Saber 仿真實例教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Saber 仿真實例Saber仿真TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc267472727開關(guān)電源中變壓器的Saber仿真輔助設計PAGEREF_Toc267472727h2HYPERLINKl_Toc267472728一、Saber在變壓器輔助設計中的優(yōu)勢PAGEREF_Toc267472728h2HYPERLINKl_Toc267472729二、Saber中的變壓器PAGEREF_Toc267472729h3HYPERLINKl_Toc267472730三、Saber中的磁性材料PAGER

2、EF_Toc267472730h7HYPERLINKl_Toc267472731四、輔助設計的一般方法和步驟PAGEREF_Toc267472731h9HYPERLINKl_Toc2674727321、開環(huán)聯(lián)合仿真PAGEREF_Toc267472732h9HYPERLINKl_Toc2674727332、變壓器仿真PAGEREF_Toc267472733h10HYPERLINKl_Toc2674727343、再度聯(lián)合仿真PAGEREF_Toc267472734h11HYPERLINKl_Toc267472735五、設計舉例一：反激變壓器PAGEREF_Toc267472735h12HYPER

3、LINKl_Toc267472736五、設計舉例一：反激變壓器（續(xù)）PAGEREF_Toc267472736h15HYPERLINKl_Toc267472737五、設計舉例一：反激變壓器（續(xù)二）PAGEREF_Toc267472737h19HYPERLINKl_Toc267472738Saber仿真實例共享PAGEREF_Toc267472738h25HYPERLINKl_Toc2674727396KW移相全橋準諧振軟開關(guān)電焊電源PAGEREF_Toc267472739h27HYPERLINKl_Toc267472740問答PAGEREF_Toc267472740h27開關(guān)電源中變壓器的Sab

4、er仿真輔助設計經(jīng)常在論壇上看到變壓器設計求助，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，只要我們學會了用Saber這個軟件，上述問題多半能夠獲得相當滿意的解決。一、Saber在變壓器輔助設計中的優(yōu)勢1、由于Saber相當適合仿真電源，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。主要功率級指標是相當接近真實的，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之上的，能夠比較真實的反映材料在復雜電氣環(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

5、段很難獲得的寶貴設計參數(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，極大地加快設計進程，并獲得比手工計算更加合理的設計參數(shù)。saber自帶的磁性器件建模功能很強大的，可以隨意調(diào)整磁化曲線。但一般來說，用mast模型庫里自帶的模型就足夠了。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

6、2種線性變壓器參數(shù)設置（以2繞組為例）：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)，可以不設置rp、rs初級、次級繞組直流電阻值，默認為0，實際應該是該繞組導線的實測或者計算電阻值，在沒有得到準確數(shù)據(jù)前，建議至少設置一個非0值，比如1p（1微微歐姆）k偶合（互感）系數(shù)，建議開始設置為1，需要考慮漏感影響時再設置為低于1的值。需要注意的是，k為0。99時，漏感并不等于lp或者ls的1/100。漏感究竟是多少，后述。其他設置項我沒有用過，不懂的可以保持默認值。非線性變壓器參數(shù)設置（以2繞組為例）：其中：np、ns初級、次級匝數(shù)rp、rs初級、次級繞組直流電阻

7、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置。有了Saber中這兩類變壓器模型，基本上足以應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，最后得出設計數(shù)據(jù)主要靠它了。應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)

8、、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)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：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端電壓，不同材質(zhì)可得到一系列相對端電壓，并

9、與其初始導磁率成比例關(guān)系，從而獲得表中系列材質(zhì)的測試初始導磁率數(shù)據(jù)。當信號源較大時，加大電流到適當?shù)某潭?，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有專門針對磁性材料的建模工具，但是工程上常用的TDK系列，美芯、美磁等標準磁心都沒有開發(fā)對應的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P

10、C40材質(zhì)，可以用“3C8”材質(zhì)完全代替，很多實例反復證明，用“3C8”代替PC40材質(zhì)仿真變壓器或者PFC電感是非常準確的，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）。附1：幾個已知的飛利浦的材質(zhì)文檔四、輔助設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，在最不利設計工況下進行開環(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

11、。需要反復調(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)用一個對應的非線性（目標）變壓器。注意：所有變壓器各繞組都要接地，一次仿真只能針對一個對應的繞組，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。對目標變壓器設置和調(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)整目標是使

12、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?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)系，一般方法應該首先求得（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）變壓器代替第一步驟

13、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，其他電感也應該逐個非線性化，飽和電感、等效漏感等也應納入聯(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0的變壓器損耗。五、設計舉例一：反激變壓器1、開環(huán)聯(lián)合仿真以100W24V全電壓反激變換器為

14、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。主要設計參數(shù)為：輸入電壓85265VAC，對應最低100VDC，最高375VDC輸出電壓24V輸出功率100W，考慮過載20%，即120W，對應負載阻抗4.8歐姆PWM頻率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：其中暫定的偶合系數(shù)k=0.985，可表達約3%的典型漏感。先用極端高壓（375VDC）仿這個電路：占空設在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

15、個漏感引起的尖峰電壓。D3的電壓波形亦如此。增加ls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，D3選擇范圍較寬，可暫不仔細追究。增加吸收（即C1容量）可以降低漏感尖峰電壓，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的值對應一個恰當?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)整應始終使輸出保持在24V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0.24535245724910.2

16、2460265644780.2390265564670.1832530511456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，可以看出還有相當程度的電流連續(xù)（模式）。平均電流1.72A，峰值電流Im=4.17A李工，我看你的變壓器原副邊的GND是一樣的，并沒有實現(xiàn)隔離，這與實際不符？仿真的時候盡量接地，容易成功，實際做你分開就是，又不影響啥五、設計舉例一：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

17、芯為EE2825，接線和初步設置的參數(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，與標準電流電壓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

18、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)反饋響應的設計差異，有可能在高壓輕栽突然加載時，由于過補償引起超過Im的峰值電流，適當富裕的安全系數(shù)是必要的。如果覺得安全系數(shù)還不夠，如果窗口允許的話，可以進一步優(yōu)化氣隙獲得更大的安全系數(shù)，或者選用更大的磁芯。漏感可以放一個線性電感到類比電橋上，驗證一下上階段仿真的漏感：所有繞組電阻設置為最小，比如1p，變壓器副邊短路，調(diào)整電感量，使電橋平衡，得到14uH，這就是漏感，與預計的3%差不多。實際漏感與繞制工藝、繞組（短路）電阻值、氣隙、測試方法都有關(guān)系，不能精確描述和仿真，這里用偶合系數(shù)或者附加等效電感模擬，

19、需要有點經(jīng)驗成分，仿多了就有數(shù)了，我這里是瞎蒙的。其他感性元件電路中L1的電感量470uH，電流平均值0.36A，有效值0.54A，可直接選用0.3mm左右線徑繞制的任何470uH的商品功率電感或者工字直插電感。也可以用附件磁環(huán)電感精確計算電子表格計算一個磁環(huán)電感：Saber中的非線性電感（變壓器）是中間開氣隙的EE磁芯模型，沒有其他結(jié)構(gòu)的開磁路電感模型，也缺少鐵粉芯材質(zhì)模型，因此此電感不能用非線性電感仿真，磁損就仿不出來了。五、設計舉例一：反激變壓器（續(xù)二）3、再次聯(lián)合仿真將變壓器仿真獲得的非線性變壓器數(shù)據(jù)完善，添加繞組電阻值真實參數(shù)（rp=200m、rs=25m），置于主電路中。在變壓器兩

20、繞組邊分別各放置1.5%的線性電感（r=0）去等效3%的漏感。其他元件也盡量采用真實模型。用極端高壓仿，給占空0.22。調(diào)整原邊匝數(shù)np使輸出最接近24V，再觀測副邊匝數(shù)ns對輸出的影響。這些影響主要是匝數(shù)對調(diào)節(jié)性能（占空）、反壓和輸出的影響，要仔細調(diào)整np、ns，直到任何1匝的改變都是不能接受的。必要時調(diào)整C1、L1與之配合。最后得到：np=76，ns=17，D=0.222，Q1漏感尖峰電壓585V，C1=15nF，L1=510uH這組最佳數(shù)據(jù)。檢測D3反壓波形，漏感尖峰比較大，但沒有超壓，稍微吸收一下即可。增加R1、C3吸收。C3大小決定吸收功率，采用330p，調(diào)整R1值，120時效果最好

21、（反壓最低），最大吸收功率1/8W（使用1/2W電阻即可）。最后的仿真電路如圖（壓縮文件FB2附后）：再用極端低壓仿，調(diào)整占空使輸出達到額定值，此時的占空即調(diào)節(jié)范圍的上限。觀察各部波形，如無意外，可以仿一個較長時間，取后面波形穩(wěn)定后的時段（比如仿20ms的后8ms）做全面的數(shù)據(jù)收集分析。仿真可獲得如下設計參數(shù)：變壓器：磁芯參數(shù)：型號EE2825，材質(zhì)PC40，氣隙2mm。繞組參數(shù)：原邊76匝，線徑0.7mm，副邊17匝，線徑1.0mm檢測參數(shù)：原邊電感460uH，電阻200m，副邊電感24.6uH，電阻25m，漏感3%運行參數(shù)：（極端低壓120%超載）原邊：最大電流平均值1.68A，有效值2.

22、27A（對應銅損2.272*0.2=1.03W），峰值4.0A，飽和電流6.8A，抗飽和安全系數(shù)170%，輸入功率129.78W（電流波形*電壓波形之平均值）副邊：最大電流平均值5.0A，有效值7.89A（對應銅損7.892*0.025=1.56W），輸出功率125.95W變壓器最大損耗=輸入功率-輸出功率=3.83W，其中銅損2.6W，磁損1.23WQ1：工作波形電流應力（極端低壓120%超載）：電流連續(xù)，最大電流平均值1.74A，峰值4.08A，損耗2.92W，開關(guān)損耗極低，導通損耗為主。電壓應力（極端高壓120%超載）：電流不連續(xù)。最高反壓587V，硬關(guān)斷，平均損耗1.62W，峰值損耗功

23、率1550W。L1L1最大電流平均值0.4A，有效值0.55A，峰值1.1A，電感量510uH，據(jù)此設計電感如下：得到電阻775m，銅損0.23W。其他元件D1：最大電流平均值0.341A，峰值4.28A，損耗0.877W，電壓應力599V，建議型號BYV26C（需強化散熱）D2：最大電流平均值0.40A，峰值1.1A，損耗0.352W，電壓應力637V，建議型號1N4007D3：最大電流平均值5.0A，峰值18.33A，損耗5.31W，電壓應力126V，建議型號MBR10200R1：最大電壓有效值3.55V，損耗0.105W，建議型號1201/2W效率及損耗總損耗和分類統(tǒng)計的損耗一般是不完全

24、相等的，些許誤差是由于仿真波形不穩(wěn)定之故。紋波：最大紋波發(fā)生在極端低壓120%超載時，幅值26mVpp，改用1000uF濾波電容，幅值上升為57mVpp。標準工況（300V100W）紋波幅值20mVpp，波形如圖：附：最后仿真電路“FB2”1、發(fā)現(xiàn)Q的匝比反壓正常，漏感反壓超高，分析認為是模擬漏感兩邊都放置了1%，共2%了，去掉一邊（或者減半）。反激變壓器的原變一般漏感還是比較大的，控制在3%都比較成功了，1%恐怕很難滿足吧？2、用整流管后，吸收反壓尖峰消失。這句話什么意思？開始不是用整流管嗎？感謝王總提醒，有印象說漏感以1%上下為宜，既然3%，就重新按照3%左右仿真，數(shù)據(jù)陸續(xù)刷新中。大家再看

25、看還有哪些參數(shù)取值不合理，我好及早修改，盡量給此貼一個有典型意義的實例。我一般把工頻整流管叫整流管，這里是2只1N5406并的。之前仿真用的是MBR1090或者MUR1520，我一般不叫整流管，叫快恢復或者續(xù)流管。注:數(shù)據(jù)刷新后這個驗證相關(guān)內(nèi)容沒有保留.1、3%這個我也是經(jīng)常在論壇看到大家都這么提，具體多少我也不清楚，看看大家有沒有不同的意見。2、在高頻整流輸出中，怎么能采用工頻的整流管呢？有沒有看一下整流管中的電流時什么樣子的？是啊，用工頻的整流管，吸收回路豈不是高頻阻抗和損耗很大？不是說驗證反響恢復時間對尖峰電壓的影響嘛，整流管和快恢復除了反向恢復時間上的區(qū)別外，還有什么呢？順便觀測了此改變對于原邊的影響，沒感覺有多大影響。這個只是驗證，并沒有真的要這樣用，電流就沒注意了，也沒有去測損耗如果是想驗證反向恢復時間對尖峰的影響，不能采用反向恢復時間不一樣的快恢復嗎？不知道仿真里面快恢復有沒有反向恢復時間這項參數(shù)的設置這項檢測只能采用物理模型才能說明問題，物理模型元件的參數(shù)是結(jié)尺寸、滲雜濃度這樣的參數(shù)，而且也不能修改。況且，就是實際元件，也不好找到同樣情況只是反向恢復不同的二極管系列，你找200V10A的看看，有哪些型號？Saber仿真實例共享Saber仿真軟件作為一種設計工具對電源工程師是非常重要的，現(xiàn)在發(fā)起此帖，請大家把自己已經(jīng)調(diào)試成功的Saber仿真實