谐振网络阻抗特性与控制策略
其中，uin和ir分别为谐振回路输入电压和电流，Lr、Cr分别为谐振电感和谐振电容，Cb为隔直电容，Leq、Req分别为无极灯参数映射到耦合线圈原边的等效电感和等效电阻，分别为（式略）控制变量的选取本文采用锁相环控制技术跟踪谐振参数变化，使电路工作在谐振点附近。由于在谐振点处输出功率最大，要实现最大功率输出的闭环控制，控制变量在谐振频率附近区域应是单调函数，否则在谐振参数变化时有可能会使系统工作在正反馈状态，使系统工作不稳定。因此，闭环控制变量选取至关重要。谐振网络输入电压uin和谐振电容电压uCr在谐振点处的相位关系为（式略）仿真时保持两个谐振参数不变，只改变一个谐振参数，分别得到三组输出功率以及谐振电容电压uCr和谐振网络输入电压uin间相位差θ=arg(uCr(ω)/uin(ω))，随频率变化的曲线。以各变量参数为:Lr=250μH，Leq=156μH，Cr=5.6nF，Cb=0.1μF为例，仿真得到的谐振频率为218.827kHz，根据式(3)计算得到的值为216.999kHz，误差很小。，在负载谐振点处，输出功率曲线也达到最高点。此时，谐振电容电压uCr与谐振网络输入电压uin相位差近似为－90°;同时，在一个相当大的频段内，arg(uCr(ω)/uin(ω))是单调函数，因此通过采集谐振网络输入电压uin与谐振电容电压uCr相位差实现锁相闭环控制，可使电路工作在最佳状态。控制方案的实现根据上述分析设计图4控制方案。启动时，控制电路通过扫频寻找谐振网络的谐振频率，谐振点处产生瞬时高压将灯点亮。在谐振点处进行锁相设计，通过异或门鉴相器检测谐振网络输入电压uin和谐振电容电压uCr的相角，并以方波的形式输出关于相差的函数Ud(t)。为滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声方波信号，增加系统稳定，锁相环中设置了无源RC低通滤波器。滤波器输出的电压幅值被输入到PI调节器中。PI调节器的基准值是当谐振电容电压uCr与谐振网络输入电压uin之间的相位差为－90°时对应的电压幅值。通过PI调节器之后，误差信号输入到压控振荡器VCO中，经过驱动电路产生半桥谐振逆变电路开关管驱动信号。只要电路没有工作在谐振点处，压控振荡器就会不断调整输出频率，直到二者相等。因此，正常运行时能够自动跟踪电路的谐振频率，实现谐振变换器与灯负载的动态匹配。
电路仿真与实验结果
为了验证理论分析的合理性，对无极灯电子镇流器电路进行了仿真和实验验证。直流母线电压Udc=380V，选取谐振电感Lr=216μH，负载电感Lc=120μH，隔直电容Cb=0.1μF。通过改变谐振电容Cr的取值来改变负载等效参数，进而改变电路的固有谐振频率。为了使半桥逆变器的功率开关工作在零电压开关状态，把谐振网络输入电压uin与谐振电容电压uCr相位差设定在使半桥电路工作在略微感性的状态。为不同谐振电容Cr时谐振网络输入电压uin和谐振电容电压uCr的仿真和实验波形。可以看出，当谐振电容Cr的取值变化时，谐振网络输入电压uin与谐振电容电压uCr相位差几乎不变，系统能够自动跟踪固有谐振频率的变化。为不同谐振电容对应的谐振频率理论计算值与实测值对比。考虑到半桥电路死区时间和偏感性的工作状态，表1中谐振网络输入电压uin与谐振电容电压uCr相位差理论计算值由式（式略）
结论
本文针对无极灯系统由于参数变化导致负载固有谐振点偏移的问题，对负载谐振回路的特性进行分析，在此基础上提出了一种采用以相位差作为控制变量的锁相环技术使系统工作频率跟踪负载固有谐振频率的控制方法，同时给出了锁相环的设计，并通过仿真和实验验证了这种锁相环频率跟踪方法对于谐振点的变化有效地进行了跟踪，从而使电子镇流器工作在有最大功率输出和最佳负载匹配的最佳工作点。
作者：沈豫 林国庆 唐建山 单位：福州大学电气工程与自动化学院
