一種基于Z源逆變器的燃料電池汽車變換器設計

　　摘要：在燃料電池汽車中，電能轉換是一個核心問題。結合燃料電池的特性，簡要說明了燃料電池汽車中現(xiàn)有變換器的不足。同時，為了克服傳統(tǒng)燃料電池汽車電能變換器兩級結構固有的不足，進一步提高其穩(wěn)定性，提出了一種性能較高的Z源逆變器，分析了該結構的工作原理，采用了一種新型的具有直通零矢量的三相電壓空間矢量調制方法，介紹了其工作特點以及直通零矢量的產(chǎn)生方法，進行了相關的仿真實驗。仿真結果表明，該電路結構能夠達到較高的性能要求，適合在燃料電池汽車上應用。

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控制裝置，具有調節(jié)電壓及變換電壓形式的功能，對于燃料電池汽車，其驅動系統(tǒng)中的變換器應包括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動，目前在燃料電池汽車上直流電機的應用逐漸被交流電機所取代，目前應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動系統(tǒng)是未來電動汽車電氣驅動系統(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變換器的配合調節(jié)，實現(xiàn)交流電機的寬范圍多方式調速，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)總線上的電能轉變?yōu)檫m合于電機運行的電能，同時控制電機的運行，構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，開關導通比接近1，這樣開關導通時間過長而開關截止時間過短，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導致逆變器上下管直通將損壞開關管；為了避免開關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)絡能利用其獨特的無源網(wǎng)絡來實現(xiàn)升降壓變換功能，而且還保持了單級結構和高效率，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)絡工作于降壓模式。因此，本文所提出的Z源逆變網(wǎng)絡能很好地適應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)結構的基礎上，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用價值。對它的控制可通過應用電壓空間矢量調制方法，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源逆變器拓撲結構，相對于傳統(tǒng)Z源結構，會在直流電壓側多一個開關管，所以文中對其開關控制也予以了說明。

1 Z源逆變器

　　1．1 傳統(tǒng)Z源逆變器的拓撲結構和工作原理

　　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。

　　假設在一個開關周期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為逆變器的調制因子，。顯然，通過合適地改變升壓因子和調制因子，交流側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，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)寬范圍調壓；由于Z源網(wǎng)絡的引入，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)絡輸出電壓的最大值會越來越高，而從高頻來看，Z網(wǎng)絡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。開關管SW使Z網(wǎng)絡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系與傳統(tǒng)Z源逆變器處于正常狀態(tài)時各部分的關系完全相同。所以傳統(tǒng)Z源逆變器的電壓關系對改進后的Z源結構仍然適用。

　　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)絡電容構成回路，如果此時加入直通信號，即開關SW關閉，電感中的電流不能突變，電流通過逆變橋開關管的體二極管構成回路，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，逆變橋開關管零電壓導通，實現(xiàn)了開關管直通狀態(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)絡電感的設計和控制系統(tǒng)的設計；能部分實現(xiàn)逆變橋開關管在直通狀態(tài)時的零電壓導通，減少了開關損耗，改善了開關管的工作環(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用前景。

2 Z源逆變器的調制方法

　　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)響應快，在輸出電壓波形質量相同情況下開關器件工作頻率低，開關損耗小等優(yōu)點，廣泛應用在三相逆變器的控制中。

　　為了將SVPWM應用于新型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周期，插入的直通時間沒有額外增加開關次數(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管SW驅動信號的關系。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，開關管SW處于關斷狀態(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，開關管SW工作在導通狀態(tài)。也就是說，開關管SW的驅動信號和逆變橋的直通信號為互補關系。

3 仿真結果與分析

　　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 結語

　　交流電機驅動系統(tǒng)是未來電動汽車電氣驅動系統(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用。