開關(guān)電源中變壓器的Saber仿真輔助設(shè)計(jì)一反激要點(diǎn)

1、經(jīng)常在論壇上看到變壓器設(shè)計(jì)求助，包括：計(jì)算公式，優(yōu)化方法，變壓器損耗，變壓器飽和,多大的變壓器合適啊？其實(shí)，只要我們學(xué)會(huì)了用Saber這個(gè)軟件，上述問(wèn)題多半能夠獲得相當(dāng)滿意的解決。一、Saber在變壓器輔助設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)：1由于Saber相當(dāng)適合仿真電源，因此對(duì)電源中的變壓器營(yíng)造的工作環(huán)境相當(dāng)真實(shí)，變壓 器不是孤立地被防真，而是與整個(gè)電源主電路的聯(lián)合運(yùn)行防真。主要功率級(jí)指標(biāo)是相當(dāng)接近真實(shí)的，細(xì)節(jié)也可以被充分體現(xiàn)。2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基礎(chǔ)之上的，能夠比較真實(shí)的反映材料在復(fù)雜電氣 環(huán)境中的表現(xiàn)，從而可以使我們得到諸如氣隙的精確開度、抗飽和安全余量、磁損這樣一些用平常手段很難獲得的

2、寶貴設(shè)計(jì)參數(shù)。3、 作為一種高性能通用仿真軟件，Saber并不只是針對(duì)個(gè)別電路才奏效，實(shí)際上，電力電子領(lǐng)域所有電路拓?fù)渲械淖儔浩鳌㈦姼性?，我們都可以把他們置于真?shí)電路的仿真環(huán)境中來(lái)求解。從而放棄大部分繁雜的計(jì)算工作量，極大地加快設(shè)計(jì)進(jìn)程， 并獲得比手工計(jì)算更加合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。4、由于變壓器是置于真實(shí)電路的仿真環(huán)境中求解的，所有與變壓器有關(guān)的電路和器件均能夠被聯(lián)合仿真，對(duì)變壓器的仿真實(shí)際上成了對(duì)主電路的仿真，從而不僅能夠獲得變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)，還同時(shí)獲得整個(gè)電路的運(yùn)行參數(shù)以及主要器件的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。Saber中的變壓器我們用得上的Saber中的變壓器是這些：（實(shí)際上是我只會(huì)用這些Browse S

3、earch Search DbiectString, ConhFdM Found: 5439T rnsformer, 2 Wind LinearT rnsformer, 2 Wind Nonlinear T ransformer, 3 Wind LinearT ransforHer, 3 Wind Nonlineaf Tranjformer, 4 Wind LinearTransformer, 4 Wind Nonlinear T ransfamer, 5 Wind LinearT r-ir-ffofmer. 5 Wind N 訥in諭 Trdn.=fornrL&r, 6 Wind Linea

4、rT ransformeL 6 Wind Nonlinear分別是:xfrl線性變壓器模型，26繞組xfrnl非線性變壓器模型，26繞組單繞組的就是電感模型：也分線性和非線性2種-Czi Iricfuubars & 匚ciupliiiciInductor -inductor 1Iricfuctou Coupling Coef. (I Inductou Nonlinear Inductor, Nonlinear (I)線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以 2繞組為例）t Attributes HlpNdmeValueQualifier|Any QualifierHelp: persisten1: librar

5、yOK1CancelApply其中:Ip初級(jí)電感量Is 次級(jí)電感量np、ns初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)，只是顯示用，不是真參數(shù)，可以不設(shè)置rp、rs初級(jí)、次級(jí)繞組直流電阻值，默認(rèn)為 0，實(shí)際應(yīng)該是該繞組導(dǎo)線的實(shí)測(cè)或者計(jì)算電阻值，在沒(méi)有得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)前，建議至少設(shè)置一個(gè)非0值，比如1p（ 1微微歐姆）k 偶合（互感）系數(shù)，建議開始設(shè)置為1，需要考慮漏感影響時(shí)再設(shè)置為低于1的值。需要注意的是，k為0。 99時(shí)，漏感并不等于Ip 或者Is 的1/100。漏感究竟是多少， 后述。其他設(shè)置項(xiàng)我沒(méi)有用過(guò)，不懂的可以保持默認(rèn)值。非線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以 2繞組為例）Edit Attributes KelpQualiher

6、:Any QualifierGKCancel其中：np、ns初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)rp、rs 初級(jí)、次級(jí)繞組直流電阻值area 磁芯截面積，即Ae ,單位平方米，84.8u即84.8微平方米，也就是84.8平方毫 米。len_fe磁路長(zhǎng)度，單位米，這里的 69.7m 是EE3528磁芯的數(shù)據(jù)len air氣隙長(zhǎng)度，單位米，這里的1.8m是最后獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。matl磁芯材質(zhì)，下一講了其他參數(shù)我也不會(huì)用，特別是沒(méi)有找到表達(dá)漏感的設(shè)置。有了 Saber中這兩類變壓器模型，基本上足以應(yīng)付針對(duì)變壓器的仿真了。他們的特點(diǎn)是，xfrl模型速度快，不會(huì)飽和，而且有漏感表達(dá)，xfrnl模型真實(shí)，最后得出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主

7、要靠它了。應(yīng)用這兩個(gè)模型有幾個(gè)小技巧需要掌握：1、 已知lp、Is 求匝比，或者已知lp、匝比求ls2、已知線徑、股數(shù)、匝數(shù)、溫度，計(jì)算繞組電阻值3、 已知磁芯型號(hào)，查磁芯手冊(cè)獲得area、len_fe 參數(shù) 附件:（磁芯手冊(cè)）三、Saber中的磁性材料總共在Saber（2007）中找到9種材質(zhì)的磁心，參數(shù)如下：測(cè)遐枚據(jù)1菲利普磁芯手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)材處導(dǎo)磁率B導(dǎo)磁率E說(shuō)明3E51000034010000380適合在寬帶或EMI濾液中使用高導(dǎo)材料。3E2A4500380無(wú)數(shù)據(jù)3F330004102000功奉或一般用途的中頻 2-0. 5冊(cè)幻材初3B726004.002300440低頻（最高0. l

8、NHz）lSS材料。3C82400440無(wú)數(shù)據(jù)（可以代替PC40材匱）3C6A22004B0無(wú)數(shù)據(jù)3C852000440無(wú)數(shù)據(jù)3B91750410無(wú)數(shù)據(jù)3D37503S0750.380中頻音頻材料Q 2MHZ）4C41202S0無(wú)數(shù)據(jù)Saber的磁心采用的是飛利浦的材質(zhì)系列， 但是不知道什么原因除了表中黃色部分的 4種材 質(zhì)外，查不到其他材質(zhì)的文檔。 因此采用了類比法用仿真求出了其他材質(zhì)的主要參數(shù)。 類比 法用的仿真電路實(shí)際上是個(gè)電橋，如圖：20.010.00.0-2C.O-I-20 000 EOClj200 u 0u200 u4)0 u電路左右對(duì)稱分流，左邊是一線性（理想）電感做參照，右邊是

9、需要檢測(cè)的非線性電感或者變壓器。當(dāng)信號(hào)源很小時(shí)，比如 1mV特定已知的材質(zhì)（比如“ 3D3）磁芯電感通過(guò)較大阻值的電 阻分壓后可得到一基準(zhǔn)端電壓，不同材質(zhì)可得到一系列相對(duì)端電壓，并與其初始導(dǎo)磁率成比例關(guān)系，從而獲得表中系列材質(zhì)的測(cè)試初始導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)。當(dāng)信號(hào)源較大時(shí)，加大電流到適當(dāng)?shù)某潭?，被測(cè)試電感會(huì)出現(xiàn)臨界飽和跡象（如圖中右窗口波形剛開始變形），類比可得到各系列材質(zhì)的測(cè)試B值。這個(gè)類比電橋也是以后要用到的線性變壓器和非線性變壓器的參數(shù)轉(zhuǎn)換電路，附后，需要的可以下載。遺憾的是，可選擇的材質(zhì)實(shí)在太少，盡管Saber有專門針對(duì)磁性材料的建模工具， 但是工程 上常用的TDK系列，美芯、美磁等標(biāo)準(zhǔn)磁心都沒(méi)

10、有開發(fā)對(duì)應(yīng)的 Saber磁芯材質(zhì)模型，這個(gè)重 要的工作有待有心人或者廠家跟進(jìn)（我覺得起碼廠家應(yīng)該花錢完善自己的磁材模型）。所幸的是，我們做開關(guān)電源中的變壓器使用得最多的錳鋅鐵氧體功率磁芯PC40材質(zhì)，可以用“ 3C8材質(zhì)完全代替，很多實(shí)例反復(fù)證明，用“ 3C8代替PC40材質(zhì)仿真變壓器或者 PFC 電感是非常準(zhǔn)確的，仿真獲得的各種參數(shù)誤差已經(jīng)小于PC4 0材料本身參數(shù)的離散性（幾個(gè)百分點(diǎn)）。四、輔助設(shè)計(jì)的一般方法和步驟1、開環(huán)聯(lián)合仿真 首先需要搭建在變壓器所在拓?fù)涞碾娐?，在最不利設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行開環(huán)仿真。 為保證仿真成功，一般先省略次要電路結(jié)構(gòu)，比如控制、保護(hù)環(huán)路以及輸入輸出濾波環(huán)節(jié)， 盡量保持

11、簡(jiǎn)潔的主電路結(jié)構(gòu)。器件可以使用參數(shù)模型（ _sl 后綴 ） 甚至理想模型。變壓器、電感一般先采用線性模型。此階段仿真主要調(diào)整并獲得變壓器初、 次級(jí)最合適電感量， 或者電感量允許范圍。 需要反復(fù) 調(diào)整，逐漸加上濾波和物理器件模型，最后獲得如下參數(shù)：變壓器初級(jí)最佳電感量 lp變壓器次級(jí)電感量及大致的匝比變壓器初級(jí)繞組上的電流波形，主要是峰值電流 Im電路中其他電感的 lp 、 Im 值。2、變壓器仿真將上述仿真獲得的 （參照） 變壓器復(fù)制到 4 樓所述的類比仿真電橋中的一測(cè)， 另一側(cè)用一個(gè) 對(duì)應(yīng)的非線性（目標(biāo)）變壓器。注意： 所有變壓器各繞組都要接地， 一次仿真只能針對(duì)一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組， 且繞組電阻

12、 rx 不 能為 0。對(duì)稱調(diào)整電路電流，使參照變壓器初級(jí)上的峰值電流 = Im ，這里波形和頻率不重要，可以 直接用工頻正弦。對(duì)目標(biāo)變壓器設(shè)置和調(diào)整不同的參數(shù)， 包括：磁芯型號(hào)參數(shù)、 匝數(shù)、氣隙開度，一般用“ 3C8” 材質(zhì)。調(diào)整目標(biāo)是使電橋平衡，即類比電橋兩邊獲得同樣幅度的不失真波形。調(diào)整中有個(gè)優(yōu)化參數(shù)的問(wèn)題， 由于 Im 是確定的， 在這個(gè)偏置電流下， 首先是要找到一款最 小的磁芯， 適當(dāng)?shù)脑褦?shù)和氣隙開度， 能夠使其達(dá)到參照電感量。換句話說(shuō)， 如果選用再小一 號(hào)的磁芯則不能達(dá)到此目的（要飽和）。其中，匝數(shù)和氣隙開度有微妙之關(guān)系，一般方法應(yīng)該首先求得（調(diào)試得）該磁芯在 Im 條 件下可能獲得

13、的最大電感量的氣隙開度， 保持該氣隙開度不變， 再減少匝數(shù)直到需要的參照 的電感量。 這樣的好處是：可以獲得最大的抗飽和安全余量、 最少的匝數(shù)（最小的繞組電阻 和窗口占用）。其中：抗飽和安全系數(shù) = 臨界飽和電流 / Im 。3、再度聯(lián)合仿真再行仿真。把類比得到的非線性（目標(biāo)）變壓器代替第一步驟聯(lián)合仿真電路中的線性變壓器， 其中，由于匝數(shù)已經(jīng)求得，可通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可求得繞組電阻，應(yīng)修改模型中這個(gè)參數(shù)?，F(xiàn)在的仿真更接近真實(shí)的仿真，可以進(jìn)一步觀察變壓器在電路中的表現(xiàn)，或許進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化之。采用同樣的手段，其他電感也應(yīng)該逐個(gè)非線性化，飽和電感、等效漏感等也應(yīng)納入聯(lián)合仿真。其中：變壓器損耗=變壓器輸入功

14、率-變壓器輸出功率電感損耗功率=（電感端電壓波形 x電感電流波形）平均值電感、變壓器繞組銅損 =（電感、變壓器繞組端電壓波形）有效值 /繞組歐姆電阻rx） 平均值磁損=總損耗-銅損，或者，磁損 =繞組電阻為0的變壓器損耗。五、設(shè)計(jì)舉例一：反激變壓器1、開環(huán)聯(lián)合仿真以100W2 4V全電壓反激變換器為例，最簡(jiǎn)潔的開環(huán)仿真電路如圖（仿真壓縮文件FB1附后）： 注：這里采用無(wú)損吸收方式，以便更仔細(xì)的觀察吸收的細(xì)節(jié)和效果。xfri2D1Iiyv26c廠+ 2Qu 0.2LR4Q0uQ110uEJ1spwi I nsossmuri520D3C2-Rz2200 li4 SPWM主要設(shè)計(jì)參數(shù)為: 輸入電壓

15、85265VAC對(duì)應(yīng)最低 100VDC 最高375VDC直流電壓(Volts Direct Current)輸出電壓24V 輸出功率100W考慮過(guò)載20%即120W對(duì)應(yīng)負(fù)載阻抗 4.8歐姆PWM頻率 50KHZ先采用一個(gè)2繞組線性變壓器仿真。先初步擬訂的變壓器參數(shù)如下:其中暫定的偶合系數(shù) k=0.985，可表達(dá)約3%的典型漏感。先用極端高壓（375VDC仿這個(gè)電路：占空設(shè)在0.2左右。調(diào)整變壓器次級(jí)電感Is，使輸出達(dá)到24V。觀察Q1的電壓波形，電壓應(yīng)力明顯分為兩部分，一部分是匝比引起的反射電壓，最前端還 有個(gè)漏感引起的尖峰電壓。D3的電壓波形亦如此。400.0-200 0-200.0-19m

16、. 119-fVti1.92rn二tfsl增加Is 值可以降低Q1的反射電壓，同時(shí)增加D3的反射電壓。調(diào)整Is使Q1的反射電壓 低于一個(gè)可以接受的值，D3選擇范圍較寬，可暫不仔細(xì)追究。增加吸收（即C1容量）可以降低漏感尖峰電壓，同時(shí)調(diào)整L1電感量使C1電壓剛好可以放電到0V,最終使尖峰電壓低于一個(gè)可以接受的值。不同Ip的值對(duì)應(yīng)一個(gè)恰當(dāng)?shù)腎s 值，可以獲得一個(gè)最大的占空比，足夠的占空比才能保 證高壓輕載的調(diào)節(jié)性能。以上調(diào)整應(yīng)始終使輸出保持在24V條件下進(jìn)行。在C1=15nF, L仁470uH條件下，可以得到如下一組數(shù)據(jù)：占空比Ip(uH)Is(uH)尖峰電壓反射電壓0.2453524572491

17、0.22460265644780.2390265564670.1832530511456我們暫時(shí)按照占空比=0.22這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。再用極端低壓（100VDC仿這個(gè)電路增加占空比，直到輸出達(dá)到24V，此時(shí)占空比0.521 觀察原邊繞組電流波形，可以看出還有相當(dāng)程度的電流連續(xù)（模式）。4032.00平均電流1.72A，峰值電流lm=4.17A附：聯(lián)合仿真電路五、設(shè)計(jì)舉例一：反激變壓器（續(xù)）2、變壓器仿真將上述線性變壓器 B1復(fù)制到類比仿真電橋的左邊，同時(shí)在右邊放一個(gè)非線形變壓器B2,初步擬訂磁芯為EE2825,接線和初步設(shè)置的參數(shù)如圖：330u14巧 IIsnismNameValueQ

18、ualifisr：Anjj QmlilHefac調(diào)整電源電壓（41.8V），使B1初級(jí)回路的峰值電流剛好達(dá)到lm=4.17A 檢測(cè)此時(shí)B1的pp腳電壓。調(diào)整B2初級(jí)匝數(shù)使兩邊pp腳電壓達(dá)到同樣的值（即感抗相等 電橋平衡），得到初級(jí) 76匝。波形不失真，說(shuō)明該型號(hào)磁芯夠大。加大電壓（也就是電流），直到右邊波形失真，說(shuō)明變壓器B2進(jìn)入飽和。臨界失真的電壓大致為 68V,與標(biāo)準(zhǔn)電流電壓 41.8V之比為163%這就是抗飽和安全系數(shù)。 如果對(duì)上述結(jié)果滿意，把兩邊接線改到sp腳調(diào)整B2次級(jí)匝數(shù)使兩邊sp腳電壓達(dá)到同樣的值，得到次級(jí)18匝。調(diào)整氣隙，會(huì)得到不同繞組參數(shù)和安全系數(shù)。評(píng)估：對(duì)于有峰值電流控制的電路來(lái)說(shuō)， 安全富裕很多，如果窗口允許的話，可以進(jìn)一步減小磁芯。 對(duì)于沒(méi)有峰值電流控制的電路來(lái)說(shuō)， 由于閉環(huán)反饋?lái)憫?yīng)的設(shè)計(jì)差異， 有可能在高壓輕栽突然加載時(shí)，由于過(guò)補(bǔ)償引起超過(guò)Im的峰