開關(guān)電源中變壓器的Saber仿真輔助設(shè)計一：反激要點

1、經(jīng)常在論壇上看到變壓器設(shè)計求助， 包括：計算公式，優(yōu)化方法，變壓器損耗，變壓器飽和, 多大的變壓器合適??？其實，只要我們學(xué)會了用Saber這個軟件，上述問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)計中的優(yōu)勢：1、由于Saber相當(dāng)適合仿真電源，因此對電源中的變壓器營造的工作環(huán)境相當(dāng)真實，變壓器不是孤立地被防真，而是與整個電源主電路的聯(lián)合運行防真。主要功率級指標(biāo)是相當(dāng)接近真實的，細節(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

2、的寶貴設(shè)計參數(shù)。3、作為一種高性能通用仿真軟件，Saber并不只是針對個別電路才奏效，實際上，電力電子領(lǐng)域所有電路拓撲中的變壓器、電感元件，我們都可以把他們置于真實電路的仿真環(huán)境中來求解。從而放棄大部分繁雜的計算工作量，極大地加快設(shè)計進程， 并獲得比手工計算更加合理的設(shè)計參數(shù)。4、由于變壓器是置于真實電路的仿真環(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，對變壓器的仿真實際上成了對主電路的仿真，從而不僅能夠獲得變壓器的設(shè)計參數(shù)，還同時獲得整個電路的運行參數(shù)以及主要器件的最佳設(shè)計參數(shù)。二、Saber中的變壓器我們用得上的Saber中的變壓器是這些：（實際上是我只會用這些百）Brow

3、se Search Search Dbiect A®String, ConbP 4恰 Found: 5439T raisformer, 2 Wind NonlinearT ransformer, 3 Wind LinearT ransforHer, 3 Wind NonlneafTranjformer, 4 Wind LinearTransformer, 4 Wind NonlinearT ransfamer, 5 Wind LinearI r-irffofmer. 5 WindT 值向orrr聞.$ Wind LinearT ransformeL 6 Wind Nonlinear分

4、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-U Incfucbors & Uuu口linuInductor -inductor 1Inductor, 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）R PropEdit Attrilutss H«l?N酬eValueprimitivexfrl2(J QtiTaryai_pwrIp300u叩E.L)rp1pIs400uns6Qrs1prefxfrl

5、2_3lenundefareaundefur*k0.99New PropertyN 峨f ValueQualifier:|Any QualifierJHelp: persisHnHb日ryOK 7 1IICancelApply其中：lp 初級電感量ls次級電感量np、ns 初級、次級匝數(shù)，只是顯示用，不是真參數(shù)，可以不設(shè)置rp、rs 初級、次級繞組直流電阻值，默認為 0,實際應(yīng)該是該繞組導(dǎo)線的實測或者計 算電阻值，在沒有得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)前，建議至少設(shè)置一個非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再設(shè)置為低于1的值。需要注意的是，k為0。99時，漏感

6、并不等于lp 或者ls 的1/100 。漏感究竟是多少， 后述。其他設(shè)置項我沒有用過，不懂的可以保持默認值。非線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以 2繞組為例）Qualiher:Any QualifierGKCancel其中：np、ns 初級、次級匝數(shù)rp、rs 初級、次級繞組直流電阻值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len fe米。磁路長度，單位米，這里的 69.7m 是EE3528磁芯的數(shù)據(jù)len_air氣隙長度，單位米，這里的 1.8m是最后獲得的設(shè)計參數(shù)之一。matl磁芯材質(zhì)，下一講了其他參數(shù)我也不會用，特別是沒有找到表達漏感的設(shè)置。有了

7、Saber中這兩類變壓器模型，基本上足以應(yīng)付針對變壓器的仿真了。他們的特點是，xfrl模型速度快，不會飽和，而且有漏感表達，xfrnl 模型真實，最后得出設(shè)計數(shù)據(jù)主要靠它了。應(yīng)用這兩個模型有幾個小技巧需要掌握：1、已知lp、ls求匝比，或者已知lp、匝比求ls2、已知線徑、股數(shù)、匝數(shù)、溫度，計算繞組電阻值3、已知磁芯型號，查磁芯手冊獲得area、len_fe 參數(shù) 附件：（磁芯手冊）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：測窩段據(jù)菲利普磁芯手冊給出的數(shù)據(jù)材質(zhì)導(dǎo)磷率B導(dǎo)磁率B說明3E51000034010000380適合在寬帶或EMI濾波中使用高導(dǎo)材

8、料.3E2A4500380無數(shù)據(jù)3F3300041020004位功率或一般用途的中頻。2-0. 5MH公材料3B726004002300440低頻（最高0.1MHz）濾波材料。3C82400440無數(shù)據(jù)（可以代替FC40材質(zhì)）3C6A2200480無數(shù)據(jù)3c852000440無數(shù)據(jù)1750410無數(shù)據(jù)3D3750380750.380中頻音頻材料g 2Oz）4C41202S0無數(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 法用的仿真電路實際上是個電橋，如圖：電路左

9、右對稱分流，左邊是一線性（理想）電感做參照，右邊是需要檢測的非線性電感或者變壓器。當(dāng)信號源很小時，比如 1mV特定已知的材質(zhì)（比如" 3D3'）磁芯電感通過較大阻值的電 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)的測試初始導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)。當(dāng)信號源較大時，加大電流到適當(dāng)?shù)某潭龋?被測試電感會出現(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)的測試B值。這個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)實在太少，盡管Saber有專門針對磁性

10、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)磁心都沒有開發(fā)對應(yīng)的 Saber磁芯材質(zhì)模型，這個重 要的工作有待有心人或者廠家跟進（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鎰鋅鐵氧體功率磁芯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PC40材料本身參數(shù)的離散性（幾個百分點）。四、輔助設(shè)計的一般方法和步驟1、開環(huán)聯(lián)合仿真 首先需要搭建在變壓器所在拓撲的電路，在最不利設(shè)計工況下進行開環(huán)仿真。 為保

11、證仿真成功，一般先省略次要電路結(jié)構(gòu)，比如控制、保護環(huán)路以及輸入輸出濾波環(huán)節(jié)，盡量保持簡潔的主電路結(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)：變壓器初級最佳電感量lp變壓器次級電感量及大致的匝比變壓器初級繞組上的電流波形，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， 另一側(cè)用一個對應(yīng)的非線性（目標(biāo)）變壓器。注意

12、： 所有變壓器各繞組都要接地， 一次仿真只能針對一個對應(yīng)的繞組， 且繞組電阻rx 不能為 0。對稱調(diào)整電路電流，使參照變壓器初級上的峰值電流= 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)整中有個優(yōu)化參數(shù)的問題， 由于 Im 是確定的， 在這個偏置電流下， 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， 能夠使其達到參照電感量。換句話說， 如果選用再小一號的磁芯則不能達到此目的（要飽和）。其中，匝數(shù)和氣隙開度有微妙之關(guān)

13、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，再行仿真。其中，由于匝數(shù)已經(jīng)求得，可通過簡單計算可求得繞組電阻，應(yīng)修改模型中這個參數(shù)?，F(xiàn)在的仿真更接近真實的仿真，可以進一步觀察變壓器在電路中的表現(xiàn)，或許進一步調(diào)整優(yōu)化之。采用同樣的手段，其他電感也應(yīng)該逐個非線性化，飽和電感、等效漏

14、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。的變壓器損耗。五、設(shè)計舉例一：反激變壓器1、開環(huán)聯(lián)合仿真以100W24日電壓反激變換器為例，最簡潔的開環(huán)仿真電路如圖（仿真壓縮文件FB1附后）：注：這里采用無損吸收方式，以便更仔細的觀察吸收的細節(jié)和效果。XfTi2ci °4Q0u10umuri520BlQ1spwl I n60S51 + ' 2Qu 0.2 LRPWM

15、n.gm主要設(shè)計參數(shù)為: 輸入電壓 85265VAC對應(yīng)最低 100VDC 最高375VDC值流電壓(Volts Direct Current)輸出電壓24V輸出功率100W考慮過載20%即120W對應(yīng)負載阻抗 4.8歐姆PW順率 50KHz先采用一個2繞組線性變壓器仿真。先初步擬訂的變壓器參數(shù)如下:Si Properties ofifri2-xfrl2_1fEdit Attributes HelpNameValueIprimirttve的2< a上libraryaUpwrlp4G0u(|np1p*口0*Is10ut1nslp*h0回rfii2j廝undefareaundef*iu1*k

16、0935*(New PrnnprliilfNpyj ValijftlQualifier：Any QuakerJH國p：OKCancelApplyJL其中暫定的偶合系數(shù) k=0.985 ,可表達約3%勺典型漏感。先用極端高壓（375VDC仿這個電路：占空設(shè)在0.2左右。調(diào)整變壓器次級電感l(wèi)s ,使輸出達到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，最前端還有個漏感引起的尖峰電壓。D3的電壓波形亦如此。6Q0.0400.0200 0-200.01.91 rh增加Is 值可以降低Q1的反射電壓，同時增加D3的反射電壓。調(diào)整ls使Q1的反射電壓 低于一個可以接受的值

17、，D3選擇范圍較寬，可暫不仔細追究。增加吸收（即C1容量）可以降低漏感尖山I電壓，同時調(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可以接受的值。不同lp的值對應(yīng)一個恰當(dāng)?shù)膌s 值，可以獲得一個最大的占空比，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24 V條件下進行。在C1=15nF, L1=470uH條件下，可以得到如下一組數(shù)據(jù)：占空比lp(uH)ls(uH)尖峰電壓反射電壓0.24535245724910.22460265644780.2390265564670.1832530511456我們暫時按照占空比=0.22這一組數(shù)據(jù)進行下面的設(shè)

18、計。再用極端低壓（100VDC仿這個電路增加占空比，直到輸出達到24V,此時占空比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）。平均電流1.72A,峰值電流Im=4.17A附：聯(lián)合仿真電路五、設(shè)計舉例一：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，同時在右邊放一個非線形變壓器B2,初步擬訂磁芯為EE2825,接線和初步設(shè)置的參數(shù)如圖：調(diào)整電源電壓（41.8V）,使B1初級回路的峰值電流剛好達到lm=4.17A檢測此時B1的pp腳電壓。調(diào)整B2初級匝數(shù)使兩邊pp腳電壓達到同樣的值（即感抗相等 電橋平衡），得到初級 76匝。波形不失真，說明該型號磁芯夠大。加大電壓（也就是電流），直到右邊波形失真，說明變壓器B2進入飽和。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)。如果對上述結(jié)果滿意，把兩邊接線改到sp腳調(diào)整B2次級匝數(shù)使兩邊sp腳電壓達到同樣的值，得到次級18匝。調(diào)整氣隙，會得到不同繞組參數(shù)和安全系數(shù)。評估：對于有峰值電流控制的電路來說，安全富裕很多，如果窗口允許的話，可以進一步減小磁芯。對于沒有峰值電流控制的電路來說，由于閉環(huán)反饋響應(yīng)的設(shè)計差異，有可能在高壓輕栽突然加載時，由于過補償引起超過Im的