摘要：在燃料電池汽車中，電能轉(zhuǎn)換是一個核心問題。結(jié)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(jié)構(gòu)固有的不足，進(jìn)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(jié)構(gòu)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(diào)制方法，介紹了其工作特點(diǎn)以及直通零矢量的產(chǎn)生方法，進(jìn)行了相關(guān)的仿真實驗。仿真結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到較高的性能要求，適合在燃料電池汽車上應(yīng)用。
關(guān)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(diào)制

0 引言
近幾年來隨著汽車需求的高速增長，石油進(jìn)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(diǎn)，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(jī)轉(zhuǎn)動，目前在燃料電池汽車上直流電機(jī)的應(yīng)用逐漸被交流電機(jī)所取代，目前應(yīng)用最多且最被看好的是異步電機(jī)及永磁電機(jī)，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(jī)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(jī)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(jìn)行控制，以保護(hù)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(jī)運(yùn)行的電能，同時控制電機(jī)的運(yùn)行，構(gòu)成典型的兩級式電能變化。
傳統(tǒng)Boost拓?fù)渖龎豪щy，因為該拓?fù)渖龎阂蜃雍艽髸r，開關(guān)導(dǎo)通比接近1，這樣開關(guān)導(dǎo)通時間過長而開關(guān)截止時間過短，從而導(dǎo)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(dú)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(dāng)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(dāng)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理
電壓型三相Z源逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。