一种基于Z源逆变器的燃料电池汽车变换器

摘要：在燃料电池汽车中，电能转换是一个核心问题。结合燃料电池的特性，简要说明了燃料电池汽车中现有变换器的不足。同时，为了克服传统燃料电池汽车电能变换器两级结构固有的不足，进一步提高其稳定性，提出了一种性能较高的Z源逆变器，分析了该结构的工作原理，采用了一种新型的具有直通零矢量的三相电压空间矢量调制方法，介绍了其工作特点以及直通零矢量的产生方法，进行了相关的仿真实验。仿真结果表明，该电路结构能够达到较高的性能要求，适合在燃料电池汽车上应用。
关键词：燃料电池汽车；电能变换；高性能Z源逆变器；空间矢量调制

0 引言
近几年来随着汽车需求的高速增长，石油进口大量增加，使国家能源安全面临着重大挑战。同时，环境问题日益突出，据统计，60％的城市污染来自汽车。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有无污染，工作效率高，低噪音，行驶平稳和不依赖石油等诸多优点，是汽车未来发展的方向，得到了社会的广泛关注和支持。
在燃料电池汽车系统中，燃料电池和蓄电池是整车所需能量的来源，变换器是整个动力系统能量流动的重要环节。变换器是燃料电池和蓄电池之间的一个周期性通断的开关控制装置，具有调节电压及变换电压形式的功能，对于燃料电池汽车，其驱动系统中的变换器应包括DC／DC(直流-直流)变换器和DC／AC(直流-交流)变换器。
燃料电池汽车车轮的动力来自于电机转动，目前在燃料电池汽车上直流电机的应用逐渐被交流电机所取代，目前应用最多且最被看好的是异步电机及永磁电机，而对其控制往往是靠将相应的三相交流电加在其上完成的，因此，燃料电池汽车中需要有逆变器完成DC／AC变换。事实也表明交流电机驱动系统是未来电动汽车电气驱动系统的主流。
传统的燃料电池汽车借助DC／DC变换器和后级DC／AC变换器的配合调节，实现交流电机的宽范围多方式调速，DC／DC变换器对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制，以保护燃料电池，同时稳压调节系统线上的电压；DC／AC变换器起到电能变换控制的作用，将系统总线上的电能转变为适合于电机运行的电能，同时控制电机的运行，构成典型的两级式电能变化。
传统Boost拓扑升压困难，因为该拓扑升压因子很大时，开关导通比接近1，这样开关导通时间过长而开关截止时间过短，从而导致损耗和温升过大，影响实用，限制其调压范围。然而常采用的逆变装置面临着因为额外加入的Boost升压斩波电路，增加了系统成本，降低了变换效率；由于控制失误或电磁干扰的任何原因导致逆变器上下管直通将损坏开关管；为了避免开关管直通而加入的死区又影响了输出电流波形，存在大量谐波等问题。
一般来说，两级式效率要低于单级式系统。新型Z源网络能利用其独特的无源网络来实现升降压变换功能，而且还保持了单级结构和高效率，具有很好的研究价值。当燃料电池输入电压较低时，Z源网络通过直通时间的引入，工作于升压模式；当输入电压较高时，不需加入直通时间，此时Z源网络工作于降压模式。因此，本文所提出的Z源逆变网络能很好地适应汽车燃料电池输出电压的宽范围变化。采用Z源电容电压闭环控制，使电容电压值稳定在合理的给定，从而使直流母线电压和输出电压保持稳定。
传统Z源逆变器存在一些不足，本文通过引入一种性能较高的新型Z源逆变器，使Z源逆变器在传统结构的基础上，性能更加完善，更加满足于燃料电池汽车的一些要求，具有很高的研究价值和应用价值。对它的控制可通过应用电压空间矢量调制方法，在传统零矢量作用区间施加直通零矢量，在不影响有效输出电压矢量的前提下，能够同时实现对直流电压的控制，相对于正弦脉宽调制等方法，具有明显优势。但是传统SVPWM方法没有直通状态，无法直接应用于Z源逆变器。本文针对这一问题给出实现方法。同时高性能新型Z源逆变器拓扑结构，相对于传统Z源结构，会在直流电压侧多一个开关管，所以文中对其开关控制也予以了说明。

1 Z源逆变器
1．1 传统Z源逆变器的拓扑结构和工作原理
电压型三相Z源逆变器的主电路拓扑如图1所示。