[发明专利]3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法

摘要

本发明提供3N+3开关组MMC AC‑AC变换器及其控制方法。变换器由N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容构成；第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由N+1个开关组和两个电感串联而成；每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；N>2，n为正整数。该变换器采用载波移相PWM控制，每个三相交流输出转换为线电压为2n+1电平的交流输入，经AC‑AC变换为线电压为2n+1电平的交流输出给负载供电，且MMC功率开关单元中每个开关管承受的电压应力仅为直流电源电压的1/n，解决了开关管的均压问题，适合高压和大功率场合的应用。

主权项

1.3N+3开关组MMC AC‑AC变换器，其特征在于：包括N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容（C1）；所述三相交流输入/输出为三相交流输入或三相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；所述第一桥臂由N+1个开关组（Bu1、Bu2、…、Bu(N+1)）和2个电感（Lu1、Lu2）串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组（Bv1、Bv2、…、Bv(N+1)）和2个电感（Lv1、Lv2）串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组（Bw1、Bw2、…、Bw(N+1)）和2个电感（Lw1、Lw2）串联而成；第一桥臂的第i个开关组（Bui）由n个功率开关单元（SMBui1、SMBui2、…、SMBuin）串联而成，第二桥臂的第i个开关组（Bvi）由n个功率开关单元（SMBvi1、SMBvi2、…、SMBvin）串联而成，第三桥臂的第i个开关组（Bwi）由n个功率开关单元（SMBwi1、SMBwi2、…、SMBwin）串联而成，其中i的取值为1~N+1；N>2，n为正整数；第一桥臂的两个电感（Lu1、Lu2）相互耦合，构成一对耦合电感；第二桥臂的两个电感（Lv1、Lv2）相互耦合，构成一对耦合电感；第三桥臂的两个电感（Lw1、Lw2）相互耦合，构成一对耦合电感；第一桥臂的第1个开关组（Bu1）的下端（p）与第一桥臂中2个电感的第一电感（Lu1）的一端连接，第一桥臂的第一电感（Lu1）的另一端与第一桥臂的第2个开关组（Bu2）的上端（o）连接；第一桥臂的第i个开关组（Bui）的下端与第一桥臂的第i+1个开关组（Bu(i+1)）的上端连接，其中i的取值为2~N‑1；第一桥臂的第N个开关组（BuN）的下端与第一桥臂的第二电感（Lu2）的一端连接，第一桥臂的第二电感（Lu2）的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组（Bu(N+1)）的上端连接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第k+1个开关组（Bu(k+1)）的上端、第二桥臂的第k+1个开关组（Bv(k+1)）的上端、第三桥臂的第k+1个开关组（Bw(k+1)）的上端连接，其中k的取值为1~N‑1；第N个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第N+1个开关组（Bu(N+1)）的下端、第二桥臂的第N+1个开关组（Bv(N+1)）的下端连接、第三桥臂的第N+1个开关组（Bw(N+1)）的下端连接；第一桥臂的第1个开关组（Bu1）的上端与第二桥臂的第1个开关组（Bv1）的上端、第三桥臂的第1个开关组（Bw1）的上端、第一电容（C1）的正极连接，第一电容（C1）的负极与第一桥臂的第N+1个开关组（Bu(N+1)）的下端、第二桥臂的第N+1个开关组（Bv(N+1)）的下端、第三桥臂的第N+1个开关组（Bw(N+1)）的下端、地端（G）连接；功率开关单元包括第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）和第二电容（CSM），其中，第二电容（CSM）的正极与第一开关管（S1）的集电极、第一二极管（D1）的阴极连接，第一开关管（S1）的发射极与第一二极管（D1）的阳极、第二开关管（S2）的集电极、第二二极管（D2）的阴极连接，第二开关管（S2）的发射极与第二二极管（D2）的阳极、第二电容（CSM）的负极连接；第二开关管（S2）的集电极作为第一输出端，第二开关管（S2）的发射极作为第二输出端；第一桥臂的第i个开关组（Bui）的第j个功率开关单元（SMBuij）的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组（Bui）的第j+1个功率开关单元（SMBui(j+1)）的第一输出端连接，其中j取值为1~n‑1，i取值为1~N+1；第二桥臂的第i个开关组（Bvi）的第j个功率开关单元（SMBvij）的第二输出端与第二桥臂的第i个开关组（Bvi）的第j+1个功率开关单元（SMBvi(j+1)）的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组（Bvi）的第j个功率开关单元（SMBvij）的第二输出端与第三桥臂的第i个开关组（Bvi）的第j+1个功率开关单元（SMBvi(j+1)）的第一输出端连接。