《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》：Editorial: Special Issue on Modular Power-Electronics and Reconfigurable Circuits
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本特刊聚焦模块化与可重构电力电子技术，针对传统半导体器件在电压、电流及开关速度等方面的固有局限，系统探讨了模块化多电平变流器(MMC)、级联桥、开关电容等拓扑结构。研究通过软开关技术、动态重构控制及多端口架构，显著提升了系统功率密度、输出质量与可靠性，并为电动汽车快充、数据中心供电及电池集成系统提供了创新解决方案，推动了软件定义变流器等新兴方向的发展。
电力电子技术作为电子学的早期分支，始终与半导体器件的演进紧密相连。然而，在很长一段时间里，该领域的发展深受制于器件本身的电压、电流、开关性能以及成本限制。由于早期半导体器件价格高昂，电路设计不得不力求简洁，以尽可能减少有源器件的使用。这种“节俭”的设计哲学虽然适应了当时的条件，却也束缚了电力电子系统的性能与灵活性。随着上世纪90年代以来半导体技术的飞速发展，尤其是硅材料性能的近乎指数级提升，消费电子、家电、汽车电子及数据中心等大规模应用场景极大地推动了电力电子技术的规模化与成本降低。器件成本的急剧下降为更复杂的电路设计打开了大门，模块化与可重构的理念应运而生，旨在突破单个器件的性能极限，实现“分而治之”的功率转换策略。
传统半导体器件开发中，电压、电流和开关速度等指标往往是相互冲突的设计目标。单一器件若在某一方面追求极致性能，则往往需要在其他方面做出妥协。模块化电路的出现，成功地打破了这种僵局。通过将多个相同或相似的基本单元（模块）组合起来，模块化电路不仅能够实现电压等级、电流容量和开关速度的同步提升，还能获得超越各单元简单相加的整体性能。这种“整体大于部分之和”的效应，使得模块化概念在提升输出质量（如更精细的输出电压粒度）、减小无源元件尺寸以及增强系统可靠性（如故障容错能力）方面展现出巨大潜力。模块化多电平变流器(MMC)和级联桥等拓扑结构便是这一理念的成功实践，它们已成为中高压应用领域的主导技术。与此同时，交错并联(Interleaving)技术通过多个模块的相位错开，有效提高了功率质量和电流等级，在直流/直流(DC/DC)变换器和逆变器中广泛应用。
为了系统梳理并展示模块化与可重构电力电子技术的最新进展，《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》在2025年12月推出了本期特刊，收录了55篇来自全球（除南极洲外）的研究论文，涵盖了从核心电路拓扑、控制策略到在能源、交通、医疗等领域的创新应用。
研究人员在本特刊涉及的研究中，主要运用了几项关键技术方法：一是基于模块化多电平变流器(MMC)和级联桥的拓扑结构创新，通过模块的不对称电压设计或特定电压序列应用，近乎指数级提升输出质量；二是软开关技术与开关电容/开关电感原理的结合，以降低开关损耗并实现高增益变换；三是模型预测控制(MPC)等先进算法，用于管理可重构电池的电荷状态、温度均衡及系统稳定性；四是针对电动汽车充电站、数据中心等实际场景的多端口、宽电压范围可重构充电器与固态变压器(SST)设计；五是利用分布式传感器网络和人工智能（如人工神经网络ANN）进行系统状态监测、故障诊断和网络安全防护。
III. 模块化多电平、级联桥和开关电容变流器拓扑
该部分研究聚焦于电路拓扑本身的创新。Omran等人[A20]开发了一种结合开关电感和开关电容原理的软开关电压倍增器。Qin等人[A21]则深入电路结构层面，研究了级联电路与开关电容变流器的融合，将两个先前相对独立的研究方向结合在一起，实现了在相同器件上并发进行开关电容和模块化多电平操作，提高了灵活性并简化了均压问题。Shetty等人[A23]结合开关电容和模块化多电平操作实现了高增益DC/DC转换，例如用于结合燃料电池和电池单元。
IV. 可重构电池、电池集成电力电子和光伏集成变流器
该部分重点研究了将电力电子深度集成到电池、光伏(PV)等由大量小单元串联而成的系统中。Park[A27]开发了一种将电池分割成更小单元的配置，每个单元配备一个可作为有源滤波器的Boost变换器，通过注入交流激励来单独测量每个子电池的阻抗谱。Astudio等人[A28]探索了使用模型预测控制(MPC)来管理动态可重构直流电池中子电池的电荷水平和温度，以避免传统电池中“短板效应”。Bayati等人[A33]证明，一个可重构直流电池只需结合无源整流器和滤波器，即可充当车载充电器，并能提供电网电压支撑和高功率虚拟惯性。Pourhadi等人[A34]通过在模块间互联中调制高频信号，生成了额外的辅助输出（如车辆中的12V或48V低压电），而不会影响电池的主要高功率输出。
V. 模块化DC-DC变流器、固态变压器和可重构充电器
该部分关注带电气隔离的模块化DC/DC变流器。固态变压器(SST)已成为电动汽车和卡车兆瓦级充电以及现代数据中心兆瓦级机架配电的首选方案。Fritz等人[A45]提出了一种适用于各种拓扑的隔离DC/DC变流器的通用控制方法。Ayad等人[A49]利用人工神经网络(ANN)技术最小化输出纹波，同时保持较低的计算负担。Karneddi等人[A50]提出了一种覆盖宽输出电压范围的模块化可重构电池充电器。Dar等人[A53]提出了一种有趣的可重构部分功率电路用于充电，它可以改变隔离DC/DC单元及其输入输出集成方式，以实现各种降压和升压模式。
VI. 功率模块
电路级的模块化伴随着半导体功率模块的紧凑集成和改进。Han等人[A58]将绝缘栅双极晶体管(IGBT)的安全工作区(SOA)图扩展到三维，以考虑结温，从而更好地描述退化过程。Wang等人[A59]开发了一种频率-时间变换有限元法(FEM-FTT)，用于快速模拟MMC中IGBT芯片的温度分布，发现IGBT键合线之间的温差可达14K，这是导致键合线脱落的的主要故障模式。Jolly和Mallik[A60]研究了并联碳化硅(SiC)晶体管的电流平衡问题和阈值差异，建议采用RC网络将峰值电流不平衡降低高达42%。
VII. 医疗电力电子
医疗领域为新型电力电子技术提供了极具吸引力和挑战性的应用场景。Alshahat等人[A61]开发了一种用于肿瘤治疗电场(Tumor Treating Fields)癌症疗法的低压驱动级联半桥模块化脉冲发生器，其软开关技术有望推广至其他医疗电力电子概念。
VIII. 控制与安全方面
模块化系统硬件复杂性的增加、多数据流和传感器以及众多自由度，一方面通过冗余提高了可靠性，另一方面也引入了新的故障模式和系统性网络攻击的脆弱性。Amirrezai等人[A63]比较了人工智能和传统估计器的组合，以检测MMC中各种攻击引起的不一致性。Kim等人[A64]提出了一种检测MMC及其结构中晶体管故障的方法。Shuai等人[A66]研究了级联LLC变流器中的自测试和自监控，开发了一种利用现有传感器信号的电容器健康监测程序。Chang等人[A67]提出了一种检测（非隔离）级联光伏系统中引起电弧的松动连接的方法，甚至能在几十毫秒内熄灭电弧。
结论与展望
本期特刊系统展示了模块化与可重构电力电子技术正在经历一场深刻的范式转变。其意义远不止于通过并联或级联简单提升功率等级，而是开创了一种能够灵活适应多变运行条件、集成多种功能（如电池管理、电网支持、辅助电源生成）、并具备高可靠性和容错能力的“软件定义”系统设计新思路。从突破半导体器件固有性能极限的级联多电平和开关电容拓扑，到实现能量存储单元智能管理与重构的电池集成系统，再到为电动汽车快充、数据中心供电和高端医疗设备提供核心动力的固态变压器与模块化DC/DC变换器，该技术体系正以前所未有的广度和深度渗透到能源转换与管理的各个关键环节。未来，随着宽禁带半导体（如SiC、GaN）器件的进一步成熟、人工智能与先进控制算法的深度融合，以及对于系统网络安全和韧性的持续关注，模块化与可重构电力电子技术有望在构建更高效、更灵活、更可靠的未来能源基础设施中扮演更加核心的角色。
