模块化DC-DC变换器具有结构灵活、易于制造、可靠性高等优点，适用于各类高压大功率的直流变换场合。通常该系统由多个基本DC-DC变换器组成，根据各基本模块输入侧和输出侧的不同连接方式，可分成四种不同的架构。该类系统在正常运行时，各基本模块之间紧密联系、相互协调配合。一旦某模块发生故障，若无法及时有效处理，故障会快速扩散，影响其余健康模块的正常运行，甚至导致整个系统的崩溃。长期的工业实践表明，电力电子系统中失效率最高的元件为开关管和电容，而在多模块系统中，大量该类元件的存在无疑对系统的可靠运行产生了巨大威胁。为保证系统的健康运行，减小因故障带来的经济损失，本文从最易失效的元件出发，围绕开关管、电容的故障诊断以及模块级冗余运行开展了以下研究工作：
　　在功率开关管的故障诊断方面，如何针对不同模块化DC-DC变换器选择故障信息丰富、易获取的诊断信号，如何在保持诊断速度和准确度的基础上，拓展方法适用范围并降低设计成本，已有研究尚无法较好地回答这些问题。对此，本文提出了基于电感电压簇同步性的故障诊断方法。从各类典型DC-DC拓扑的共性与多模块系统运行特点出发，选取各个模块的输出电感电压作为诊断信号，正常工作时各模块诊断信号具有同步性与对称性，而在故障状态下将呈现异步性。基于此，设计了简易故障诊断电路，可在故障发生后一个开关周期内完成故障模块的识别。该方法速度快、成本低、易集成，能在多种工况下可靠工作，具有良好的推广前景。实验结果验证了该方法的有效性。
　　在电容的老化故障诊断方面，如何在不影响系统运行特性、不增加额外传感器的前提下实现对电容状态信息的准确提取，是目前该领域亟待解决的关键问题。对此，本文针对模块化DC-DC变换器中的电容，提出了基于模块选择性退出的非侵入式在线状态监测方法。选择串联侧电容作为主要的监测目标，充分利用了模块化系统易于冗余的特点，主动使特定模块退出系统，在瞬态过程中创造出易于提取电容信息的模态。以此为出发点，分析了电容值在各种结构中的表征形式，并给出了执行流程，对影响诊断结果的相关因素进行了分析讨论。该方法易于实现，所需信息均来自于已有的传感器，且该过程可规律性地重复进行，便于积累有效数据，提升判断精度。实验结果验证了所提方法的有效性。
　　在检查到模块发生故障后，需立刻进入冗余运行状态，针对目前冗余方法覆盖面小，冗余过程粗放，缺少同诊断相结合的一体化方案等问题，本文面向各种串并联结构开展了系统的模块级冗余运行研究。针对不同结构，分析了故障后模块端口的故障特征，有选择地加入故障模块隔离电路，提出了一套完整的重构动作流程。在保证正常输出的前提下，故障模块的退出与冗余模块的投入尽可能同步，大大降低了动态过程中的电应力，减小了变换器的设计裕量，提高了冗余效率。实验结果验证了该方法在各种串并联结构中的有效性以及相比于已有方法的优越性。
　　最后，将针对模块化DC-DC变换器的故障诊断方法进行了概括和总结，提出了解决各类模块化系统相关问题的一般思路，并以模块化多电平变换器这一典型场合为例，对其中子模块电容的老化故障设计了相应的状态监测方案。所提方案基于内部的独立放电通道，解决了受主电路干扰大、计算建模复杂等问题，不影响系统正常运行，可有效追踪电容的长期健康状态，且适用于各种子模块拓扑。实验结果验证了其有效性。