一種基于Z源逆變器的燃料電池汽車變換器

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有變換器的不足。同時，為了克服傳統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。
關鍵詞：燃料電池汽車；電能變換；高性能Z源逆變器；空間矢量調制

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。同時，環境問題日益突出，據統計，60％的城市污染來自汽車。與傳統汽車相比，燃料電池汽車具有無污染，工作效率高，低噪音，行駛平穩和不依賴石油等諸多優點，是汽車未來發展的方向，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能量流動的重要環節。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是未來電動汽車電氣驅動系統的主流。
傳統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，實現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，同時穩壓調節系統線上的電壓；DC／AC變換器起到電能變換控制的作用，將系統總線上的電能轉變為適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，從而導致損耗和溫升過大，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。新型Z源網絡能利用其獨特的無源網絡來實現升降壓變換功能，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源網絡工作于降壓模式。因此，本文所提出的Z源逆變網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源電容電壓閉環控制，使電容電壓值穩定在合理的給定，從而使直流母線電壓和輸出電壓保持穩定。
傳統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，在傳統零矢量作用區間施加直通零矢量，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，具有明顯優勢。但是傳統SVPWM方法沒有直通狀態，無法直接應用于Z源逆變器。本文針對這一問題給出實現方法。同時高性能新型Z源逆變器拓撲結構，相對于傳統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。