一個本地控制信號。本地控制信號例如是設置來控制對應的功率單元70的整體運行狀態的一個或多個參數，或者本地控制信號用以控制對應的功率單元70中部分功率變換器的運行狀態。
N個輔助電源93與N個本地控制器91一一對應，其中每一個輔助電源93被配置為給對應的本地控制器91提供電源。
N個功率單元70與N個本地控制器91一一對應，每一個功率單元70包括第一端X1和第二端X2，每一個功率單元70的第二端X2連接到相鄰的一個功率單元70的第一端X1，也就是說，相鄰兩個功率單元70的其中一個的第二端X2與另一個的第一端X1連接。
每一個功率單元70被配置為包括M個功率變換器701，其中每一個功率變換器701包括第三端X3和第四端X4，每一個功率變換器的第四端X4連接到相鄰的一個功率變換器701的第三端X3。也就是說，相鄰兩個功率變換器701的其中一個的第四端X4與另一個的第三端X3連接。M為大於1的自然數。這樣，第1個功率變換器701的第三端X3即為該功率單元70的第一端X1，第M個功率變換器701的第四端X4為該功率單元70的第二端X2。 每一個功率變換器701被配置為根據對應的本地控制器91輸出的本地控制信號運行。
作為本案的一個實施例，主控制器90與每一個本地控制器91之間可以通過光隔離器件，例如光纖94傳輸前述的主控制信號。在其他實施例中，主控制器90與每一個本地控制器91之間可以通過磁隔離器件，例如，隔離變壓器，進行連接，主控制器90與每一個本地控制器91之間的連接方式不僅限於上述連接方式。
本案的電力電子裝置可以應用於SVG、MVD、HVDC-Light以及風力發電系統等領域。
如第6圖中所示，本案提出將M個功率變換器701合成為一個功率單元70，一個功率單元70配置一套本地控制器91、光纖94及輔助電源93，即一套本地控制器91、光纖94及輔助電源93控制M個功率變換器701。而在傳統的方案中，每個功率單元40即功率變換器均需要配置一套本地控制器51、光纖54及輔助電源53，相比於傳統方案，本案提出的模組化電源系統所需要配置的本地控制器91、光纖94及輔助電源93的數量將降為傳統方案的1/M。本案使得模組化電源系統的結構設計大大簡化，成本也顯著降低，同時可靠性得到極大提高。
本案不限制各個功率變換器701的直流匯流排電壓。本案的模組化電源系統中的M個功率變換器701的直流匯流排電壓可以為全部相同，部分相同，或全部不相同。基於第6圖，第7圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第7圖中所示，功率單元70內M個功率變換器701的直流匯流排電壓可以分別為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。
本案也不限制各個功率變換器701中所用的拓撲結構。本案的模組化電源系統中的M個功率變換器701可以為交流/直流(AC/DC)變換器、直流/交流(DC/AC)變換器和直流/直流(DC/DC)變換器中的任何一種，因此第7圖中用功率變換器701代表所有適用的AC/DC、DC/AC和DC/DC拓撲結構中的任何一種。本案不限制M個功率變換器701中所用的拓撲結構還體現在M個功率變換器的拓撲結構可以為全部相同，或部分相同。例如，本案的模組化電源系統中的每一個功率單元70中的M個功率變換器701的拓撲結 構可以全部為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的一種。或者例如，本案的模組化電源系統中的每一個功率單元70中的M個功率變換器701的拓撲結構可以為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的兩種或兩種以上的組合。
本案的模組化電源系統中的每一個功率單元70中的M個功率變換器701中每一個功率變換器701可以被配置為包括：至少一個功率半導體開關，其中每一個本地控制信號被配置為控制對應的功率半導體開關的導通和斷開。
如第6圖和第7圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的每一個功率單元70可以包括：M個驅動電路702，與M個功率變換器701一一對應，其中每一個驅動電路702被配置為連接於對應的功率變換器701中的功率半導體開關，接收並根據對應的本地控制器91輸出的至少一個本地控制信號，以輸出至少一個驅動信號來驅動對應的M個功率變換器701中的功率半導體開關的導通和斷開。
在其它實施例中，模組化電源系統中的每一個功率單元可以包括：多個驅動電路，多個驅動電路的數量等於這個功率單元中功率半導體開關的數量，每一個驅動電路被配置為連接於對應的功率半導體開關，接收並根據對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開。
第8圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第8圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構均採用全橋變換器，例如H橋電路。每一個H橋電路701包括4個功率半導體開關和直流匯流排電容，4個功率半導體開關構成2個橋臂，為了便於說明，將4個功率半導體開關分別定義為一個橋臂的上功率半導體開關、下功率半導體開關、另一個橋臂的上功率半導體開關和下功率半導體開關，其中一個橋臂的上功率半導體開關的一端連接另一個橋臂的上功率半導體開關的一端和直流匯流排電容的一端，一個橋臂的下功率半導體開關的另一端連接另一個橋臂的下功率半導體開關的另一端和直流匯流排電容的另一端，一個橋臂的上功率半導體開關與下功率半導體開關連接於第三端X3，另一個 橋臂的上功率半導體開關與下功率半導體開關連接於第四端X4。以其中第M個功率變換器70為例，功率變換器701包括兩個橋臂和直流匯流排電容，一個橋臂的上功率半導體開關QM1的一端連接另一個橋臂的上功率半導體開關QM3的一端和直流匯流排電容CB的一端，一個橋臂的下功率半導體開關QM2的另一端連接另一個橋臂的下功率半導體開關QM4的另一端和直流匯流排電容CB的另一端，一個橋臂的上功率半導體開關QM1與下功率半導體開關QM2的連接點為第三端X3，另一個橋臂的上功率半導體開關QM3與下功率半導體開關QM4的連接點為第四端X4。
在本實施例中，每一個功率單元70中的第1個H橋電路701(功率變換器701)的第三端X3為該功率單元70的第一端X1，第1個H橋電路701(功率變換器701)的第四端X4連接第二個H橋電路701的第三端X3，以此類推，第M-1個H橋電路701(功率變換器701)的第四端X4連接第M個H橋電路701(功率變換器701)的第三端X3，第M個H橋電路701(功率變換器701)的第四端X4為該功率單元70的第二端X2。
每一個功率單元70所對應的本地控制器91輸出至少一個本地控制信號用以控制對應的H橋電路701(功率變換器701)中功率半導體開關的導通和斷開。在本實施例中，每一個H橋電路701(功率變換器701)需要4個本地控制信號，分別控制對應的功率半導體開關導通和斷開，每一個功率單元70需要4×M個本地控制信號，即，本地控制器需要輸出4×M個本地控制信號，用以控制對應的功率半導體開關的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM4均需要一個對應的本地控制信號。
如第8圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個H橋電路701一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的4個本地控制信號，並輸出4個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個H橋電路701(功率變換器701)所對應的驅動電路702為例，該驅動電路輸出4個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q14的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於4×M，每一個驅動電路連接於對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半 導體開關的導通和斷開，以第1個H橋電路701(功率變換器701)所對應的4個驅動電路為例，4個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q14並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關QM1-QM4的導通和斷開。
第9圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第9圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構均採用半橋變換器。每一個半橋變換器701包括2個功率半導體開關和直流匯流排電容，其連接關係如第9圖中所示。一個功率半導體的一端連接直流匯流排電容的一端，其另一端連接另一個功率半導體開關的一端，另一個功率半導體開關的另一端連接直流匯流排電容CB的另一端。2個功率半導體開關相互連接的連接點為第三端X3，另一個功率半導體開關的另一端為第四端X4。以第1個功率變換器70為例，功率變換器701包括兩個功率半導體開關Q11、Q12和直流匯流排電容CB。功率半導體開關Q11的一端連接於直流匯流排電容CB的一端，功率半導體開關Q11的另一端連接於功率半導體開關Q12的一端，功率半導體開關Q12的另一端連接於直流匯流排電容CB的另一端，功率半導體開關Q11與功率半導體開關Q12的連接點為第1個功率變換器701的第三端X3，功率半導體開關Q12的另一端為第1個功率變換器701的第四端X4。
在本實施例中，每一個功率單元70中第1個半橋變換器的第三端X3為功率單元70的第一端X1，第1個半橋變換器的第四端X4連接第二個半橋變換器的第三端X3，依次類推，第M-1個半橋變換器的第四端X4連接第M個半橋變換器的第三端X3，第M個半橋變換器的第四端X4為功率單元70的第二端X2。
在本實施例中，每一個功率單元70對應的本地控制器91可以輸出2×M個本地控制信號，用以控制半橋變換器701(功率變換器701)中的功率半導體開關Q11-QM2的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM2均需要一個本地控制信號。
如第9圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個半橋變換器701(功率變換器701)一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的2 個本地控制信號，並輸出2個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個半橋變換器701所對應的驅動電路702為例，該驅動電路輸出2個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q12的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於2×M，每一個驅動電路性連接於對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個半橋變換器701(功率變換器701)所對應的2個驅動電路為例，2個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q12並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關Q11-Q12的導通和斷開。
第10圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第10圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構均採用中性點可控三電平變換器。每一個中性點可控三電平變換器701包括8個功率半導體開關和2個直流匯流排電容，其連接關係如第10圖中所示。以第1個功率變換器701為例加以說明，功率半導體開關Q11的一端連接於直流匯流排電容C1的一端和功率半導體開關Q15的一端，直流匯流排電容C1的另一端連接於直流匯流排電容C2的一端，功率半導體開關Q11的另一端連接於功率半導體開關Q12的一端，功率半導體開關Q11與功率半導體開關Q12的連接點為第1個功率變換器701的第三端X3，功率半導體開關Q12的另一端連接於直流匯流排電容C2的另一端和功率半導體開關Q16的另一端，功率半導體開關Q15的另一端連接於功率半導體開關Q16的一端，功率半導體開關Q15與功率半導體開關Q16的連接點為第1個功率變換器701的第四端X4，功率半導體開關Q13的一端連接於直流匯流排電容C1的另一端，功率半導體開關Q13的另一端連接於功率半導體開關Q14的一端，功率半導體開關Q14的另一端連接於功率半導體開關Q11的另一端，功率半導體開關Q17的一端連接於直流匯流排電容C1的另一端，功率半導體開關Q17的另一端連接於功率半導體開關Q18的一端，功率半導體開關Q18的另一端連接於功率半導體開關Q15的另一端。
在本實施例中，每一個功率單元70中第1個中性點可控三電平變換器的第三端X3為功率單元70的第一端X1，第1個中性點可控三電平變換器的第四端X4連接第二個中性點可控三電平變換器的第三端X3，依次類推， 第M-1個中性點可控三電平變換器的第四端X4連接第M個中性點可控三電平變換器的第三端X3，第M個中性點可控三電平變換器的第四端X4為功率單元70的第二端X2。
在本實施例中，每一個功率單元對應的本地控制器可以輸出8×M個本地控制信號，用以控制中性點可控三電平變換器701中功率半導體開關Q11-QM8的的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM8均需要一個本地控制信號。
如第10圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個中性點可控三電平變換器701一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的8個本地控制信號，並輸出8個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個中性點可控三電平變換器701所對應的驅動電路702為例，該驅動電路輸出8個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q18的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於8×M，每一個驅動電路連接對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個中性點可控三電平變換器701所對應的8個驅動電路為例，8個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q18並每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關Q11-Q18的導通和斷開。
第11圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第11圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構均採用二極體鉗位元三電平變換器。每一個二極體鉗位三電平變換器701包括8個功率半導體開關、4個鉗位元二極體和2個直流匯流排電容，其連接關係如第11圖中所示。以第1個功率變換器701為例，功率半導體開關Q11的一端連接於直流匯流排電容C1的一端和功率半導體開關Q15的一端，功率半導體開關Q11的另一端連接於功率半導體開關Q12的一端和鉗位元二極體D1的陰極，功率半導體開關Q12的另一端連接於功率半導體開關Q13的一端，功率半導體開關Q13的另一端連接於功率半導體開關Q14的一端和鉗位二極體D2的陽極，直流匯流排電容C1的另一端連接於直流匯流排電容 C2的一端，功率半導體開關Q14的另一端連接於直流匯流排電容C2的另一端，鉗位二極體D1的陽極連接於鉗位元二極體D2的陰極和直流匯流排電容C1的另一端，功率半導體開關Q12與功率半導體開關Q13的連接點為第1個功率變換器701的第三端X3，功率半導體開關Q15的另一端連接於功率半導體開關Q16的一端和鉗位元二極體D3的陰極，功率半導體開關Q16的另一端連接於功率半導體開關Q17的一端，功率半導體開關Q17的另一端連接於功率半導體開關Q18的一端和鉗位二極體D4的陽極，功率半導體開關Q18的另一端連接於直流匯流排電容C2的另一端，鉗位二極體D3的陽極連接於鉗位元二極體D4的陰極和直流匯流排電容C1的另一端，功率半導體開關Q16與功率半導體開關Q17的連接點為第1個功率變換器701的第四端X4。
在本實施例中，每一個功率單元70中第1個二極體鉗位三電平變換器的第三端X3為功率單元70的第一端X1，第1個二極體鉗位三電平變換器的第四端X4連接第二個二極體鉗位三電平變換器的第三端X3，依次類推，第M-1個二極體鉗位三電平變換器的第四端X4連接第M個二極體鉗位三電平變換器的第三端X3，第M個二極體鉗位三電平變換器的第四端X4為功率單元70的第二端X2。
在本實施例中，每一個功率單元對應的本地控制器可以輸出8×M個本地控制信號，用以控制中性點可控三電平變換器701中功率半導體開關Q11-QM8的的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM8均需要一個本地控制信號。
如第11圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個二極體鉗位三電平變換器701(功率變換器701)一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的8個本地控制信號，並輸出8個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個二極體鉗位三電平變換器701(功率變換器701)所對應的驅動電路702為例，該驅動電路702輸出8個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q18的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於8×M，每一個驅動電路連接對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導 體開關的導通和斷開，以第1個二極體鉗位三電平變換器701(功率變換器701)所對應的8個驅動電路為例，8個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q18並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關Q11-Q18的導通和斷開。
第12圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第12圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701拓撲結構均採用飛跨電容三電平變換器。每一個飛跨電容三電平變換器701包括8個功率半導體開關、2個直流匯流排電容和2個飛跨電容，其連接關係如第12圖中所示。以第1個功率變換器701為例，功率半導體開關Q11的一端連接於直流匯流排電容C1的一端和功率半導體開關Q15的一端，功率半導體開關Q11的另一端連接於功率半導體開關Q12的一端和飛跨電容C3的一端，功率半導體開關Q12的另一端連接於功率半導體開關Q13的一端，功率半導體開關Q13的另一端連接於功率半導體開關Q14的一端和飛跨電容C3的另一端，直流匯流排電容C1的另一端連接於直流匯流排電容C2的一端，功率半導體開關Q14的另一端連接於直流匯流排電容C2的另一端，功率半導體開關Q12與功率半導體開關Q13的連接點為第1個功率變換器701的第三端X3，功率半導體開關Q15的另一端連接於功率半導體開關Q16的一端和飛跨電容C4的一端，功率半導體開關Q16的另一端連接於功率半導體開關Q17的一端，功率半導體開關Q17的另一端連接於功率半導體開關Q18的一端和飛跨電容C4的另一端，功率半導體開關Q18的另一端連接於直流匯流排電容C2的另一端，功率半導體開關Q16與功率半導體開關Q17的連接點為第1個功率變換器701的第四端X4。
在本實施例中，每一個功率單元70中第1個飛跨電容三電平變換器的第三端X3為功率單元70的第一端X1，第1個飛跨電容三電平變換器的第四端X4連接第二個飛跨電容三電平變換器的第三端X3，依次類推，第M-1個飛跨電容三電平變換器的第四端X4連接第M個飛跨電容三電平變換器的第三端X3，第M個飛跨電容三電平變換器的第四端X4為功率單元70的第二端X2。
在本實施例中，每一個功率單元對應的本地控制器可以輸出8×M個本地控制信號，用以控制飛跨電容三電平變換器701(功率變換器701)中功率半導體開關Q11-QM8的的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM8均需要一個本地控制信號。
如第12圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個飛跨電容三電平變換器701(功率變換器701)一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的8個本地控制信號，並輸出8個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個飛跨電容三電平變換器701(功率變換器701)所對應的驅動電路702為例，該驅動電路702輸出8個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q18的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於8×M，每個驅動電路接收一個對應的本地控制信號並輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個飛跨電容三電平變換器701(功率變換器701)所對應的8個驅動電路為例，8個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q18並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關Q11-Q18的導通和斷開。
第8圖-第12圖的模組化電源系統中的M個功率變換器701可以為交流/直流(AC/DC)變換器或者直流/交流(DC/AC)變換器，但是不以此為限，還可以是其它拓撲結構的變換器。
第13圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第13圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構均採用全橋諧振變換器。每一個全橋諧振變換器701包括全橋電路、諧振電路、變壓器和整流橋，其連接關係如第13圖中所示。以第1個全橋諧振變換器701為例，全橋電路包括4個功率半導體開關和一個直流匯流排電容，功率半導體開關Q11的一端連接於直流匯流排電容CB’的一端和功率半導體開關Q13的一端，功率半導體開關Q11的另一端連接於功率半導體開關Q12的一端，功率半導體開關Q12的另一端連接於直流匯流排電容CB’的另一端和功率半導體開關Q14的另一端，功率半導體開關Q11與功率半導體開關Q12的連接點連接於電容C’和電感L’構成的諧振電路的一端，諧振電路的另一端連接於變壓器T’的原邊線圈的一端，變壓器T’的原邊線圈的另一端連接於功率半導體開關Q13與功率半導體開關Q14的連接點，直流匯流排電容CB’的前述一端為第1個功率變換器的第三端X3，直流匯流排電容CB’的另一端為第1個功率變換器的第四端X4，整流橋包括4個整流二極體，整流二極體D1’ 的一端連接於整流二極體D3’一端，整流二極體D1’的另一端連接於整流二極體D2’一端，整流二極體D3’的另一端連接於整流二極體D4’一端，整流二極體D2’的另一端連接於整流二極體D4’另一端，整流二極體D1’的前述一端為變換器的第五端X5，整流二極體D2’的另一端為變換器的第六端X6，變壓器T’的輸出端分別連接於整流二極體D1’與整流二極體D2’的連接點以及整流二極體D3’與整流二極體D4’的連接點，其中變壓器T’可以是中心抽頭變壓器，具有兩個副邊線圈，兩個副邊線圈並聯連接，變壓器T’也可以具有單個副邊線圈。
在本實施例中，每一個功率單元70中第1個全橋諧振變換器的第三端X3為功率單元70的第一端X1，第1個全橋諧振變換器的第四端X4連接第二個全橋諧振變換器的第三端X3，依次類推，第M-1個全橋諧振變換器的第四端X4連接第M個全橋諧振變換器的第三端X3，第M個全橋諧振變換器的第四端X4為功率單元70的第二端X2。每一個功率單元70中所有的全橋諧振變換器器的第五端X5連在一起，而第六端X6連在一起。
在本實施例中，每一個功率單元對應的本地控制器可以輸出4×M個本地控制信號，用以控制全橋諧振變換器701(功率變換器701)中功率半導體開關Q11-QM4的的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM4均需要一個本地控制信號。
如第13圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個全橋諧振變換器701(功率變換器701)一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的4個本地控制信號，並輸出4個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個全橋諧振變換器701(功率變換器701)所對應的驅動電路702為例，該驅動電路702輸出4個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q14的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於4×M，每一個驅動電路連接對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個全橋諧振變換器701(功率變換器701)所對應的4個驅動電路為例，4個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q14並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關Q11-Q14的導通 和斷開。
第14圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第14圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構均採用半橋諧振變換器。每一個半橋諧振變換器701包括半橋電路、諧振電路、變壓器和整流橋，其連接關係如第14圖中所示。以第1個半橋諧振變換器701為例，半橋電路包括2個功率半導體開關和一個直流匯流排電容，功率半導體開關Q11的一端連接於直流匯流排電容CB’的一端，功率半導體開關Q11的另一端連接於功率半導體開關Q12的一端，功率半導體開關Q12的另一端連接於直流匯流排電容CB’的另一端，功率半導體開關Q11與功率半導體開關Q12的連接點連接於電容C’和電感L’構成的諧振電路的一端，諧振電路的另一端連接於變壓器T’的原邊線圈的一端，變壓器T’的原邊線圈的另一端連接於功率半導體開關Q12的另一端，直流匯流排電容CB’的一端為第1個功率變換器的第三端X3，直流匯流排電容CB’的另一端為第1個功率變換器的第四端X4，整流橋包括4個整流二極體，整流二極體D1’的一端連接於整流二極體D3’一端，整流二極體D1’的另一端連接於整流二極體D2’一端，整流二極體D3’的另一端連接於整流二極體D4’一端，整流二極體D2’的另一端連接於整流二極體D4’另一端，整流二極體D1’的一端為變換器的第五端X5，整流二極體D2’的另一端為變換器的第六端X6，變壓器T’的輸出端分別連接於整流二極體D1’與整流二極體D2’的連接點以及整流二極體D3’與整流二極體D4’的連接點，其中變壓器T’可以是中心抽頭變壓器，具有兩個副邊線圈，兩個副邊線圈並聯連接，變壓器T’也可以具有單個副邊線圈。
在本實施例中，每一個功率單元70中第1個半橋諧振變換器的第三端X3為功率單元70的第一端X1，第1個半橋諧振變換器的第四端X4連接第二個半橋諧振變換器的第三端X3，依次類推，第M-1個半橋諧振變換器的第四端X4連接第M個半橋諧振變換器的第三端X3，第M個半橋諧振變換器的第四端X4為功率單元70的第二端X2。每一個功率單元70中所有的半橋諧振變換器器的第五端X5連在一起，而第六端X6連在一起。
在本實施例中，每一個功率單元對應的本地控制器可以輸出2×M個本地控制信號，用以控制半橋諧振變換器701中功率半導體開關Q11-QM2的的導通和斷開，即，功率半導體開關Q11-QM2均需要一個本地控制信號。
如第14圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702， 驅動電路702與M個半橋諧振變換器701(功率變換器701)一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，每一個驅動電路702接收對應的2個本地控制信號，並輸出2個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個半橋諧振變換器701(功率變換器701)所對應的驅動電路702為例，該驅動電路702輸出2個驅動信號分別驅動功率半導體開關Q11-Q12的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，驅動電路的數量等於2×M，每一個驅動電路連接對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號並輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以第1個半橋諧振變換器701(功率變換器701)所對應的2個驅動電路為例，2個驅動電路分別連接功率半導體開關Q11-Q12並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關Q11-Q12的導通和斷開。
第13圖和第14圖的模組化電源系統中的M個功率變換器701可以為直流/直流(DC/DC)變換器，但是不以此為限，還可以是其它拓撲結構的變換器。
第15圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第15圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構同時採用全橋變換器和半橋變換器的組合。每一個全橋變換器的功率轉換器7011’包括4個功率半導體開關，每一個半橋變換器7012’包括2個功率半導體開關，其連接關係如第15圖中所示。在本實施例中，全橋變換器的具體連接關係如第8圖所述，半橋變換器的具體連接關係如第9圖所示，在此不再贅述。類似的，相鄰兩個功率變換器701的其中一個的第四端X4與另一個的第三端X3連接，其中M為大於1的自然數。這樣，第1個功率變換器701的第三端X3即為該功率單元70的第一端X1，第1個功率變換器701的第四端X4連接第2個功率變換器701的第三端X3，依次類推，第M-1個功率變換器701的第四端X4連接第M個功率變換器701的第三端X3，第M個功率變換器701的第四端X4為該功率單元70的第二端X2。
本實施例中，每一個功率單元70對應的本地控制器所輸出的本地控制信號的數量等於功率單元70中功率半導體開關的數量，這些本地控制 信號分別控制全橋變換器和半橋變換器701中的功率半導體開關的導通和斷開，即，每一個功率半導體開關均需要一個本地控制信號。
如第15圖所示，每一個功率單元70還包括M個驅動電路702，驅動電路702與M個功率變換器7011’和7012’一一對應，每一個驅動電路702接收對應的本地控制信號，並輸出至少一驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，具體而言，功率變換器7011’對應的驅動電路702接收對應的4個本地控制信號，並輸出4個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，功率變換器7012’對應的驅動電路702接收對應的2個本地控制信號，並輸出2個驅動信號來分別驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開。
在其它實施例中，每一個功率單元70還包括多個驅動電路，功率單元中驅動電路的數量等於其對應的功率單元中功率半導體開關的數量，每一個驅動電路連接對應的一個功率半導體開關，並且接收一個對應的本地控制信號以輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以功率變換器7011’所對應的4個驅動電路為例，4個驅動電路分別連接對應的功率半導體開關並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開，以及以功率變換器7012’所對應的2個驅動電路為例，2個驅動電路分別連接對應的功率半導體開關並且每一個驅動電路輸出一個驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開。
儘管第15圖僅僅示出了本實施例的模組化電源系統中每一個功率單元70的M個功率變換器701的拓撲結構同時採用全橋變換器和半橋變換器的組合。然而本案不限於此，如前所述，本案的模組化電源系統中的每一個功率單元70中的M個功率變換器701的拓撲結構可以為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的兩種或兩種以上的組合。
本案的模組化電源系統中的每一個功率單元70中的M個功率變換器701中每一個功率變換器701可以被配置為包括：至少一個功率半導體開關，例如前述的功率半導體開關Q11-Q14、Q11-Q12、Q11-Q18、QM1-QM4、QM1-QM2或QM1-QM8，其中每一個前述的本地控制信號被配置為控制對應的功率半導體開關的導通和斷開。
如上述如第6圖-第15圖中所示，本實施例的模組化電源系統 中的每一個功率單元70可以包括：M個驅動電路702，與M個功率變換器701(或7011’或7012’)一一對應，其中每一個驅動電路702被配置為連接於對應的功率變換器701(或7011’或7012’)中的功率半導體開關，接收對應的本地控制器91輸出的本地控制信號，以輸出至少一個驅動信號來驅動對應的M個功率變換器701(或7011’或7012’)中的功率半導體開關的導通和斷開。
如第6圖-第15圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的每一個功率單元70可以包括：多個驅動電路702，功率單元中驅動電路的數量等於該功率單元中功率半導體開關的數量，其中每一個驅動電路702被配置為連接於對應的功率變換器701的功率半導體開關，接收對應的本地控制器91輸出的本地控制信號，以輸出驅動信號來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開。
需要說明的是，第6圖-第15圖中一個功率單元包括的驅動電路的數量等於該功率單元中功率半導體開關的數量，每一個驅動電路被配置為連接於功率變換器的功率半導體開關中對應的一個，每一個驅動電路均接收對應的本地控制器91輸出的本地控制信號，以輸出一個驅動信號，來驅動對應的功率半導體開關的導通和斷開。
本案的模組化電源系統中的每一個驅動電路702與對應的本地控制器91可以直接電連接，或者通過磁隔離器件連接，或者通過光隔離器件連接。
本案的模組化電源系統中的各驅動電路702可以為彼此相同或彼此不相同。
如第6圖-第14圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的各驅動電路702為彼此相同。
第16圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第16圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的一個功率單元中包括5個H橋電路的功率變換器701。其中4個功率變換器701的驅動電路721不同於中間的功率變換器701的驅動電路722。
第17圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第17圖中所示，本實施例的模組化電源系統中每一個輔助電源93可以被配置為從外部電源取電，例如從市電取電或者從其它電路取電，每一個輔助電源93連接外部電源EC。
第18圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第18圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的前述N個輔助電源93與前述N個功率單元70一一對應，每一個輔助電源93可以被配置為從對應的功率單元70取電。
第19圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第19圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的前述N個輔助電源93與前述N個功率單元70一一對應，本實施例的模組化電源系統中一部分輔助電源93可以被配置為從外部電源取電，例如從市電取電或者從其它電路取電，這一部分輔助電源93連接外部電源EC；本實施例的模組化電源系統中另一部分輔助電源93，例如第19圖中中部那個，可以被配置為從對應的功率單元70取電。
第20圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第20圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的每一個輔助電源93可以被配置為從對應的功率單元70中的任一個功率變換器701的直流匯流排電容CB取電，以獲取直流匯流排電容CB上的直流匯流排電壓。
第21圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第21圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的每一個輔助電源93可以被配置為從對應的功率單元70中的任意一個功率變換器701的多個直流匯流排電容CB取電，以獲取直流匯流排電容CB上的直流匯流排電壓。例如第21圖中中部那個輔助電源93可以從兩個功率變換器701的直流匯流排電容CB取電。當其中一個功率變換器701發生故障時，輔助電源93仍然可以從另一個正常的功率變換器701的直流匯流排電容CB上取電，實現冗餘取電，提高了模組化電源系統的可靠性。
對應的，作為一個實施例，如第20圖和第21圖所示，本實施例的模組化電源系統中的輔助電源93可以是DC/DC變換器，例如，buck電路，boost電路，flyback電路，LLC電路等。DC/DC變換器的輸入端連接於任何一個或多個功率變換器701的直流匯流排電容CB的兩端，該DC/DC變換器從該功率變換器701的直流匯流排電容CB上取電，以獲取直流匯流排電容CB上的直流匯流排電壓。DC/DC變換器的輸出端連接本地控制器91，將直流匯流排電壓轉換為給本地控制器91供電的電壓，例如直流電(24V)。
第22圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第22圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的功率單元70中的前述M個功率 變換器中至少一個為高壓功率變換器7012”，至少一個為低壓功率變換器7011”，高壓功率變換器7012”的工作電壓高於低壓功率變換器7011”的工作電壓，每一個高壓功率變換器7012”包括至少一個高壓功率半導體開關，每一個低壓功率變換器7011”包括至少一個低壓功率半導體開關，高壓功率半導體開關的工作電壓高於低壓功率半導體開關的工作電壓。在本實施例中，高壓功率變換器7012”的拓撲結構可以是第8圖-第14圖的其中一種，低壓功率變換器7011”的拓撲結構可以是第8圖-第14圖的其中一種，高壓功率變換器7012”的拓撲結構與低壓功率變換器7011”的拓撲結構可以相同，或者高壓功率變換器7012”的拓撲結構與低壓功率變換器7011”的拓撲結構可以不相同。
對應地，作為一個實施例，如第22圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的每一個功率單元70還包括至少一個高壓驅動電路724和至少一個低壓驅動電路723，高壓驅動電路724的數量等於前述高壓功率變換器7012”的數量，每一個高壓驅動電路724連接於對應的高壓功率半導體開關，例如每一個高壓驅動電路724與功率半導體開關的控制端連接，低壓驅動電路723的數量等於前述低壓功率變換器7011”的數量，每一個低壓驅動電路723連接於對應的低壓功率半導體開關，例如每一個低壓驅動電路723與功率半導體開關的控制端連接，每一個高壓驅動電路724被配置為接收對應的本地控制信號，以輸出至少一個驅動信號來分別驅動對應的高壓功率半導體開關的導通和斷開，以調節高壓功率變換器7012”的第三端X3和第四端X4之間的電壓，例如，高壓功率變換器7012”的第三端X3和第四端X4之間的電壓為6KV，每一個低壓驅動電路723被配置為接收對應的本地控制信號，以輸出至少一個驅動信號來分別驅動對應的低壓功率半導體開關的導通和斷開，以調節低壓功率變換器7011”的第三端X3和第四端X4之間的電壓，例如，低壓功率變換器7011”的第三端X3和第四端X4之間的電壓為1KV。
作為另一個實施例，實施例的模組化電源系統中的每一個所述功率單元70還包括至少一個高壓驅動電路724和至少一個低壓驅動電路723，所述至少一個高壓驅動電路724的數量等於所述至少一個高壓功率半導體開關的數量，每一個所述高壓驅動電路724連接於對應的所述高壓功率半導體開關，每一個所述高壓驅動電路724被配置為接收對應的所述本地控制信號以輸出驅動信號來驅動對應的所述高壓功率半導體開關的導通和斷開；所述至少一個低壓驅動電路723的數量等於所述至少一個低壓功率半導體開關的數量，每 一個所述低壓驅動電路723連接於對應的低壓功率半導體開關，每一個所述低壓驅動電路723被配置為接收對應的所述本地控制信號以輸出驅動信號來驅動對應的所述低壓功率半導體開關的導通和斷開。
對應地，作為一個實施例，如第22圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的輔助電源93可以是DC/DC變換器，例如，buck電路，boost電路，flyback電路，LLC電路等。DC/DC變換器的輸入端連接於任何一個低壓功率變換器7011”的直流匯流排電容CB4的兩端，其中，直流匯流排電容CB4可以是第8圖和第9圖以及第13圖和第14圖中的直流匯流排電容CB(CB’)，或者是第10圖-第12圖中的直流匯流排電容C1和C2。DC/DC變換器的輸入端連接於直流匯流排電容CB(CB’)的兩端，或者DC/DC變換器的輸入端連接於直流匯流排電容C1的一端以及直流匯流排電容C2的另一端，該DC/DC變換器從該低壓功率變換器7011”的直流匯流排電容CB4上取電，以獲取直流匯流排電容CB4上的直流匯流排電壓。DC/DC變換器的輸出端連接本地控制器91，將直流匯流排電壓轉換為給本地控制器91供電的電壓，例如直流電(24V)。
第23圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第23圖中所示，作為輔助電源93的DC/DC變換器除了給本地控制器91供電的電壓之外，還可以連接於每一個高壓驅動電路724和每一個低壓驅動電路723，並將直流匯流排電壓轉化為給高壓驅動電路724以或低壓驅動電路723供電的電壓，例如直流電(24V)。
在第22圖和第23圖所示的實施例中，一個功率單元70中高壓功率變換器7012”與低壓功率變換器7011”的連接是可以是相互交錯的，例如，按照高壓功率變換器、低壓功率變換器、高壓功率變換器、低壓功率變換器依次類推的順序連接；或者是按照高壓功率變換器、低壓功率變換器、低壓功率變換器、高壓功率變換器依次類推的順序連接；或者是按照高壓功率變換器、高壓功率變換器、低壓功率變換器、高壓功率變換器、低壓功率變換器的順序連接；也可以是多個低壓功率變換器連接後再與高壓功率變換器連接；或者多個高壓功率變換器連接之後再與低壓功率變換器連接。本案實施例對至少一個高壓功率變換器和至少一個低壓功率變換器之間的連接方式不做限制。
本案實施例中，每一個功率單元70中採用高壓功率變換器和低壓功率變換器連接的方案解決了僅僅採用低壓功率變換器連接時，控制量繁多， 所需硬體資源較多，成本較高，同時低壓功率變換器數量較多，導致功率密度較低的問題；並且DC/DC變換器的輸入端連接在低壓功率變換器的直流匯流排電容兩端，可以使得DC/DC變換器中的變壓器原副邊線圈的耐壓程度只需要達到低壓功率變換器的直流匯流排電壓以上即可，從而避免了實現技術較難的問題。
第24圖是本案另一個實施例的模組化電源系統的方框圖。如第24圖中所示，本實施例的模組化電源系統中的每一個所述本地控制器可以包括：至少一個高壓控制電路912，被配置為輸出本地控制信號至對應的高壓驅動電路724；以及至少一個低壓控制電路911，被配置為輸出本地控制信號至對應的所述低壓驅動電路723。高壓控制電路912可以是一個或者多個，當高壓控制電路912為多個時，可以是每個高壓控制電路912與每個高壓功率變換器7012”的高壓驅動電路724連接，用以輸出至少一個高壓控制信號至高壓驅動電路724；也可以是一個高壓控制電路912與多個高壓功率變換器7012”的高壓驅動電路724連接，用以輸出至少一個高壓控制信號至對應的高壓驅動電路724。當高壓控制電路912為一個時，高壓控制電路912與每一個高壓功率變換器7012”的高壓驅動電路724連接，用以輸出至少一個高壓控制信號至對應的高壓驅動電路724。低壓控制電路911可以是一個或者多個，當低壓控制電路911為多個時，可以是每一個低壓控制電路911與每一個低壓功率變換器7011”的低壓驅動電路723連接，用以輸出至少一個低壓控制信號至對應的低壓驅動電路；也可以是一個低壓控制電路911與多個低壓功率變換器7011”的低壓驅動電路723連接，用以輸出至少一個低壓控制信號至對應的低壓驅動電路723。當低壓控制電路911為一個時，低壓控制電路911與每一個低壓功率變換器模組7011”的低壓驅動電路911連接，用以輸出至少一個低壓控制信號至對應的低壓驅動電路723。高壓控制電路912與高壓功率變換器7012”一一對應，低壓控制電路911與低壓功率變換器7011”一一對應，當然，如第24圖所示，也可以是一個高壓控制電路912對應兩個高壓功率變換器7012”，一個低壓控制電路911對應兩個低壓功率變換器7011”等，本案實施例對此不做限制。
本案實施例中，通過至少一高壓控制電路912和至少一個低壓控制電路911，可以獨立的控制至少一高壓功率變換器7012”和至少一低壓功率變換器7011”，從而降低控制時延。
相應地，可結合第22圖和第24圖，每一個輔助電源93可以被配置從對應的低壓功率變換器7011”的直流匯流排電容CB4取電，以獲取直流匯流排電容CB4上的直流匯流排電壓。由於從低壓功率變換器7011”的直流匯流排電容CB4取電，從而降低了輔助電源93的取電難度。輔助電源93可以是DC/DC變換器。DC/DC變換器的輸入端連接於任何一個低壓功率變換器7011”的直流匯流排電容CB4的兩端，從直流匯流排電容CB4上獲取直流匯流排電壓，DC/DC變換器的輸出端可以連接於高壓控制電路912、低壓控制電路911、高壓驅動電路724和低壓驅動電路723，並將直流匯流排電壓轉化為給本地控制器91(或高壓控制電路912和低壓控制電路911)、高壓驅動電路724或低壓驅動電路723供電的電壓，例如直流電(24V)。
相應的第22圖至第24圖中功率變換器701(7011”和7012”)的拓撲結構可以是第8圖至第14圖中的任意一種，但並不以此為限，也不排除其他的拓撲結構。
本案通過將多個功率變換器組成一個功率單元，利用一套本地控制器、光纖、輔助電源控制多個功率變換器的方法，可大大減少本地控制器、光纖、輔助電源的數量，簡化結構設計，降低成本，提高可靠性。
本案解決了當採用級聯低壓功率單元模組的方式時，控制量繁多，所需硬體資源較多，成本較高，同時低壓功率單元模組數量較多，導致功率密度較低的問題；並且由於至少一直流轉直流變換器的輸入端連接於低壓匯流排電容的兩端，因此直流轉直流變換器的變壓器原副邊的耐壓程度只需達到低壓直流匯流排電壓以上即可，從而避免了實現技術較難的問題。
本案適用於所有AC/DC、DC/AC、DC/DC功率變換器連接的拓撲結構，應用廣泛。
以上具體地示出和描述了本案的示例性實施例。應可理解的是，本案不限於這裡描述的詳細結構、設置方式或實現方法；相反，本案意圖涵蓋包含在所附申請專利範圍的精神和範圍內的各種修改和等效設置。最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本案的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本案進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本案各實施例技術方案的範圍。

Claims (14)

  1. 一種模組化電源系統，被配置為包括：一個主控制器，被配置為輸出一主控制信號；N個本地控制器，其中每一個該本地控制器被配置為接收該主控制信號，以輸出至少一個本地控制信號；N個輔助電源，與該N個本地控制器一一對應，其中每一個該輔助電源被配置為給對應的該本地控制器提供電源；以及N個功率單元，與該N個本地控制器一一對應，其中每一個該功率單元包括一第一端和一第二端，每一個該功率單元的該第二端連接到相鄰的一個該功率單元的該第一端，每一個該功率單元被配置為包括M個功率變換器，其中每一個該功率變換器包括一第三端和一第四端，每一個該功率變換器的該第四端連接到相鄰的一個該功率變換器的該第三端，且第一個該功率變換器的該第三端為該功率單元的該第一端，第M個該功率變換器的該第四端為該功率單元的該第二端，每一個該功率變換器被配置為根據對應的該本地控制器輸出的該本地控制信號運行；其中N和M均為大於1的自然數；其中該N個輔助電源與該N個功率單元一一對應，每一個該輔助電源被配置為從對應的該功率單元取電，每一個該輔助電源被配置為從對應的該功率單元中的任一個或多個該功率變換器的一直流匯流排電容取電，以獲取該直流匯流排電容上的一直流匯流排電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的模組化電源系統，其中該輔助電源從一外部電源取電。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的模組化電源系統，其中該功率單元中的該M個功率變換器中至少一個為一高壓功率變換器，至少一個為一低壓功率變換器，該高壓功率變換器的工作電壓高於該低壓功率變換器的工作電壓，每一個該高壓功率變換器包括至少一個高壓功率半導體開關，每一個該低壓功率變換器包括至少一個低壓功率半導體開關，該高壓功率半導體開關的工作電壓高於該低壓功率半導體開關的工作電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的模組化電源系統，其中每一個該功率單元還包括至少一個高壓驅動電路和至少一個低壓驅動電路，該至少一個高壓驅動電路的數量與該至少一個高壓功率變換器一一對應，每一個該高壓驅動電路連接於對應的該高壓功率半導體開關，每一個該高壓驅動電路被配置為接收對應的該本地控制信號以輸出至少一個驅動信號來分別驅動對應的該高壓功率半導體開關；該至少一個低壓驅動電路與該至少一個低壓功率變換器一一對應，每一個該低壓驅動電路連接於對應的低壓功率半導體開關，每一個該低壓驅動電路被配置為接收對應的該本地控制信號以輸出至少一個驅動信號來分別驅動對應的該低壓功率半導體開關。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的模組化電源系統，其中每一個該功率單元還包括至少一個高壓驅動電路和至少一個低壓驅動電路，該至少一個高壓驅動電路的數量等於該至少一個高壓功率半導體開關的數量，每一個該高壓驅動電路連接於對應的該高壓功率半導體開關，每一個該高壓驅動電路被配置為接收對應的該本地控制信號以輸出一驅動信號來驅動對應的該高壓功率半導體開關；該至少一個低壓驅動電路的數量等於該至少一個低壓功率半導體開關的數量，每一個該低壓驅動電路連接於對應的低壓功率半導體開關，每一個該低壓驅動電路被配置為接收對應的該本地控制信號以輸出一驅動信號來驅動對應的該低壓功率半導體開關。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的模組化電源系統，其中每一個對應的該本地控制器包括：一高壓控制電路，被配置為輸出所述本地控制信號至對應的該高壓驅動電路；以及一低壓控制電路，被配置為輸出該本地控制信號至對應的該低壓驅動電路。
  7. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的模組化電源系統，其中每一個該輔助電源被配置從對應的該功率單元中的一個或多個該低壓功率變換器的一直流匯流排電容取電，以獲取該直流匯流排電容上的一直流匯流排電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的模組化電源系統，其中每一個該輔助電源為一直流/直流變換器，該直流/直流變換器接收該直流匯流排電容上的該直流匯流排電壓，並將該直流匯流排電壓轉換為給對應的該本地控制器供電的電壓。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的模組化電源系統，其中每一個該輔助電源為一直流/直流變換器，該直流/直流變換器接收該直流匯流排電容上的該直流匯流排電壓，並將該直流匯流排電壓轉換為給對應的該本地控制器供電的電壓，或者該直流/直流變換器接收該直流匯流排電容上的該直流匯流排電壓，並將該直流匯流排電壓轉換為給對應的該本地控制器、該高壓驅動電路以及該低壓驅動電路供電的電壓。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的模組化電源系統，其中該功率變換器為交流/直流變換器、直流/交流變換器和直流/直流變換器中的任何一種。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的模組化電源系統，其中該M個功率變換器的直流匯流排電壓為全部相同，部分相同，或全部不相同。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的模組化電源系統，其中該M個功率變換器的拓撲結構為全部相同，或部分相同。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的模組化電源系統，其中每一個該功率單元中的該M個功率變換器的拓撲結構全部為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的一種。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的模組化電源系統，其中每一個該功率單元中的該M個功率變換器的拓撲結構為全橋變換器、半橋變換器、中性點可控三電平變換器、二極體鉗位三電平變換器、飛跨電容三電平變換器、全橋諧振變換器和半橋諧振變換器中的兩種或兩種以上的組合。
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