电动汽车用高性能电流型trans-Z源逆变器特性研究

郭强， 刘和平， 彭东林

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044))

电动汽车用高性能电流型trans-Z源逆变器特性研究

郭强， 刘和平， 彭东林

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044))

鉴于对电动汽车驱动系统运行温度及可靠性的严格要求，提出基于高性能电流型trans-Z源逆变器电机驱动系统，其拓扑是一种具有升-降压功能的单级逆变器，具有能量双向流动的特点。该系统能够克服传统驱动系统中缺点与不足:具有输出电压的任意升-降压功能;无需直流母线电容，提供正弦驱动电压，同时降低了硬件成本、提高了整个驱动系统的可靠性。文中详细分析了系统工作原理并推导出不同运行模式的等效电路，建立多自由度控制下直通零状态、开路零状态与直流链电压增益的映射关系;明确了系统在不同模式下的运行范围，量化逆变器输出电压与控制变量及功率因数之间的关系。最后通过实验验证了理论分析的正确性与实用性。

电动汽车;电流型逆变器;trans-Z源;升压-降压;能量回馈

0 引 言

目前，纯电动汽车和混合动力电动汽车采用电压源型逆变器(voltage source inverter，VSI)作为其电驱动功率变换单元，然而在直流链将产生大量纹波电流，需要并联高性能电容加以吸收，故增加了控制器的成本与体积［1］。尤其在高温环境下运行时，电容器的使用寿命和处理纹波电流的能力迅速下降，既而降低逆变器的可靠性。此外，VSI还会受到来自同一桥臂上下开关管直通的威胁，为了防止直通的发生最为常用的方法是对驱动信号加入死区保护，但改变了原有调制信号的脉宽，导致输出电流波形谐波畸变率增加，降低电机效率［2］。

电压源型逆变器输出电压呈现脉冲序列，如图1所示，直接驱动电机系统会产生高d v/d t的共模与差模电压，增加绕组间的绝缘应力，降低电机使用寿命;同时产生大量电磁干扰，影响其它设备的正常工作［3］。

图1 两种类型逆变器拓扑结构和输出电压、电流波形Fig.1 Schematics of the two types of inverters including output voltage and current waveform s

当电动汽车保持相同的输出功率，增加动力电池组电压，工作电流将相应减小，因此可以降低逆变器、电机以及连接导线的损耗，并且有效提高整个驱动系统的功率密度。然而简单的电池多节串联会引起电池间容量的不平衡，导致电池组中某一节或几节的健康状态下降，引起电池组过早失效［4-5］。

Z源、准Z源逆变器的相继提出，使得驱动系统的性能得到改善，但仍存在不足:直流链仍需要高容值电容器;实现能量双向流动需要额外引入开关［6-7］。

为了进一步改善电动汽车驱动系统的性能，本文采用电流型逆变器(current source inverter，CSI)。拓扑结构如图1所示，与电压型逆变器相比具有下述优点:允许桥臂直通;无需直流母线电容;输出正弦电压;具有电压提升能力。目前，电流型逆变器已被应用于交流电机驱动［8］，光伏并网发电［9］，风力发电［10］等领域。然而，当CSI作为电动汽车驱动时存在两个问题:其一，CSI为升压型变换器，无法实现降压输出;其二，功率单向流动，无法直接实现能量回馈。

电流型Z源逆变器的出现不仅继承了传统CSI中的优点，兼具有升-降压的能力，而且仅采用二极管便实现能量的双向流动［11-12］，但为了保证其正常运行，最大升压比受到限制［13］。作为对上述拓扑的改进，提出了基于Z源衍化出的新型拓扑电流型trans-Z逆变器［14］，在进一步降低元器件数量的同时，利用藕合电感提高输出电压范围。此外，随着具有双向阻断能力的逆阻型IGBT的问世，可以有效地提高驱动系统的效率和功率密度［15］。

本文详细分析了电流型trans-Z源逆变器的工作原理，推导出不同运行模式的等效电路，建立多自由度控制下直通零状态、开路零状态与直流链电压增益的映射关系;研究驱动系统电动状态下升压、降压模式以及能量回馈模式的运行范围，量化逆变器输出电压与控制变量及功率因数之间的关系。最后，通过实验结果验证了理论分析的正确性与实用性。

1 传统电流型逆变器

目前，电流型逆变器调制方式主要包括电流空间矢量脉宽调制(SVPWM)和正弦脉宽调制(SPWM)两种方式。因SVPWM具有多自由度、高效性、易于数字实现等优点而多被采用［16］。

电流空间矢量包括6个有效电流矢量和3个零矢量，分别对应着不同的开关组合状态。在一个开关周期Ts中，参考电流矢量通过相邻两个有效电流矢量以及零矢量合成得到，即满足

其中有效矢量Iα，Iβ以及零矢量I0占空比表达式有:

其中:θk为电流矢量在某一扇区内的相对扇区角，且θk∈［0，π/3］;调制因数mc=Im/Idc，mc∈［0，1］; Im为输出网侧电流峰值，Idc为直流侧电流;引入三相电压与参考电流矢量初始相位差φ，则θk=π/6+ (kωiTs-φ)，在一个开关周期Ts内输出相电流的平均值为

由式(2)与式(3)可得到三相输出电流

根据瞬时功率理论，忽略逆变器损耗，有

式中:Vm为输入相电压峰值;cosφ为输出功率因数。

等式(5)经整理得到

从等式(6)中不难看出电流源逆变器为升压变换器，且输出功率因数越低或调制因数越小时，输出电压将越高。显然，电流源逆变器应用于电驱动时，将产生过大的启动电流且不利于电机低速平稳运行;同样，由于直流侧供电电源为电池组，电压极性不能改变，所以无法实现能量的回馈。因此，传统CSI不能直接作为电动汽车驱动逆变器。

2 电流型trans-Z源逆变器

2.1 电路拓扑

新型电流型准Z源逆变器是将trans-Z源网络引入到传统CSI中，继而形成电流型trans-Z源逆变器，不仅保持传统CSI的优点，同时实现能量的双向流动和电压的升-降压输出，电路结构如图2所示。与传统CSI相比，仅增加包括二极管D1、电容Cz和藕合电感L1、L2在内的四个无源器件。与传统电流型Z源逆变器相比，两个独立电感被藕合电感取代，通过改变匝数比从而有效提高输出电压范围。

至此，电流型trans-Z逆变器包括几方面的优点:拓扑仅为单级功率电路、结构简单;无需直流母线电容;同时具有升压、降压功能;改善可靠性以及能量双向流动。

图2 新型电流型准Z源逆变器拓扑Fig.2 Topology of current-fed trans-Z-source inverter

2.2 工作原理分析

对于传统CSI，开路状态是严格禁止的，但电流型Z源逆变器将开路零状态作为其正常运行状态，如图3所示，通过合理分配直通零矢量与开路零矢量作用时间，实现逆变器升-降压输出。因此，电流型Z源逆变器除了包括传统CSI中9个电流矢量状态外，额外增加两个开路零状态:上桥臂(S1，S3，S5)同时关断及下桥臂(S4，S6，S2)同时关断。

图3 新型电流型trans-Z源逆变器调制信号Fig.3 M odulation signals for new current-fed trans-Z-source inverter

由此可知，新型电流型trans-Z源逆变器包括三种工作状态:有效状态、直通零状态和开路零状态，当假设任意开关周期内对应的时间占空比分别为Da、Dsh和Dop，且一定满足Da+Dsh+Dop=1;为了便于电路分析，图4中的藕合电感L1、L2采用其等效电气模型结构［17］，得到三种状态下的等效电路模型:

1)有效状态时:等效电路如图4(a)所示，逆变器工作在有效矢量状态，从trans-Z源网络的直流链角度，将逆变器侧等效为一个电压源，此时二极管D关断，直流链电压为相应有效矢量作用下的线电压值，假定其平均值恒定不变，即vpn=Vpn，且电容电流表达式有

2)直通零状态:等效电路如图4(b)所示，二极管D关断，逆变器侧被短路，其直流链电压vpn=0，电容电流表达式有

3)开路零状态:等效电路如图4(c)所示，二极管D导通，而逆变桥中所有开关管均被关断，电容电流表达式有

假设直流输入侧电流纹波与励磁电流纹波较小，可忽略不计，有im=Im，idc=Idc。其中Im表示励磁电流直流分量，而Idc表示直流侧电流直流分量。在稳态时，根据电容的安秒平衡法则，可得

图4 新型电流型准Z源逆变器等效电路图Fig.4 Equivalent circuits of new current-fed trans-Z-source inverter

整理式(10)得到

将式(7)和(8)代入式(11)，得到直通零状态和有效状态下直流链电流峰值

当处于开路零状态时，存在电路关系vL1=Vc，vL2=nvL1，故可导出该状态下直流链电压

通过之前对电路的分析，三种状态下直流电感L的电压VL，分别为Vdc-Vpn，Vdc，Vdc-(n+1)Vc;并根据电感伏秒法则，得到

在稳态情况下有Vdc=Vc，整理式(14)得

明显，直流电压增益Vpn/Vdc由相互关联的两个控制变量(Dop和Da)共同决定。利用式(15)中两个极限边界状态:Dop=0和Dsh=0，绘出直流电压增益Vpn/Vdc与Da的关系，如图5所示。

图5 电流型trans-Z源逆变器直流链输出电压增益Fig.5 DC-link output voltage gain of new current-fed trans-Z-source inverter

当Dop=0时，Vpn/Vdc=1/Da，获得与传统CSI相同的直流电压增益，随着Da减小，增益比不断增加，从而形成最大电压增益极限边界;而当Dop= 1-Da时，即传统零矢量作用时间全部转化为开路零状态，Vpn/Vdc=n+1-n/Da，随着Da的减小，其电压增益比随之降低，从而形成最小电压增益极限边界。如图5所示，藕合电感匝数比逐渐增大时，当n由1增加到3时，其运行区域由区域I扩充至区域Ⅰ、ⅡI和Ⅲ之和，运行范围显著增加;当0＜Dop＜1-Da时，直流电压增益位于两个极限边界之间，同一电压增益对应着Dop与Da不同分配方式，因此需要合理控制以获得所需的直流链电压增益。

2.3 输出-输入电压增益

经过上述推到，现已建立直流链电压与输入电压关系，由图5及公式(15)所示。然而，在实际电机驱动控制策略中，往往需要控制逆变器交流输出电压，因此有必要对新型电流型trans-Z源逆变器输出-输入电压增益进行分析、推导。

基于SVPWM调制原理，当电流合成矢量位于扇区I时，θk∈［0，π/3］，由式(2)推到得到

由式(16)可知，Da随扇区角θk的变化呈周期变化，且当θk=30°时，占空比Da有最大值，即Dmaxa=

mc得到交流侧线电流峰值的表达式

根据功率平衡理论，忽略能量变换中间环节的损耗，建立直流侧与交流输出侧等式关系

其中Vlin表示输出侧线电压峰值;联立(12)和(17)并代入式(18)，得到

当Dop=0时，表示新型电流源准Z源逆变器的零状态中无开路零状态，式(16)可简化为

得到与传统CSI相同的输出-输入电压增益。

当Dop=1-Da时，传统零矢量作用时间全部转化为开路零状态，为了获得不同占空比Da所对应的极限输出-输入电压增益，故采用恒定升压比控制策略［18］，即

将式(21)代入式(19)中，有

由式(20)和(22)表明，两种运行模式下，线电压与输入电压的比值都仅与调制因数mc和输出功率因数cosφ有关，且通过对两种模式有效切换以及合理控制mc，可以实现逆变器输出电压的升压、降压运行。

3 运行模式分析

如图5所示，当有匝数比n=2时，两条边界曲线所围成的阴影部分I涵盖逆变器的理想运行区域，因此作为电动汽车用逆变器驱动时，能够实现降压、升压以及能量回馈。按照直流链电压增益将阴影I分为三个运行区域:升压运行、降压运行和能量回馈。

3.1 高速区-升压运行

当逆变器处于升压运行时，由于CSI逆变器中IGBT与二极管串联结构，导致CSI仅能实现能量的单向流动，使得直流链电流ipn仅具有单向流动性，其方向如图4所示。根据矢量控制原理，直流链电压表示为

由式(23)可知，Vpn随着θk的增加在每个扇区内产生周期波动，为了便于分析，求其平均值

由式(24)不难看出，当cosφ＞0时，有Vpn＞0，继而实现能量的正向流动;同时，为了使得新型电流源准Z源逆变器工作在最小应力的情况下，故要求系统工作在极限边界曲线式(20)上。

然而，为了保证电路连续稳定的运行，当逆变器处于有效和直通零状态时，二极管D须截止，有不等式

联立式(17)，取n=2得到

故电压升压比应小于3，结合式(20)，得到正常升压运行范围内输出-输入电压增益与cosφ、mc的对应关系，如图6(a)所示。

3.2 低速区-降压运行

当逆变器处于低速降压运行时，同样能量由电池经逆变器提供给电机负载，有Vpn/Vdc＞0，且联立等式(15)有:

故得到Da的取值范围，即2/3＜Da＜1。同时，为了使得新型电流源准Z源逆变器工作在最小应力的情况下，故要求系统工作在极限边界曲线式(22)上。

整理得到正常降压运行范围内输出-输入电压增益、cosφ与调制因数mc的对应关系，如图6(b)所示。

3.3 能量回馈

针对仅能实现单向能量流动的CSI而言，电机由电动模式转换为能量回馈模式时，常采用开关切换方式来完成电源极性的改变［19］。然而，新型电流型准Z源逆变器仅通过改变直流链电压极性而实现能量回馈。

当处于能量回馈运行时，根据式(23)，且考虑到电源电压Vdc极性无法改变，因此文中通过控制功率因数使其cosφ＜0，得到直流链电压增益Vpn/Vdc＜0，实现能量的反向流动。同样，联立式(15)并采用恒最大调制策略，存在

得到系统在能量反馈运行模式下Da的取值范围，即Da＜2/3。故在能量回馈模式下存在输出-输入电压增益、cosφ与调制因数mc的对应关系，如图6(c)所示。

图6 不同运行模式下输出-输入电压增益与功率因数和调制因数的关系Fig.6 The relationship among AC-DC voltage gain，power factor and modulation index during the different

4 实验结果

为了验证理论的正确性，搭建了一台电流型trans-Z源逆变器样机，其中控制芯片采用TI TMS320F2812，开关管(S1-S6)采用三菱PM400HSA120与二极管RM300HA-24F串联结构，交流滤波电容C=22μF，直流滤波电感Ldc=4 mH;Z源网络电容Cb=220μF，藕合电感L1=82 μH，L2=312μH;开关频率15 kHz;为了减小开关管电应力与开关损耗，开关管两端并联RC缓冲电路。

图7为升压运行模式下逆变器直流侧和交流侧电压、电流实验波形。其中mc=0.55，无开路零矢量，由于为阻感负载，功率因数为0.92。图中输出线电压峰值Vac=181V，输入电池电压为Vdc=78 V，此时输出电压增益为2.32，结果表明电流型trans-Z源逆变器能够实现宽范围升压，且与理论计算值一致。

图7 升压运行模式下输入输出实验波形Fig.7 Waveforms of the current-fed trans-Z-source inverter in Boost-mode operation

图8为降压运行模式下逆变器直流侧和交流侧电压、电流实验波形。其中mc=0.8，Dop=0.2，由于为阻感负载，功率因数为0.92。图中输出线电压峰值Vac=45 V，电池电压Vdc=78 V，此时输出电压增益为0.57，结果验证其降压特性，且与理论计算值一致。

图8 降压运行模式下输入输出实验波形Fig.8 Waveforms of the current-fed trans-Z-source inverter in Buck-m ode operation

图9为能量回馈模式下逆变器直流侧和交流侧电压、电流实验波形。其中mc=0.3，Dop=0.65，由于输出相电流与电压相位相差180°，此时功率因数为-1，电池吸收来自交流侧功率。图中输出线电压峰值Vac=90 V，输入电池电压为Vdc=25 V，此时输出电压增益为3.6，结果验证其能够实现能量回馈，且与理论计算值一致。

图9 能量回馈模式下输入输出实验波形Fig.9 W aveforms of the current-fed trans-Z-source inverter in regeneration-mode operation

5 结 论

本文针对新型电流型trans-Z源逆变器进行了详细的研究，对其稳态工作原理进行了深入研究，推导出直流链电压关系;详细分析了应用于电动汽车的系统升压、降压运行和能量回馈三种工作模式。在保持传统电流型逆变器优点的基础上，高性能电流型trans-Z源逆变器还具有如下的优点:

1)具有升降压功能，且利用藕合电感可将输出电压范围进一步提高。

2)能够实现功率的双向流动，即能运行在电驱动模式和能量回馈模式。

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(编辑:张诗阁)

Current source inverter fed electric vehiclemotor drive system w ith high performance

GUO Qiang， LIU He-ping， PENG Dong-lin
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Considering the tougher standards on operation temperature and reliability，an electric vehicle (EV)motor drive system based on current-fed trans-Z source inverter was presented.The inverter is a single-stage topology，which has Buck-Boost characteristic and achieves bidirectional power flow.The drive system can overcome the drawbacks of the traditional EV drives.It can realize output voltage range from 0 to any times of battery voltage，requires no DC bus capacitors，and provides sinusoidal voltage output to themotor，reduces the inverter cost and the failure rate.The different operation states and the equivalent circuits of the system were elaborated.The mapping relationship of multi-degrees of control freedom between duty ratios of open-zero states，non-open states and DC-link voltage gain was established.The available range for different operationmodeswas discussed，and ac voltage of inverter versus modulation index and power factor was clarified.A prototype of current-fed trans-Z-source inverter was built，the experimental results were presented to verify the theoretical analysis.

electric vehicle;current source inverter;trans-Z source;Buck-Boost;regeneration

10.15938/j.emc.2015.05.011

TM 46

A

1007-449X(2015)05-0074-07

2014-02-27

国家重点实验室自主研究项目(2007DA10512713302);国家自然科学基金重点资助项目(51127001)作者简介:郭 强(1957—)，男，博士研究生，研究方向为大功率整流器、新型逆变器;

刘和平(1990—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力传动及其控制技术、电动汽车;

彭东林(1952—)，男，教授，博士生导师，研究方向为精密测试技术及仪器。

郭 强