WO2018108143A1

WO2018108143A1 - 模块化电源系统

Info

Publication number: WO2018108143A1
Application number: PCT/CN2017/116354
Authority: WO
Inventors: 应建平; 王明; 黄宵驳; 刘军; 胡志明
Original assignee: 台达电子企业管理（上海）有限公司
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2018-06-21

Abstract

一种模块化电源系统包括：一个主控制器（90），被配置为输出主控制信号；N个本地控制器（91），其中每一个本地控制器被配置为接收主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元（70），与N个本地控制器一一对应，其中每一个功率单元包括第一端（X₁）和第二端（X₂），每一个功率单元的第二端连接到相邻的一个功率单元的第一端，每一个功率单元被配置为包括M个功率变换器（701），其中每一个功率变换器包括第三端（X₃）和第四端（X₄），每一个功率变换器的第四端连接到相邻的一个功率变换器的第三端，每一个功率变换器被配置为根据对应的本地控制器输出的本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数。

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(Static Var 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T ₁和第二端T ₂，相邻两个功率单元的其中一个的第二端T ₂与另一个的第一端T ₁连接。每一相电路的第1个功率单元的第一端T ₁经滤波器L分别连接到三相电网的U _A、U _B和U _C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P ₁至P ₈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P ₁的第二端与功率单元P ₂的第一端连接，功率单元P ₂的第二端与功率单元P ₃的第一端连接，依次类推，功率单元P ₇的第二端与功率单元P ₈的第一端连接。三相电路中三个功率单元P ₁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U _A、U _B和U _C相，其中三相电网G的U _A、U _B和U _C相连接负载R _load。三相电路中三个功率单元P ₈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S ₁至S ₄和直流母线电容C _B。功率半导体开关S ₁的第一端连接于直流母线电容C _B的正极端和功率半导体开关S ₃的第一端。功率半导体开关S ₁的第二端连接于功率半导体开关S ₄的第一端。功率半导体开关S ₄的第二端连接于直流母线电容C _B的负极端和功率半导体开关S ₂的第二端。功率半导体开关S ₃的第二端连接功率半导体开关S ₂的第一端。功率半导体开关S ₁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T ₁，功率半导体开关S ₃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T ₂。

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C _B，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C _B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的功率单元级联方案，或是采用高压IGBT的功率单元级联方案，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，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，针对功率变换器和功率单元的故障的措施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。

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，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变换器被配置为包括：至少一个功率半导体开关，其中每一个所述本地控制信号被配置为控制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所述至少一个功率半导体开关的数量，每一个所述驱动电路被配置为电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，其中每一个所述驱动电路与对应的所述本地控制器直接电连接，或者通过磁隔离器件连接，或者通过光隔离器件连接。

在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述本地控制器与所述主控制器通过磁隔离器件连接，或者通过光隔离器件连接。

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；或者每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，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以及功率脉冲；或者每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，一部分所述驱动电路的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，另一部分所述驱动电路的所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的所述驱动逻辑脉冲以及功率脉冲。

在本发明的一些示例性实施例中，其中所述至少一个本地控制信号的数量与所述功率变换器中的所述至少一个功率半导体开关的数量相同，且每一个所述本地控制信号被配置为控制对应的所述功率半导体开关导通和断开。

在本发明的一些示例性实施例中，其中每一个所述功率变换器的所述第三端和所述第四端之间并联有开关，当所述功率变换器正常工作时，所述开关断开，当所述功率变换器发生故障时，所述开关导通。

在本发明的一些示例性实施例中，其中所述开关是半控型器件、全控型器件或机械开关。

在本发明的一些示例性实施例中，当任一所述功率变换器发生故障时，所述本地控制器会接收到反映对应的所述功率变换器故障类型的故障信号，并输出至少一个保护信号。

在本发明的一些示例性实施例中，其中所述本地控制器输出所述保护信号以控制对应的所述功率变换器的开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制对应的所述功率变换器运行的所述本地控制信号。

在本发明的一些示例性实施例中，其中所述至少一个保护信号的数量为M，所述本地控制器输出每一个所述保护信号以控制对应的所述功率变换器的所述开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制所述M个功率变换器运行的所述至少一个本地控制信号。

在本发明的一些示例性实施例中，其中所述至少一个保护信号的数量为1，所述本地控制器输出所述保护信号以控制所述M个功率变换器的所述开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制所述M个功率变换器运行的所述至少一个本地控制信号。

在本发明的一些示例性实施例中，其中所述功率单元的所述第一端和所述第二端之间并联有开关，当所述功率单元正常工作时，所述开关断开，当所述功率单元发生故障时，所述开关导通。

在本发明的一些示例性实施例中，其中，当任一所述功率变换器发生故障时，所述本地控制器会接收到反映对应的所述功率变换器故障类型的故障信号，并输出一保护信号以控制所述开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制所述M个功率变换器运行的所述至少一个本地控制信号。

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、光纤控制多个功率变换器的方法，可大大减少本地控制器、光纤的数量，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功率变换器在发生故障时被旁路，同时停止输出控制功率变换器运行的本地控制信号，提高模块化电源系统的安全性和可靠性。

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；以及

图26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。

本发明的电力电子变换器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X ₁和第二端X ₂，每一个功率单元70的第二端X ₂连接到相邻的一个功率单元70的第一端X ₁，也就是说，相邻两个功率单元70的其中一个的第二端X ₂与另一个的第一端X ₁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X ₃和第四端X ₄，每一个功率变换器的第四端X ₄连接到相邻的一个功率变换器701的第三端X ₃。也就是说，相邻两个功率变换器701的其中一个的第四端X ₄与另一个的第三端X ₃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X ₃即为该功率单元70的第一端X ₁，第M个功率变换器701的第四端X ₄为该功率单元70的第二端X ₂。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V ₁、V ₂…和V _M，其中V ₁、V ₂...和V _M可以全部相同，即V ₁＝V ₂＝...＝V _M，也可以部分相同V ₁＝V ₂，V ₁≠V _M，或者全部不相同，即V ₁≠V ₂≠...≠V _M。

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。

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中每一个功率变换器701可以被配置为包括：至少一个功率半导体开关，其中每一个本地控制信号被配置为控制对应的功率半导体开关的导通和断开。

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X ₃，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X ₄。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Q _M1的一端连接另一个桥臂的上功率半导体开关Q _M3的一端和直流母线电容C _B的一端，一个桥臂的下功率半导体开关Q _M2的另一端连接另一个桥臂的下功率半导体开关Q _M4的另一端和直流母线电容C _B的另一端，一个桥臂的上功率半导体开关Q _M1与下功率半导体开关Q _M2的连接点为第三端X ₃，另一个桥臂的上功率半导体开关Q _M3与下功率半导体开关Q _M4的连接点为第四端X ₄。

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X ₃为该功率单元70的第一端X ₁，第1个H桥电路701的第四端X ₄连接第二个H桥电路701的第三端X ₃，以此类推，第M-1个H桥电路701的第四端X ₄连接第M个H桥电路701的第三端X ₃，第M个功率变换器的第四端X ₄为该功率单元70的第二端X ₂。

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Q ₁₁-Q _M4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Q ₁₁-Q ₁₄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Q ₁₁-Q ₁₄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Q _M1-Q _M4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C _B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X ₃，另一个功率半导体开关的另一端为第四端X ₄。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Q ₁₁、Q ₁₂和直流母线电容C _B。功率半导体开关Q ₁₁的一端连接于直流母线电容C _B的一端，功率半导体开关Q ₁₁的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₂的一端，功率半导体开关Q ₁₂的另一端连接于直流母线电容C _B的另一端，功率半导体开关Q ₁₁与功率半导体开关Q ₁₂的连接点为第1个功率变换器701的第三端X ₃，功率半导体开关Q ₁₂的另一端为第1个功率变换器701的第四端X ₄。

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X ₃为功率单元70的第一端X ₁，第1个半桥变换器的第四端X ₄连接第二个半桥变换器的第三端X ₃，依次类推，第M-1个半桥变换器的第四端X ₄连接第M个半桥变换器的第三端X ₃，第M个半桥变换器的第四端X ₄为功率单元70的第二端X ₂。

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Q ₁₁-Q _M2的导通和断开，即，功率半导体开关Q ₁₁-Q _M2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Q ₁₁-Q ₁₂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Q ₁₁-Q ₁₂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Q ₁₁-Q ₁₂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Q ₁₁的一端连接于直流母线电容C ₁的一端和功率半导体开关Q ₁₅的一端，直流母线电容C ₁的另一端连接于直流母线电容C ₂的一端，功率半导体开关Q ₁₁的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₂的一端，功率半导体开关Q ₁₁与功率半导体开关Q ₁₂的连接点为第1个功率变换器701的第三端X ₃，功率半导体开关Q ₁₂的另一端连接于直流母线电容C ₂的另一端和功率半导体开关Q ₁₆的另一端，功率半导体开关Q ₁₅的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₆的一端，功率半导体开关Q ₁₅与功率半导体开关Q ₁₆的连接点为第1个功率变换器701的第四端X ₄，功率半导体开关Q ₁₃的一端连接于直流母线电容C ₁的另一端，功率半导体开关Q ₁₃的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₄的一端，功率半导体开关Q ₁₄的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₁的另一端，功率半导体开关Q ₁₇的一端连接于直流母线电容C ₁的另一端，功率半导体开关Q ₁₇的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₈的一端，功率半导体开关Q ₁₈的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₅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X ₃为功率单元70的第一端X ₁，第1个中性点可控三电平变换器的第四端X ₄连接第二个中性点可控三电平变换器的第三端X ₃，依次类推，第M-1个中性点可控三电平变换器的第四端X ₄连接第M个中性点可控三电平变换器的第三端X ₃，第M个中性点可控三电平变换器的第四端X ₄为功率单元70的第二端X ₂。

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Q ₁₁-Q _M8的的导通和断开，即，功率半导体开关Q ₁₁-Q _M8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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁的一端连接于直流母线电容C ₁的一端和功率半导体开关Q ₁₅的一端，功率半导体开关Q ₁₁的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₂的一端和钳位二极管D ₁的阴极，功率半导体开关Q ₁₂的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₃的一端，功率半导体开关Q ₁₃的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₄的一端和钳位二极管D ₂的阳极，直流母线电容C ₁的另一端连接于直流母线电容C ₂的一端，功率半导体开关Q ₁₄的另一端连接于直流母线电容C ₂的另一端，钳位二极管D ₁的阳极连接于钳位二极管D ₂的阴极和直流母线电容C ₁的另一端，功率半导体开关Q ₁₂与功率半导体开关Q ₁₃的连接点为第1个功率变换器701的第三端X ₃，功率半导体开关Q ₁₅的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₆的一端和钳位二极管D ₃的阴极，功率半导体开关Q ₁₆的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₇的一端，功率半导体开关Q ₁₇的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₈的一端和钳位二极管D ₄的阳极，功率半导体开关Q ₁₈的另一端连接于直流母线电容C ₂的另一端，钳位二极管D ₃的阳极连接于钳位二极管D ₄的阴极和直流母线电容C ₁的另一端，功率半导体开关Q ₁₆与功率半导体开关Q ₁₇的连接点为第1个功率变换器701的第四端X ₄。

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X ₃为功率单元70的第一端X ₁，第1个二极管钳位三电平变换器的第四端X ₄连接第二个二极管钳位三电平变换器的第三端X ₃，依次类推，第M-1个二极管钳位三电平变换器的第四端X ₄连接第M个二极管钳位三电平变换器的第三端X ₃，第M个二极管钳位三电平变换器的第四端X ₄为功率单元70的第二端X ₂。

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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁的一端连接于直流母线电容C ₁的一端和功率半导体开关Q ₁₅的一端，功率半导体开关Q ₁₁的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₂的一端和飞跨电容C ₃的一端，功率半导体开关Q ₁₂的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₃的一端，功率半导体开关Q ₁₃的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₄的一端和飞跨电容C ₃的另一端，直流母线电容C ₁的另一端连接于直流母线电容C ₂的一端，功率半导体开关Q ₁₄的另一端连接于直流母线电容C ₂的另一端，功率半导体开关Q ₁₂与功率半导体开关Q ₁₃的连接点为第1个功率变换器701的第三端X ₃，功率半导体开关Q ₁₅的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₆的一端和飞跨电容C ₄的一端，功率半导体开关Q ₁₆的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₇的一端，功率半导体开关Q ₁₇的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₈的一端和飞跨电容C4的另一端，功率半导体开关Q ₁₈的另一端连接于直流母线电容C ₂的另一端，功率半导体开关Q ₁₆与功率半导体开关Q ₁₇的连接点为第1个功率变换器701的第四端X ₄。

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X ₃为功率单元70的第一端X ₁，第1个飞跨电容三电平变换器的第四端X ₄连接第二个飞跨电容三电平变换器的第三端X ₃，依次类推，第M-1个飞跨电容三电平变换器的第四端X ₄连接第M个飞跨电容三电平变换器的第三端X ₃，第M个飞跨电容三电平变换器的第四端X ₄为功率单元70的第二端X ₂。

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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁-Q ₁₈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Q ₁₁-Q ₁₈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LLC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Q ₁₁的一端连接于直流母线电容C _B’的一端和功率半导体开关Q ₁₃的一端，功率半导体开关Q ₁₁的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₂的一端，功率半导体开关Q ₁₂的另一端连接于直流母线电容C _B’的另一端和功率半导体开关Q ₁₄的另一端，功率半导体开关Q ₁₁与功率半导体开关Q ₁₂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Q ₁₃与功率半导体开关Q ₁₄的连接点，直流母线电容C _B’的前述一端为第1个功率变换器的第三端X ₃，直流母线电容C _B’的另一端为第1个功率变换器的第四端X ₄，整流桥包括4个整流二极管，整流二极管D ₁’的一端连接于整流二极管D ₃’一端，整流二极管D ₁’的另一端连接于整流二极管D ₂’一端，整流二极管D ₃’的另一端连接于整流二极管D ₄’一端，整流二极管D ₂’的另一端连接于整流二极管D ₄’另一端，整流二极管D ₁’的前述一端为变换器的第五端X ₅，整流二极管D ₂’的另一端为变换器的第六端X ₆，变压器T’的输出端分别连接于整流二极管D ₁’与整流二极管D ₂’的连接点以及整流二极管D ₃’与整流二极管D ₄’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X ₃为功率单元70的第一端X ₁，第1个全桥谐振变换器的第四端X ₄连接第二个全桥谐振变换器的第三端X ₃，依次类推，第M-1个全桥谐振变换器的第四端X ₄连接第M个全桥谐振变换器的第三端X ₃，第M个全桥谐振变换器的第四端X ₄为功率单元70的第二端X ₂。每一个功率单元70中所有的全桥谐振变换器器的第五端X ₅连在一起，而第六端X ₆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Q ₁₁-Q _M4的的导通和断开，即，功率半导体开关Q ₁₁-Q _M4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Q ₁₁-Q ₁₄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Q ₁₁-Q ₁₄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Q ₁₁-Q ₁₄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Q ₁₁的一端连接于直流母线电容C _B’的一端，功率半导体开关Q ₁₁的另一端连接于功率半导体开关Q ₁₂的一端，功率半导体开关Q ₁₂的另一端连接于直流母线电容C _B’的另一端，功率半导体开关Q ₁₁与功率半导体开关Q ₁₂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Q ₁₂的另一端，直流母线电容C _B’的一端为第1个功率变换器的第三端X ₃，直流母线电容C _B’的另一端为第1个功率变换器的第四端X ₄，整流桥包括4个整流二极管，整流二极管D ₁’的一端连接于整流二极管D ₃’一端，整流二极管D ₁’的另一端连接于整流二极管D ₂’一端，整流二极管D ₃’的另一端连接于整流二极管D ₄’一端，整流二极管D ₂’的另一端连接于整流二极管D ₄’另一端，整流二极管D ₁’的一端为变换器的第五端X ₅，整流二极管D ₂’的另一端为变换器的第六端X ₆，变压器T’的输出端分别连接于整流二极管D ₁’与整流二极管D ₂’的连接点以及整流二极管D ₃’与整流二极管D ₄’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X ₃为功率单元70的第一端X ₁，第1个半桥谐振变换器的第四端X ₄连接第二个半桥谐振变换器的第三端X ₃，依次类推，第M-1个半桥谐振变换器的第四端X ₄连接第M个半桥谐振变换器的第三端X ₃，第M个半桥谐振变换器的第四端X ₄为功率单元70的第二端X ₂。每一个功率单元70中所有的半桥谐振变换器器的第五端X ₅连在一起，而第六端X ₆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Q ₁₁-Q _M2的的导通和断开，即，功率半导体开关Q ₁₁-Q _M2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Q ₁₁-Q ₁₂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Q ₁₁-Q ₁₂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Q ₁₁-Q ₁₂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X ₄与另一个的第三端X ₃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X ₃即为该功率单元70的第一端X ₁，第1个功率变换器701的第四端X ₄连接第2个功率变换器701的第三端X ₃，依次类推，第M-1个功率变换器701的第四端X ₄连接第M个功率变换器701的第三端X ₃，第M个功率变换器701的第四端X ₄为该功率单元70的第二端X ₂。

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LLC谐振变换器和半桥LLC谐振变换器中的两种或两种以上的组合。

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中每一个功率变换器701可以被配置为包括：至少一个功率半导体开关，例如前述的功率半导体开关Q ₁₁-Q ₁₄、Q ₁₁-Q ₁₂、Q ₁₁-Q ₁₈、Q _M1-Q _M4、Q _M1-Q _M2或Q _M1-Q _M8，其中每一个前述的本地控制信号被配置为控制对应的功率半导体开关的导通和断开。

本发明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)与对应的本地控制器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)与对应的本地控制器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)与对应的本地控制器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T ₁，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，其中该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)T ₁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。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V ₁以及给副边7222供电的电压V ₂，且电压V ₁和V ₂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V ₁，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V ₂。

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)T ₂。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Y _MN，经由磁隔离器件T ₂传输给副边电路7212，副边电路7212将窄脉冲信号Y _MN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Y _MN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T ₂和一个双向稳压管W，其它电阻R ₁₁、R ₁₂、R ₁₃、R、R ₂₁、R ₂₂、R ₂₃、栅极电容C _GE、二极管D ₁₁、D ₂₁、稳压管W ₁、W ₂和开关管M ₁和M ₂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Y _MN，如图21中Y _NM所示。该正负脉冲信号Y _NM经磁隔离器件(例如，隔离变压器)T ₂传输至副边电路，触发开关管M ₁和M ₂动作后向IGBT栅极电容C _GE充放电，形成驱动功率半导体开关所需的驱动信号V _GE，V _GE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T ₂的磁芯，且使磁芯不饱和，正负脉冲信号Y _NM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V _GE为正进行说明，几μs的正脉冲一次给栅极电容C _GE充的电，就可以使得驱动信号V _GE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C _GE会缓慢放电导致驱动信号V _GE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C _GE充电以维持驱动信号V _GE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C _GE的放电时间常数确定，原则是在下一个刷新脉冲来之前，V _GE不至于下降太多，例如下一个刷新脉冲到来之前驱动信号V _GE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T ₂传输的本地控制信号中包含驱动逻辑脉冲以及功率脉冲。

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18所描述的驱动电路，磁隔离器件T ₁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变换器701每一个功率变换器的第三端X ₃和第四端X ₄之间并联有开关K ₁₂，例如，K ₁₂是常开开关，当该功率变换器正常工作时，开关K ₁₂断开，当该功率变换器401发生故障时，开关K ₁₂导通。

作为一个实施例，开关K ₁₂是半控型器件，例如晶闸管，或者全控型器件，例如IGBT，或者机械开关。

如图22中所示，当任一功率变换器701发生故障时，故障检测电路(图22中未示出)检测到功率变换器701的各类故障，并根据故障类型输出对应的故障信号至本地控制器91，本地控制器91会接收到反映对应的功率变换器701的故障类型的故障信号，并输出对应的保护信号以控制对应的功率变换器701的开关K ₁₂导通，并且本地控制器91停止输出控制对应的功率变换器701运行的本地控制信号。

如图22中所示，各功率变换器701中的开关K ₁₂根据该功率变换器701自己反馈的故障信号来控制。在功率单元70的运行过程中，当本地控制器91接收到任一个功率变换器701反馈的故障信号后，根据该故障信号控制对应的功率变换器中的开关K ₁₂闭合，同时停止输出控制该故障的功率变换器701运行的本地控制信号，即该故障的功率变换器701被旁路掉。以一个功率变换器发生故障为例说明，如果第1个功率变换器701发生故障，本地控制器91会接收到反映第1个功率变换器的故障类型的故障信号，并输出保护信号S _F1以控制第1个功率变换器701的开关K ₁₂导通，并且本地控制器91停止输出控制第1个功率变换器701运行的本地控制信号。以2个功率变换器发生故障为例说明，如果第1个功率变换器701和第M个功率变换器均发生故障，本地控制器91会接收到反映第1个功率变换器和第M个功率变换器的故障类型的故障信号，并输出保护信号S _F1和S _FM以分别控制第1个功率变换器701和第M个功率变换器701的开关K ₁₂导通，并且本地控制器91停止输出控制第1个功率变换器701和第M个功率变换器701运行的本地控制信号。

图23是本发明另一个实施例的模块化电源系统的方框图。如图23中所示，本实施例的模块化电源系统中的保护信号的数量为M，与前述M个功率变换器701一一对应，本实施例的模块化电源系统的本地控制信号根据每一个保护信号S _F1至S _FM以分别控制对应的功率变换器701的开关K ₁₂导通，并且本地控制器91停止输出控制功率单元70中每一个功率变换器701运行的本地控制信号。

如图23中所示，在功率单元70的运行过程中，当本地控制器91接收到任一个功率变换器701反馈的故障信号后，本地控制器91根据故障信号输出保护信号S _F1，...，S _FM以控制所有功率变换器701中的K ₁₂闭合，同时停止输出本地控制信号，即该功率单元70整体被旁路。

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，本实施例的模块化电源系统中的保护信号S _F的数量为1，本地控制器91输出保护信号S _F以控制所有M个功率变换器的开关K ₁₂导通，并且本地控制器91停止输出本地控制信号以控制功率单元70中每一个功率变换器701的运行。

如图24中所示，功率单元70内所有功率变换器的开关K ₁₂由本地控制器91输出的保护信号S _F控制。在功率单元70的运行过程中，当本地控制器91接收到任一个功率变换器701反馈的故障信号后，本地控制器91根据故障信号输出一个保护信号S _F以控制所有功率变换器701中的开关K ₁₂闭合，同时停止输出本地控制信号，即该功率单元70整体被旁路。

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功率单元70的第一端X ₁和第二端X ₂之间并联有第三开关K ₃，当功率单元70正常工作时，第三开关K ₃断开，当功率单元70发生故障时，第三开关K ₃导通。

如图25中所示，当任一所述功率变换器701发生故障时，本地控制器91会接收到反映对应的功率变换器701的故障类型的故障信号，并输出一保护信号S _F’以控制开关K ₃导通，并且本地控制器91停止输出控制功率单元70中每一个功率变换器701运行的本地控制信号。

如图25中所示，在功率单元70的输出端并联常开开关K ₃，K ₃受控于本地控制器91。在功率单元70运行过程中，当本地控制器91接收到任一个功率变换器701反馈的故障信号后，本地控制器91根据故障信号输出保护信号S _F’以控制开关K ₃闭合，同时停止输出该功率单元70内所有本地控制信号，即该功率单元70整体被旁路。

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中所示，本实施例的模块化电源系统中的功率单元70由5个级联的H桥电路的功率变换器组成。在功率单元70的输出端并联常开开关K ₃，K ₃受控于本地控制器91。在功率单元70运行过程中，任一H桥电路的功率变换器发生故障并向本地控制器91反馈故障信号后，本地控制器91根据故障信号输出保护信号S _F’以控制开关K ₃闭合，同时停止输出控制该功率单元70运行的所有本地控制信号，即该功率单元70整体被旁路。

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

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。
如权利要求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。
如权利要求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。
如权利要求1所述的模块化电源系统，其中所述M个功率变换器的直流母线电压为全部相同，部分相同，或全部不相同。
如权利要求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。
如权利要求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。
如权利要求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。
如权利要求6所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率变换器被配置为包括：

至少一个功率半导体开关，其中每一个所述本地控制信号被配置为控制对应的所述功率半导体开关的导通和断开。
如权利要求7所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率变换器被配置为包括：

至少一个功率半导体开关，其中每一个所述本地控制信号被配置为控制对应的所述功率半导体开关的导通和断开。
如权利要求8或9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。
如权利要求8或9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所述至少一个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。
如权利要求10所述的模块化电源系统，其中每一个所述驱动电路与对应的所述本地控制器直接电连接，或者通过磁隔离器件连接，或者通过光隔离器件连接。
如权利要求1所述的模块化电源系统，其中每一个所述本地控制器与所述主控制器通过磁隔离器件连接，或者通过光隔离器件连接。
如权利要求11所述的模块化电源系统，其中每一个所述驱动电路与对应的所述本地控制器直接电连接，或者通过磁隔离器件连接，或者通过光隔离器件连接。
如权利要求10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。
如权利要求11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。
如权利要求10所述的模块化电源系统，其中每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，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；或者每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，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以及功率脉冲；或者每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，一部分所述驱动电路的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，另一部分所述驱动电路的所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的所述驱动逻辑脉冲以及功率脉冲。
如权利要求11所述的模块化电源系统，其中每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，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；或者每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，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以及功率脉冲；或者每一个所述驱动电路包括磁隔离器件，一部分所述驱动电路的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，另一部分所述驱动电路的所述磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的所述驱动逻辑脉冲以及功率脉冲。
如权利要求5所述的模块化电源系统，其中所述至少一个本地控制信号的数量与所述功率变换器中的所述至少一个功率半导体开关的数量相同，且每一个所述本地控制信号被配置为控制对应的所述功率半导体开关导通和断开。
如权利要求1所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率变换器的所述第三端和所述第四端之间并联有开关，当所述功率变换器正常工作时，所述开关断开，当所述功率变换器发生故障时，所述开关导通。
如权利要求20所述的模块化电源系统，其中所述开关是半控型器件、全控型器件或机械开关。
如权利要求20所述的模块化电源系统，当任一所述功率变换器发生故障时，所述本地控制器会接收到反映对应的所述功率变换器故障类型的故障信号，并输出至少一个保护信号。
如权利要求22所述的模块化电源系统，其中所述本地控制器输出所述保护信号以控制对应的所述功率变换器的开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制对应的所述功率变换器运行的所述本地控制信号。
如权利要求22所述的模块化电源系统，其中所述至少一个保护信号的数量为M，所述本地控制器输出每一个所述保护信号以控制对应的所述功率变换器的所述开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制所述M个功率变换器运行的所述至少一个本地控制信号。
如权利要求22所述的模块化电源系统，其中所述至少一个保护信号的数量为1，所述本地控制器输出所述保护信号以控制所述M个功率变换器的所述开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制所述M个功率变换器运行的所述至少一个本地控制信号。
如权利要求1所述的模块化电源系统，其中所述功率单元的所述第一端和所述第二端之间并联有开关，当所述功率单元正常工作时，所述开关断开，当所述功率单元发生故障时，所述开关导通。
如权利要求26所述的模块化电源系统，其中，当任一所述功率变换器发生故障时，所述本地控制器会接收到反映对应的所述功率变换器故障类型的故障信号，并输出一保护信号以控制所述开关导通，并且所述本地控制器停止输出控制所述M个功率变换器运行的所述至少一个本地控制信号。