電動(dòng)汽車(chē)用高性能電流型trans-Z源逆變器特性研究

郭強(qiáng)， 劉和平， 彭東林

(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044))

電動(dòng)汽車(chē)用高性能電流型trans-Z源逆變器特性研究

郭強(qiáng)， 劉和平， 彭東林

(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044))

鑒于對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行溫度及可靠性的嚴(yán)格要求，提出基于高性能電流型trans-Z源逆變器電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其拓?fù)涫且环N具有升-降壓功能的單級(jí)逆變器，具有能量雙向流動(dòng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中缺點(diǎn)與不足:具有輸出電壓的任意升-降壓功能;無(wú)需直流母線電容，提供正弦驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)降低了硬件成本、提高了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。文中詳細(xì)分析了系統(tǒng)工作原理并推導(dǎo)出不同運(yùn)行模式的等效電路，建立多自由度控制下直通零狀態(tài)、開(kāi)路零狀態(tài)與直流鏈電壓增益的映射關(guān)系;明確了系統(tǒng)在不同模式下的運(yùn)行范圍，量化逆變器輸出電壓與控制變量及功率因數(shù)之間的關(guān)系。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性與實(shí)用性。

電動(dòng)汽車(chē);電流型逆變器;trans-Z源;升壓-降壓;能量回饋

0 引 言

目前，純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)采用電壓源型逆變器(voltage source inverter，VSI)作為其電驅(qū)動(dòng)功率變換單元，然而在直流鏈將產(chǎn)生大量紋波電流，需要并聯(lián)高性能電容加以吸收，故增加了控制器的成本與體積［1］。尤其在高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，電容器的使用壽命和處理紋波電流的能力迅速下降，既而降低逆變器的可靠性。此外，VSI還會(huì)受到來(lái)自同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管直通的威脅，為了防止直通的發(fā)生最為常用的方法是對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加入死區(qū)保護(hù)，但改變了原有調(diào)制信號(hào)的脈寬，導(dǎo)致輸出電流波形諧波畸變率增加，降低電機(jī)效率［2］。

電壓源型逆變器輸出電壓呈現(xiàn)脈沖序列，如圖1所示，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生高d v/d t的共模與差模電壓，增加繞組間的絕緣應(yīng)力，降低電機(jī)使用壽命;同時(shí)產(chǎn)生大量電磁干擾，影響其它設(shè)備的正常工作［3］。

圖1 兩種類(lèi)型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸出電壓、電流波形Fig.1 Schematics of the two types of inverters including output voltage and current waveform s

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)保持相同的輸出功率，增加動(dòng)力電池組電壓，工作電流將相應(yīng)減小，因此可以降低逆變器、電機(jī)以及連接導(dǎo)線的損耗，并且有效提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度。然而簡(jiǎn)單的電池多節(jié)串聯(lián)會(huì)引起電池間容量的不平衡，導(dǎo)致電池組中某一節(jié)或幾節(jié)的健康狀態(tài)下降，引起電池組過(guò)早失效［4-5］。

Z源、準(zhǔn)Z源逆變器的相繼提出，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能得到改善，但仍存在不足:直流鏈仍需要高容值電容器;實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)需要額外引入開(kāi)關(guān)［6-7］。

為了進(jìn)一步改善電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，本文采用電流型逆變器(current source inverter，CSI)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，與電壓型逆變器相比具有下述優(yōu)點(diǎn):允許橋臂直通;無(wú)需直流母線電容;輸出正弦電壓;具有電壓提升能力。目前，電流型逆變器已被應(yīng)用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)［8］，光伏并網(wǎng)發(fā)電［9］，風(fēng)力發(fā)電［10］等領(lǐng)域。然而，當(dāng)CSI作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)存在兩個(gè)問(wèn)題:其一，CSI為升壓型變換器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)降壓輸出;其二，功率單向流動(dòng)，無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)能量回饋。

電流型Z源逆變器的出現(xiàn)不僅繼承了傳統(tǒng)CSI中的優(yōu)點(diǎn)，兼具有升-降壓的能力，而且僅采用二極管便實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)［11-12］，但為了保證其正常運(yùn)行，最大升壓比受到限制［13］。作為對(duì)上述拓?fù)涞母倪M(jìn)，提出了基于Z源衍化出的新型拓?fù)潆娏餍蛅rans-Z逆變器［14］，在進(jìn)一步降低元器件數(shù)量的同時(shí)，利用藕合電感提高輸出電壓范圍。此外，隨著具有雙向阻斷能力的逆阻型IGBT的問(wèn)世，可以有效地提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和功率密度［15］。

本文詳細(xì)分析了電流型trans-Z源逆變器的工作原理，推導(dǎo)出不同運(yùn)行模式的等效電路，建立多自由度控制下直通零狀態(tài)、開(kāi)路零狀態(tài)與直流鏈電壓增益的映射關(guān)系;研究驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)狀態(tài)下升壓、降壓模式以及能量回饋模式的運(yùn)行范圍，量化逆變器輸出電壓與控制變量及功率因數(shù)之間的關(guān)系。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性與實(shí)用性。

1 傳統(tǒng)電流型逆變器

目前，電流型逆變器調(diào)制方式主要包括電流空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和正弦脈寬調(diào)制(SPWM)兩種方式。因SVPWM具有多自由度、高效性、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而多被采用［16］。

電流空間矢量包括6個(gè)有效電流矢量和3個(gè)零矢量，分別對(duì)應(yīng)著不同的開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中，參考電流矢量通過(guò)相鄰兩個(gè)有效電流矢量以及零矢量合成得到，即滿(mǎn)足

其中有效矢量Iα，Iβ以及零矢量I0占空比表達(dá)式有:

其中:θk為電流矢量在某一扇區(qū)內(nèi)的相對(duì)扇區(qū)角，且θk∈［0，π/3］;調(diào)制因數(shù)mc=Im/Idc，mc∈［0，1］; Im為輸出網(wǎng)側(cè)電流峰值，Idc為直流側(cè)電流;引入三相電壓與參考電流矢量初始相位差φ，則θk=π/6+ (kωiTs-φ)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)輸出相電流的平均值為

由式(2)與式(3)可得到三相輸出電流

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，忽略逆變器損耗，有

式中:Vm為輸入相電壓峰值;cosφ為輸出功率因數(shù)。

等式(5)經(jīng)整理得到

從等式(6)中不難看出電流源逆變器為升壓變換器，且輸出功率因數(shù)越低或調(diào)制因數(shù)越小時(shí)，輸出電壓將越高。顯然，電流源逆變器應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)大的啟動(dòng)電流且不利于電機(jī)低速平穩(wěn)運(yùn)行;同樣，由于直流側(cè)供電電源為電池組，電壓極性不能改變，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量的回饋。因此，傳統(tǒng)CSI不能直接作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)逆變器。

2 電流型trans-Z源逆變器

2.1 電路拓?fù)?/p>

新型電流型準(zhǔn)Z源逆變器是將trans-Z源網(wǎng)絡(luò)引入到傳統(tǒng)CSI中，繼而形成電流型trans-Z源逆變器，不僅保持傳統(tǒng)CSI的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)和電壓的升-降壓輸出，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)CSI相比，僅增加包括二極管D1、電容Cz和藕合電感L1、L2在內(nèi)的四個(gè)無(wú)源器件。與傳統(tǒng)電流型Z源逆變器相比，兩個(gè)獨(dú)立電感被藕合電感取代，通過(guò)改變?cè)褦?shù)比從而有效提高輸出電壓范圍。

至此，電流型trans-Z逆變器包括幾方面的優(yōu)點(diǎn):拓?fù)鋬H為單級(jí)功率電路、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;無(wú)需直流母線電容;同時(shí)具有升壓、降壓功能;改善可靠性以及能量雙向流動(dòng)。

圖2 新型電流型準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)銯ig.2 Topology of current-fed trans-Z-source inverter

2.2 工作原理分析

對(duì)于傳統(tǒng)CSI，開(kāi)路狀態(tài)是嚴(yán)格禁止的，但電流型Z源逆變器將開(kāi)路零狀態(tài)作為其正常運(yùn)行狀態(tài)，如圖3所示，通過(guò)合理分配直通零矢量與開(kāi)路零矢量作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)逆變器升-降壓輸出。因此，電流型Z源逆變器除了包括傳統(tǒng)CSI中9個(gè)電流矢量狀態(tài)外，額外增加兩個(gè)開(kāi)路零狀態(tài):上橋臂(S1，S3，S5)同時(shí)關(guān)斷及下橋臂(S4，S6，S2)同時(shí)關(guān)斷。

圖3 新型電流型trans-Z源逆變器調(diào)制信號(hào)Fig.3 M odulation signals for new current-fed trans-Z-source inverter

由此可知，新型電流型trans-Z源逆變器包括三種工作狀態(tài):有效狀態(tài)、直通零狀態(tài)和開(kāi)路零狀態(tài)，當(dāng)假設(shè)任意開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的時(shí)間占空比分別為Da、Dsh和Dop，且一定滿(mǎn)足Da+Dsh+Dop=1;為了便于電路分析，圖4中的藕合電感L1、L2采用其等效電氣模型結(jié)構(gòu)［17］，得到三種狀態(tài)下的等效電路模型:

1)有效狀態(tài)時(shí):等效電路如圖4(a)所示，逆變器工作在有效矢量狀態(tài)，從trans-Z源網(wǎng)絡(luò)的直流鏈角度，將逆變器側(cè)等效為一個(gè)電壓源，此時(shí)二極管D關(guān)斷，直流鏈電壓為相應(yīng)有效矢量作用下的線電壓值，假定其平均值恒定不變，即vpn=Vpn，且電容電流表達(dá)式有

2)直通零狀態(tài):等效電路如圖4(b)所示，二極管D關(guān)斷，逆變器側(cè)被短路，其直流鏈電壓vpn=0，電容電流表達(dá)式有

3)開(kāi)路零狀態(tài):等效電路如圖4(c)所示，二極管D導(dǎo)通，而逆變橋中所有開(kāi)關(guān)管均被關(guān)斷，電容電流表達(dá)式有

假設(shè)直流輸入側(cè)電流紋波與勵(lì)磁電流紋波較小，可忽略不計(jì)，有im=Im，idc=Idc。其中Im表示勵(lì)磁電流直流分量，而Idc表示直流側(cè)電流直流分量。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)電容的安秒平衡法則，可得

圖4 新型電流型準(zhǔn)Z源逆變器等效電路圖Fig.4 Equivalent circuits of new current-fed trans-Z-source inverter

整理式(10)得到

將式(7)和(8)代入式(11)，得到直通零狀態(tài)和有效狀態(tài)下直流鏈電流峰值

當(dāng)處于開(kāi)路零狀態(tài)時(shí)，存在電路關(guān)系vL1=Vc，vL2=nvL1，故可導(dǎo)出該狀態(tài)下直流鏈電壓

通過(guò)之前對(duì)電路的分析，三種狀態(tài)下直流電感L的電壓VL，分別為Vdc-Vpn，Vdc，Vdc-(n+1)Vc;并根據(jù)電感伏秒法則，得到

在穩(wěn)態(tài)情況下有Vdc=Vc，整理式(14)得

明顯，直流電壓增益Vpn/Vdc由相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)控制變量(Dop和Da)共同決定。利用式(15)中兩個(gè)極限邊界狀態(tài):Dop=0和Dsh=0，繪出直流電壓增益Vpn/Vdc與Da的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 電流型trans-Z源逆變器直流鏈輸出電壓增益Fig.5 DC-link output voltage gain of new current-fed trans-Z-source inverter

當(dāng)Dop=0時(shí)，Vpn/Vdc=1/Da，獲得與傳統(tǒng)CSI相同的直流電壓增益，隨著Da減小，增益比不斷增加，從而形成最大電壓增益極限邊界;而當(dāng)Dop= 1-Da時(shí)，即傳統(tǒng)零矢量作用時(shí)間全部轉(zhuǎn)化為開(kāi)路零狀態(tài)，Vpn/Vdc=n+1-n/Da，隨著Da的減小，其電壓增益比隨之降低，從而形成最小電壓增益極限邊界。如圖5所示，藕合電感匝數(shù)比逐漸增大時(shí)，當(dāng)n由1增加到3時(shí)，其運(yùn)行區(qū)域由區(qū)域I擴(kuò)充至區(qū)域Ⅰ、ⅡI和Ⅲ之和，運(yùn)行范圍顯著增加;當(dāng)0＜Dop＜1-Da時(shí)，直流電壓增益位于兩個(gè)極限邊界之間，同一電壓增益對(duì)應(yīng)著Dop與Da不同分配方式，因此需要合理控制以獲得所需的直流鏈電壓增益。

2.3 輸出-輸入電壓增益

經(jīng)過(guò)上述推到，現(xiàn)已建立直流鏈電壓與輸入電壓關(guān)系，由圖5及公式(15)所示。然而，在實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略中，往往需要控制逆變器交流輸出電壓，因此有必要對(duì)新型電流型trans-Z源逆變器輸出-輸入電壓增益進(jìn)行分析、推導(dǎo)。

基于SVPWM調(diào)制原理，當(dāng)電流合成矢量位于扇區(qū)I時(shí)，θk∈［0，π/3］，由式(2)推到得到

由式(16)可知，Da隨扇區(qū)角θk的變化呈周期變化，且當(dāng)θk=30°時(shí)，占空比Da有最大值，即Dmaxa=

mc得到交流側(cè)線電流峰值的表達(dá)式

根據(jù)功率平衡理論，忽略能量變換中間環(huán)節(jié)的損耗，建立直流側(cè)與交流輸出側(cè)等式關(guān)系

其中Vlin表示輸出側(cè)線電壓峰值;聯(lián)立(12)和(17)并代入式(18)，得到

當(dāng)Dop=0時(shí)，表示新型電流源準(zhǔn)Z源逆變器的零狀態(tài)中無(wú)開(kāi)路零狀態(tài)，式(16)可簡(jiǎn)化為

得到與傳統(tǒng)CSI相同的輸出-輸入電壓增益。

當(dāng)Dop=1-Da時(shí)，傳統(tǒng)零矢量作用時(shí)間全部轉(zhuǎn)化為開(kāi)路零狀態(tài)，為了獲得不同占空比Da所對(duì)應(yīng)的極限輸出-輸入電壓增益，故采用恒定升壓比控制策略［18］，即

將式(21)代入式(19)中，有

由式(20)和(22)表明，兩種運(yùn)行模式下，線電壓與輸入電壓的比值都僅與調(diào)制因數(shù)mc和輸出功率因數(shù)cosφ有關(guān)，且通過(guò)對(duì)兩種模式有效切換以及合理控制mc，可以實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的升壓、降壓運(yùn)行。

3 運(yùn)行模式分析

如圖5所示，當(dāng)有匝數(shù)比n=2時(shí)，兩條邊界曲線所圍成的陰影部分I涵蓋逆變器的理想運(yùn)行區(qū)域，因此作為電動(dòng)汽車(chē)用逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)降壓、升壓以及能量回饋。按照直流鏈電壓增益將陰影I分為三個(gè)運(yùn)行區(qū)域:升壓運(yùn)行、降壓運(yùn)行和能量回饋。

3.1 高速區(qū)-升壓運(yùn)行

當(dāng)逆變器處于升壓運(yùn)行時(shí)，由于CSI逆變器中IGBT與二極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CSI僅能實(shí)現(xiàn)能量的單向流動(dòng)，使得直流鏈電流ipn僅具有單向流動(dòng)性，其方向如圖4所示。根據(jù)矢量控制原理，直流鏈電壓表示為

由式(23)可知，Vpn隨著θk的增加在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)產(chǎn)生周期波動(dòng)，為了便于分析，求其平均值

由式(24)不難看出，當(dāng)cosφ＞0時(shí)，有Vpn＞0，繼而實(shí)現(xiàn)能量的正向流動(dòng);同時(shí)，為了使得新型電流源準(zhǔn)Z源逆變器工作在最小應(yīng)力的情況下，故要求系統(tǒng)工作在極限邊界曲線式(20)上。

然而，為了保證電路連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，當(dāng)逆變器處于有效和直通零狀態(tài)時(shí)，二極管D須截止，有不等式

聯(lián)立式(17)，取n=2得到

故電壓升壓比應(yīng)小于3，結(jié)合式(20)，得到正常升壓運(yùn)行范圍內(nèi)輸出-輸入電壓增益與cosφ、mc的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6(a)所示。

3.2 低速區(qū)-降壓運(yùn)行

當(dāng)逆變器處于低速降壓運(yùn)行時(shí)，同樣能量由電池經(jīng)逆變器提供給電機(jī)負(fù)載，有Vpn/Vdc＞0，且聯(lián)立等式(15)有:

故得到Da的取值范圍，即2/3＜Da＜1。同時(shí)，為了使得新型電流源準(zhǔn)Z源逆變器工作在最小應(yīng)力的情況下，故要求系統(tǒng)工作在極限邊界曲線式(22)上。

整理得到正常降壓運(yùn)行范圍內(nèi)輸出-輸入電壓增益、cosφ與調(diào)制因數(shù)mc的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6(b)所示。

3.3 能量回饋

針對(duì)僅能實(shí)現(xiàn)單向能量流動(dòng)的CSI而言，電機(jī)由電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換為能量回饋模式時(shí)，常采用開(kāi)關(guān)切換方式來(lái)完成電源極性的改變［19］。然而，新型電流型準(zhǔn)Z源逆變器僅通過(guò)改變直流鏈電壓極性而實(shí)現(xiàn)能量回饋。

當(dāng)處于能量回饋運(yùn)行時(shí)，根據(jù)式(23)，且考慮到電源電壓Vdc極性無(wú)法改變，因此文中通過(guò)控制功率因數(shù)使其cosφ＜0，得到直流鏈電壓增益Vpn/Vdc＜0，實(shí)現(xiàn)能量的反向流動(dòng)。同樣，聯(lián)立式(15)并采用恒最大調(diào)制策略，存在

得到系統(tǒng)在能量反饋運(yùn)行模式下Da的取值范圍，即Da＜2/3。故在能量回饋模式下存在輸出-輸入電壓增益、cosφ與調(diào)制因數(shù)mc的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6(c)所示。

圖6 不同運(yùn)行模式下輸出-輸入電壓增益與功率因數(shù)和調(diào)制因數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship among AC-DC voltage gain，power factor and modulation index during the different

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論的正確性，搭建了一臺(tái)電流型trans-Z源逆變器樣機(jī)，其中控制芯片采用TI TMS320F2812，開(kāi)關(guān)管(S1-S6)采用三菱PM400HSA120與二極管RM300HA-24F串聯(lián)結(jié)構(gòu)，交流濾波電容C=22μF，直流濾波電感Ldc=4 mH;Z源網(wǎng)絡(luò)電容Cb=220μF，藕合電感L1=82 μH，L2=312μH;開(kāi)關(guān)頻率15 kHz;為了減小開(kāi)關(guān)管電應(yīng)力與開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RC緩沖電路。

圖7為升壓運(yùn)行模式下逆變器直流側(cè)和交流側(cè)電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形。其中mc=0.55，無(wú)開(kāi)路零矢量，由于為阻感負(fù)載，功率因數(shù)為0.92。圖中輸出線電壓峰值Vac=181V，輸入電池電壓為Vdc=78 V，此時(shí)輸出電壓增益為2.32，結(jié)果表明電流型trans-Z源逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍升壓，且與理論計(jì)算值一致。

圖7 升壓運(yùn)行模式下輸入輸出實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Waveforms of the current-fed trans-Z-source inverter in Boost-mode operation

圖8為降壓運(yùn)行模式下逆變器直流側(cè)和交流側(cè)電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形。其中mc=0.8，Dop=0.2，由于為阻感負(fù)載，功率因數(shù)為0.92。圖中輸出線電壓峰值Vac=45 V，電池電壓Vdc=78 V，此時(shí)輸出電壓增益為0.57，結(jié)果驗(yàn)證其降壓特性，且與理論計(jì)算值一致。

圖8 降壓運(yùn)行模式下輸入輸出實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Waveforms of the current-fed trans-Z-source inverter in Buck-m ode operation

圖9為能量回饋模式下逆變器直流側(cè)和交流側(cè)電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形。其中mc=0.3，Dop=0.65，由于輸出相電流與電壓相位相差180°，此時(shí)功率因數(shù)為-1，電池吸收來(lái)自交流側(cè)功率。圖中輸出線電壓峰值Vac=90 V，輸入電池電壓為Vdc=25 V，此時(shí)輸出電壓增益為3.6，結(jié)果驗(yàn)證其能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋，且與理論計(jì)算值一致。

圖9 能量回饋模式下輸入輸出實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 W aveforms of the current-fed trans-Z-source inverter in regeneration-mode operation

5 結(jié) 論

本文針對(duì)新型電流型trans-Z源逆變器進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)其穩(wěn)態(tài)工作原理進(jìn)行了深入研究，推導(dǎo)出直流鏈電壓關(guān)系;詳細(xì)分析了應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)升壓、降壓運(yùn)行和能量回饋三種工作模式。在保持傳統(tǒng)電流型逆變器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，高性能電流型trans-Z源逆變器還具有如下的優(yōu)點(diǎn):

1)具有升降壓功能，且利用藕合電感可將輸出電壓范圍進(jìn)一步提高。

2)能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，即能運(yùn)行在電驅(qū)動(dòng)模式和能量回饋模式。

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(編輯:張?jiān)婇w)

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

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目(2007DA10512713302);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51127001)作者簡(jiǎn)介:郭 強(qiáng)(1957—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榇蠊β收髌?、新型逆變?

劉和平(1990—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏鲃?dòng)及其控制技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē);

彭東林(1952—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫軠y(cè)試技術(shù)及儀器。

郭 強(qiáng)