To resolve the issue of the difficultly in effectively balancing the output performance improvement, cost reduction, and efficiency improvement of a medium-voltage modular multilevel converter (MMC), a novel MMC (NMMC) topology based on high- and low-frequency hybrid modulation is proposed in this study. Each arm of the NMMC contains a high-frequency sub-module composed of a heterogeneous cross-connect module (HCCM) and N − 1 low-frequency sub-modules composed of half-bridge converters. The high-frequency bridge arm of the HCCM in this study adopts SiC MOSFET devices, while the commutation bridge arm and low-frequency sub-module of the HCCM adopt Si IGBT devices. For the NMMC topology, this study adopts a high/low-frequency hybrid modulation strategy, which gives full play to the advantages of low switching loss in SiC MOSFET devices and low on-state loss in Si IGBT devices. In addition, a specific capacitor voltage balance strategy is proposed for the HCCM, and the working state of the HCCM is analyzed in detail. Furthermore, the feasibility and effectiveness of the proposed topology, modulation strategy, and voltage balancing strategy are verified by experiments. Finally, the proposed topology is compared with the existing MMC topology in terms of device cost and operating loss, which proves that the proposed topology can better balance the cost and efficiency indicators of the device.

Currently, current stress optimization control and current effective value optimization control have become the mainstream methods for real-time optimization control of dual-active bridge converters. However, there is still a lack of systematic research on the internal optimization regularities between the two and their respective internal optimization regularities, as well as problems such as the complex derivation of the effective value optimization control variable function. To address these issues, this paper analyzes the optimization results of stress optimization, effective value optimization, and double-objective entropy weight method optimization, and it explores the regularities and connections between the optimization variables of three optimizations in different power segments in different local optimal modes. Based on these regularities, the trigonometric function polar coordinate method is innovatively employed to derive the function expression of the RMS optimization control variable. Firstly, the four local optimal modes obtained from existing research are optimized by double-objective optimization. According to the weight settings, the optimization results of stress optimization, effective value optimization, and double-objective entropy weight method optimization are obtained. Subsequently, the optimization results are analyzed and compared, and the regularities between the optimization variables of these four local modes in different power segments under three optimizations are derived. Then, based on these regularities, the function expressions of the minimum current stress and the minimum effective value, as well as the function expressions of the optimized control variables, are derived by using the trigonometric function polar coordinate method. Finally, by comparing the current stress values and effective values of these four local optimal modes in the full power range, the global optimal mode and global optimal control variables in this range are selected, thereby achieving real-time global optimal control under power or voltage fluctuations. Simulations and experiments confirm the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the optimization control strategy.

The working mode classification of a triple-active-bridge converter (TAB) is the prerequisite and foundation of modulation optimization research based on time-domain analysis. Currently, systematic research on mode classification is lacking. Inadequate screening of mode types can lead to local optima, preventing the achievement of global optimal control. To address this issue, this paper proposes a mode classification method for the TAB converter based on waveform structural characteristics, enabling effective mode classification and specific mode screening. Firstly, time-domain modeling is carried out for the three square waves output from the three ports. Then, the entire waveform within one period is decomposed into various sub-mode combinations. Subsequently, by analyzing the permutation and combination rules of sub-modes corresponding to different waveforms, the construction method of the TAB working mode is derived, and then all working modes of TAB can be screened using an iterative optimization algorithm. Finally, on this basis, through the specific combination of sub-modes, not only the local optimal working mode with relatively low current stress or RMS value can be selected according to the waveform and energy transmission law, but also the working mode with port power decoupling function can be selected. This method has the advantages of clear classification, multidimensional characteristics and expansibility. It not only effectively classifies the modes of the TAB converter, but also selects the locally optimal working mode, particularly those with power decoupling modulation characteristics. Simulation and experimental results validate the correctness and effectiveness of the theoretical analysis.