0 引言
近幾年來隨著汽車需求的高速增長,，石油進口大量增加,，使國家能源安全面臨著重大挑戰(zhàn)。同時,，環(huán)境問題日益突出,，據(jù)統(tǒng)計，60％的城市污染來自汽車,。與傳統(tǒng)汽車相比,，燃料電池汽車具有無污染，工作效率高,，低噪音,，行駛平穩(wěn)和不依賴石油等諸多優(yōu)點，是汽車未來發(fā)展的方向,，得到了社會的廣泛關(guān)注和支持。
在燃料電池汽車系統(tǒng)中,，燃料電池和蓄電池是整車所需能量的來源,，變換器是整個動力系統(tǒng)能量流動的重要環(huán)節(jié)。變換器是燃料電池和蓄電池之間的一個周期性通斷的開關(guān)控制裝置,，具有調(diào)節(jié)電壓及變換電壓形式的功能,，對于燃料電池汽車，其驅(qū)動系統(tǒng)中的變換器應(yīng)包括DC／DC(直流-直流)變換器和DC／AC(直流-交流)變換器,。
燃料電池汽車車輪的動力來自于電機轉(zhuǎn)動,，目前在燃料電池汽車上直流電機的應(yīng)用逐漸被交流電機所取代，目前應(yīng)用最多且最被看好的是異步電機及永磁電機,，而對其控制往往是靠將相應(yīng)的三相交流電加在其上完成的,，因此，燃料電池汽車中需要有逆變器完成DC／AC變換,。事實也表明交流電機驅(qū)動系統(tǒng)是未來電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的主流,。
傳統(tǒng)的燃料電池汽車借助DC／DC變換器和后級DC／AC變換器的配合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)交流電機的寬范圍多方式調(diào)速,，DC／DC變換器對燃料電池的最大輸出電流和功率進行控制,，以保護燃料電池，同時穩(wěn)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)線上的電壓,；DC／AC變換器起到電能變換控制的作用,，將系統(tǒng)總線上的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電機運行的電能，同時控制電機的運行,，構(gòu)成典型的兩級式電能變化,。
傳統(tǒng)Boost拓撲升壓困難，因為該拓撲升壓因子很大時,，開關(guān)導通比接近1,，這樣開關(guān)導通時間過長而開關(guān)截止時間過短,，從而導致?lián)p耗和溫升過大，影響實用,，限制其調(diào)壓范圍,。然而常采用的逆變裝置面臨著因為額外加入的Boost升壓斬波電路，增加了系統(tǒng)成本,，降低了變換效率,；由于控制失誤或電磁干擾的任何原因?qū)е履孀兤魃舷鹿苤蓖▽p壞開關(guān)管；為了避免開關(guān)管直通而加入的死區(qū)又影響了輸出電流波形,，存在大量諧波等問題,。
一般來說，兩級式效率要低于單級式系統(tǒng),。新型Z源網(wǎng)絡(luò)能利用其獨特的無源網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)升降壓變換功能,，而且還保持了單級結(jié)構(gòu)和高效率，具有很好的研究價值,。當燃料電池輸入電壓較低時,，Z源網(wǎng)絡(luò)通過直通時間的引入，工作于升壓模式,；當輸入電壓較高時,，不需加入直通時間，此時Z源網(wǎng)絡(luò)工作于降壓模式,。因此,，本文所提出的Z源逆變網(wǎng)絡(luò)能很好地適應(yīng)汽車燃料電池輸出電壓的寬范圍變化。采用Z源電容電壓閉環(huán)控制,，使電容電壓值穩(wěn)定在合理的給定,，從而使直流母線電壓和輸出電壓保持穩(wěn)定。
傳統(tǒng)Z源逆變器存在一些不足,，本文通過引入一種性能較高的新型Z源逆變器,，使Z源逆變器在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，性能更加完善,，更加滿足于燃料電池汽車的一些要求,，具有很高的研究價值和應(yīng)用價值。對它的控制可通過應(yīng)用電壓空間矢量調(diào)制方法,，在傳統(tǒng)零矢量作用區(qū)間施加直通零矢量,，在不影響有效輸出電壓矢量的前提下，能夠同時實現(xiàn)對直流電壓的控制,，相對于正弦脈寬調(diào)制等方法,，具有明顯優(yōu)勢。但是傳統(tǒng)SVPWM方法沒有直通狀態(tài),，無法直接應(yīng)用于Z源逆變器,。本文針對這一問題給出實現(xiàn)方法,。同時高性能新型Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)Z源結(jié)構(gòu),，會在直流電壓側(cè)多一個開關(guān)管,，所以文中對其開關(guān)控制也予以了說明。
1 Z源逆變器
1．1 傳統(tǒng)Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理
電壓型三相Z源逆變器的主電路拓撲如圖1所示,。
式中：VDC為直流電源電壓,。
假設(shè)在一個開關(guān)周期T中，逆變橋工作于直通零電壓狀態(tài)的時間為T0,，工作于非直通零電壓狀態(tài)的時間為T1,，T=T0+T1，則在穩(wěn)態(tài)下一個開關(guān)周期電感兩端的平均電壓必然為0,，由式(2)和式(3)可推出：
式中：M為逆變器的調(diào)制因子,，
。顯然,，通過合適地改變升壓因子和調(diào)制因子,，交流側(cè)輸出電壓即可以升高也可以降低，所以說Z源逆變器具有靈活的升降壓特性,。由以上分析知，
之間均只相差一個常系數(shù),，只要對其中一個量進行控制就可以實現(xiàn)對其余兩個量的控制,。通常采用Z源電容電壓閉環(huán)控制，使電容電壓值穩(wěn)定在合理的給定范圍內(nèi),，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定,。
傳統(tǒng)Z源逆變器的優(yōu)點主要包括：運用直通零電壓來升高直流電壓，以實現(xiàn)逆變器輸出電壓的升壓功能,，實現(xiàn)寬范圍調(diào)壓,；由于Z源網(wǎng)絡(luò)的引入，提高了逆變橋的安全性,；消除了死區(qū)對輸出交流電壓的影響,；減小開關(guān)損耗，提高電能變換效率,。因此Z源逆變器提供了一種低成本,、高可靠性的單級式升降壓逆變器實現(xiàn)方案。Z源逆變器的上述優(yōu)點使它在燃料電池發(fā)電等輸入電壓寬范圍變化的新能源場合具有潛在的應(yīng)用前景,。
然而進一步分析發(fā)現(xiàn),，它還存在如下局限性：在輕載運行時，Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的最大值會越來越高,，而從高頻來看,，Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓存在很明顯的畸變,；在輕載時，Z源逆變器直流鏈電壓是發(fā)散的,，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,。變換器存在啟動沖擊問題，不具有抑制啟動沖擊的能力,，從而損壞變換器,。
1．2 Z源逆變器的改進
為了解決傳統(tǒng)Z源逆變器存在的上述不足，本文引入一種高性能適合燃料電池汽車電機控制用的新型Z源逆變器,。
圖3為高性能Z源逆變器的主電路圖,。開關(guān)管SW使Z網(wǎng)絡(luò)的電流能夠反向流動；二極管VD保證了電源電流的單向流動,；而輸入電容C給電路的反向電流提供了個通路,。通過控制直通占空比和開關(guān)管SW來實現(xiàn)電路的所有功能。
由文獻知,，高性能Z源逆變器在Z網(wǎng)絡(luò)小電感并且負載變化范圍很大的情況下,，各部分電壓之間的關(guān)系與傳統(tǒng)Z源逆變器處于正常狀態(tài)時各部分的關(guān)系完全相同。所以傳統(tǒng)Z源逆變器的電壓關(guān)系對改進后的Z源結(jié)構(gòu)仍然適用,。
由圖4中的工作模式4,、工作模式5和工作模式6代替了傳統(tǒng)Z源逆變器在輕載或小電感時出現(xiàn)的三種特殊的非正常工作狀態(tài)，保證電路工作正常,。
高性能Z源逆變電路中逆變橋開關(guān)管可以部分實現(xiàn)零電壓開通的功能,。如圖4所示，當電路處于工作模式6時,，電路中的電流通過輸入電容和Z網(wǎng)絡(luò)電容構(gòu)成回路,，如果此時加入直通信號，即開關(guān)SW關(guān)閉,，電感中的電流不能突變,，電流通過逆變橋開關(guān)管的體二極管構(gòu)成回路，形成了圖4(g)中的①所示的特殊直通狀態(tài),。該狀態(tài)使二極管把直流鏈電壓Vi箝在了零電壓,，與此同時電感電流在負向減小，當減小到零后,，由于已經(jīng)有直通信號,，所以，逆變橋開關(guān)管零電壓導通,，實現(xiàn)了開關(guān)管直通狀態(tài)下的零電壓開通,。
它具有如下優(yōu)點：新型拓撲具有內(nèi)在的抑制啟動沖擊的能力，通過采用合適的軟啟動策略，可以實現(xiàn)變換器的軟啟動,；消除了直流鏈的電壓畸變,；電路對負載的適應(yīng)能力強，即能夠工作在燃料電池汽車速度變化大環(huán)境下,；簡化了Z網(wǎng)絡(luò)電感的設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計,；能部分實現(xiàn)逆變橋開關(guān)管在直通狀態(tài)時的零電壓導通，減少了開關(guān)損耗,，改善了開關(guān)管的工作環(huán)境,。使其更加適合燃料電池汽車高功率密度、寬電壓范圍,、瞬時過載能力強,、高可靠性、輸出功率大,、成本合理等要求,，在燃料電池汽車上有很好的應(yīng)用前景。
2 Z源逆變器的調(diào)制方法
在眾多逆變器控制算法里,，SVPWM算法以其有物理概念清晰,，直流電壓利用率高，動態(tài)響應(yīng)快,，在輸出電壓波形質(zhì)量相同情況下開關(guān)器件工作頻率低,，開關(guān)損耗小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在三相逆變器的控制中,。
為了將SVPWM應(yīng)用于新型Z源逆變器,，需要對傳統(tǒng)的SVPWM進行改進。在一個開關(guān)周期,，傳統(tǒng)的SVPWM中需要插入直通時間T0，以實現(xiàn)升壓功能,。以第一扇區(qū)為例,，改進后的SVPWM控制波形如圖5所示。
Ts為開關(guān)周期,；T1,，T2分別為有效矢量(100)、(110)的作用時間,；Tz為傳統(tǒng)SVPWM中的零矢量作用時間,，Tz=Ts-T1-T2；T0為直通時間,，T0=Tz／12,。
如圖5，直通狀態(tài)被均勻地分布在整個開關(guān)周期,，插入的直通時間沒有額外增加開關(guān)次數(shù),，各狀態(tài)分配時間如圖5所示,。
圖6所示為直通信號和開關(guān)管SW驅(qū)動信號的關(guān)系。通過分析上述電路的工作狀態(tài)可知,，在直通狀態(tài)發(fā)生時,，開關(guān)管SW處于關(guān)斷狀態(tài)；為了得到所需的輸入電流(正電流或負電流)保證Z網(wǎng)絡(luò)輸出電流(iL+iC)不小于負載電流的50％,，即iL+iC=iPN／2,，在逆變橋處于非直通狀態(tài)時，開關(guān)管SW工作在導通狀態(tài),。也就是說,，開關(guān)管SW的驅(qū)動信號和逆變橋的直通信號為互補關(guān)系。
3 仿真結(jié)果與分析
本文對高性能Z源逆變器工作原理和狀態(tài)進行了仿真和實驗驗證,，仿真和實驗電路參數(shù)如下：系統(tǒng)輸入電壓V0=510 V,；系統(tǒng)輸入電容C=470μF；L1=L2=100μH,，C1=C2=470μF,；開關(guān)頻率fs=10 kHz；直通占空比D0=0．17,。圖7和圖8是傳統(tǒng)電壓型逆變器和Z源逆變器在負載較輕時(RL=400 Ω)直流鏈電壓仿真結(jié)果的比較,。由圖7可以看到，傳統(tǒng)逆變器的直流鏈電壓在非直通狀態(tài)時有電壓畸變現(xiàn)象,，圖8顯示高性能Z源逆變器明顯消除了直流鏈電壓畸變現(xiàn)象,。由圖9可以看出，改進后的Z源逆變器輸出電壓波形的正弦性較好,，諧波較少,。
4 結(jié)語
交流電機驅(qū)動系統(tǒng)是未來電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的主流。本文采用新型Z源逆變器拓撲在繼承傳統(tǒng)Z源逆變器中能寬范圍調(diào)壓,；允許逆變橋上下橋臂同時導通,，提高了逆變橋的安全性；消除了死區(qū)對輸出交流電壓的影響,；減小開關(guān)損耗,，提高電能變換效率等優(yōu)點的同時，針對Z源逆變器應(yīng)用于燃料電池汽車后所面臨的一些固有缺點,，提出了改進措施,，使得Z源逆變器作為一種低成本、高可靠性的單級式升降壓逆變器實現(xiàn)方案,，在改進后非常適合在燃料電池輸出電壓不穩(wěn)定,，而對輸出電能要求較高的燃料電池汽車上應(yīng)用。