1、開關(guān)電源中變壓器的Saber仿真輔助設(shè)計(jì)一：反激一、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?/p>

2、件，我們都可以把他們置于真實(shí)電路的仿真環(huán)境中來求解。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)。附件下載磁芯手冊(cè).XLS二、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)用這些亟）BrowseSearch；已a(bǔ)rch0tiject:AnyStringMatch:Cont；曠PartsFcurid;54

3、39IrantirnriBr,2V/indLineariransForm&b2WindNonlinearTranForm&L3Wine!LinearTraiiormer,3WindNonlinearTransfbrmer,4WinciLineariranefornneL4WindNonlinearTransform&b5WindLinearIransformei5WindNonlinearIrsrjsforrri&r,6WindLinearTrarisfornn&L6VihdNonlinear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

4、線性和非線性2種線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以2繞組為例）:ElitAttndu七日HelpNameValueQualifier:AnjQualified，Help;persistent!b郎KCancelAppljj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1/10

5、0。漏感究竟是多少，后述。其他設(shè)置項(xiàng)我沒有用過，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）: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

6、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Ip、Is求匝比，或者已知Ip、匝比求Is2、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)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)試數(shù)據(jù)菲利普磁芯手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)材質(zhì)導(dǎo)磁率B導(dǎo)磁率Bi說明業(yè)10000340roooo；:S80適合在寬帶或EMI濾波中使用烏導(dǎo)材料。3E2A450038.0.無數(shù)搖3F33000410.2000440功率或一股用途的中頻2-0-.聊H刃材料-3E72-60040

7、0sSqo440低頻(最高0.1船I曲濾波材料。3CS.24；廚；無數(shù)據(jù)何以代替代40材質(zhì)廠3C6A2-2-00400無數(shù)據(jù)3C852000無數(shù)據(jù).:3B91750C:生.10.無數(shù)據(jù)7503307503B01中頻音頻材料心迦MHz魁4C4120：.280Saber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：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lmV,特定已知的材質(zhì)（比如“3D3

8、”）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(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

9、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PC40材料本身參數(shù)的離散性（幾個(gè)百分點(diǎn)）。附1：幾個(gè)已知的飛利浦的材質(zhì)文檔3B7SPECIFICATIONSSPECIFICATIONS3F3SPECIFICATIOHSAmdaumftou&neyfilterand,unifl曹nftataelgUnizedfcrfretwncesftom0.2upIo2MHz.Amediumfr&Quencypo

10、wermJIen*kwusempowerandg沁宙IpurpueiransWiers翡他i鐘仙咸酣0.2D.5MUI.SYMBOLCONDITIOhlS.VALUEUNIT鼻25弋.S10站世ClSmT3DQ=20%B2Su轉(zhuǎn)IM1200wm10DC;IQkHz;12DD344i0320imTtan&Pi25-er詢1142,孔25同r25-c0-BT25C1MH2.0.J5fflT曲r!2S-X1D120X1Q-*業(yè)一25C10J(怦;Q.25frtTHr*20107(1CilOhKz0.25mTfOQ.6Ml0rr20Q35ctC2WOOpR1密2.77Wmbr20035ct其中：變壓器

11、先采用3繞組線性模型，初步設(shè)置的參數(shù)如下:EditAttritutesHelpAnyQualifierprimi-ie腑莎librarydipwr111mn1undefI22u藥undef固n3undefrefXfrl3Jlenundefsresundefur1M211K231r145mrS-0.2mr30.2hNeProperNeydueNameValueQualifier:Help:OK.Cancel仿真電路附后：第一步：調(diào)整變壓器及電路初步參數(shù)將變壓器耦合系數(shù)kl2=kl3=k23=l（緊耦合，無漏感）。仿真調(diào)整副邊電感l(wèi)2、l3，使輸出為12V,得到12=l3=1.6uH。觀察變壓器原

12、邊電流:電流連續(xù)，且有相當(dāng)富裕，說明原邊電感可以減少。觀察輸出儲(chǔ)能電感L1電流波形，紋波很小，說明L1還可以減小。保持輸出12V，調(diào)整變壓器電感，直到原邊電感接近臨界模式，調(diào)整L1電感，直到電流紋波系數(shù)大致為30%。最后得到變壓器ll=400uH、l2=l3=640nH，Ll=180nH。校驗(yàn)一下各部電壓應(yīng)力，沒有超壓，最后校驗(yàn)一下死區(qū):遠(yuǎn)無直通可能，電流也是連續(xù)的。本階段調(diào)試OK第二步：調(diào)整吸收參數(shù)將變壓器耦合系數(shù)設(shè)定為k=0.995,對(duì)應(yīng)1%典型漏感。調(diào)整副邊吸收RC，直到滿足二極管反壓要求。得到：C=15nF、R=2.2Q最佳，二極管反壓32.3V,吸收功率3.54W。改變變壓器耦合系數(shù)

13、:即：只要漏感2%,二極管反壓即可35V。檢測(cè)原邊開關(guān)管電壓沒有尖峰。采集變壓器副邊電流、原邊電流、電感L1電流波形參數(shù):即：副邊峰值電流Ism=97A，平均電流Isa=41.8A原邊峰值電流Ipm=5.84A，有效電流Ipr=3.56A儲(chǔ)能電感峰值電流I1m=97A，平均電流Ila=83.6A第三步：變壓器仿真將上階段仿真的線性變壓器B1復(fù)制到電橋電路中。個(gè)磁芯再放一個(gè)三繞組非線性變壓器B2到電橋的另一臂，大致估計(jì)型號(hào)，比如EE42，設(shè)置好B2的磁芯參數(shù)。所有繞組電阻設(shè)為最?。╨p），每個(gè)繞組保持一端接地。如圖:KZ十、mk12:0.-995.O200IjxfmB4.F!20.0IIEm2a

14、EE42/21/20bte曰:235ljlsn_fe:&7.8mlen_air:Omatl:3eBH3：11pu=)采用一個(gè)與電路PWM同頻率（這里是lOOKHz）的正弦電壓源驅(qū)動(dòng)這個(gè)電橋。先仿副邊繞組，調(diào)整激勵(lì)源電壓（105V）或者分流電阻（1Q）,使B1的副邊電流達(dá)到峰值電流Ism=97A。調(diào)整B2副邊繞組匝數(shù)，使電橋平衡。這里，即使B2副邊繞組只有1匝，電橋仍然不能平衡，可以選擇的是采用半匝結(jié)構(gòu)、或者增加氣隙。調(diào)整氣隙到0.5mm，電橋平衡。且B2波形無畸變，說明磁芯夠大。增加激勵(lì)電流，直到波形畸變。臨界值170A，抗飽和安全系數(shù)=170/97=175%。安全系數(shù)很大，說明磁芯偏大，可考

15、慮減少一號(hào)磁芯。改用EE42/21/15磁芯，重復(fù)上述仿真，得到：副邊繞組匝數(shù)n2=n3=1，允許最大氣隙0.345mm，抗飽和安全系數(shù)130%。評(píng)估：匝數(shù)，匝數(shù)不是連續(xù)分布，只能是1、2。等自然數(shù)，特定情況半匝是可能的。設(shè)計(jì)中一般總希望用最少的匝數(shù)達(dá)成拓?fù)湫枰?，以便獲得最少的銅損。經(jīng)仿真，半匝不能滿足要求，最少是1匝。氣隙，氣隙是客觀存在的，即使磨成鏡面的磁芯，仍然有um數(shù)量級(jí)的氣隙存在,這里的345um是最大允許值，適當(dāng)?shù)臍庀度哂嗔浚ㄟ@里是00.345mm）可保證規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的安裝容差。氣隙超出最大允許值意味著拓?fù)鋵⑼顺鲭娏鬟B續(xù)模式?？癸柡桶踩禂?shù)，常規(guī)設(shè)計(jì)方法不能明確得出這個(gè)參數(shù)，因此這個(gè)

16、參數(shù)究竟多大合適我說了不算，需要工程進(jìn)一步驗(yàn)證。如果這個(gè)參數(shù)可以用完，那我們還可以再減少一號(hào)磁芯。樹原邊：全橋變換電壓傳輸是比例關(guān)系，根據(jù)“感量比等于匝比的平方”的關(guān)系，對(duì)應(yīng)400uH:640nH的感量比，可以算出匝比為25：1。即：原邊25匝。原邊仿真的任務(wù)是確定在不同氣隙狀態(tài)下變壓器的繞組電感量。將電橋改接到原邊設(shè)置低頻（50Hz）小電流（1V1KQ）激勵(lì)，使電橋阻抗遠(yuǎn)大于感抗。保持氣隙345um，調(diào)整B2原邊匝數(shù)，使電橋平衡。得到原邊匝數(shù)25匝，與計(jì)算吻合。將B2氣隙設(shè)置為0,調(diào)整B1原邊電感，使電橋平衡，得到變壓器原邊最大電感Lpm=3.7mH。以及對(duì)應(yīng)副邊電感5.5uH。不同的氣隙寬

17、度對(duì)應(yīng)不同的電感量。其中，漏感是按1%典型值計(jì)算的，原邊副邊各自0.5%。單位為uH。附件下載第四步：變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定變壓器繞組結(jié)構(gòu)。EE42/21/15磁芯的窗口面積是278mm2,非常富裕?？稍黾訉?dǎo)流截面以減少銅損。擬定載流密度3A/mm2。原邊電流3.56A，需要截面A=3.56/3*25=30mm2副邊電流41.8A*2,需要截面差不多，A=41.8/3*2=28mm2兩項(xiàng)合計(jì)，窗口利用系數(shù)不到21%,很單薄了。出現(xiàn)這種情況一般需要重新選磁芯（比如用兩只小磁芯疊繞），另外一種選擇是將副邊繞組定為2匝（如果有其他理由的話）。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出繞組大致電阻：原邊25mQ，

18、副邊0.1mQ。儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì):偏晝耳流：A37匝數(shù)|4磁玩型號(hào)硅鋁加典初始導(dǎo)磁率匪60r卜徑0Diran22.9ii/uiL.48.7計(jì)算電感LuH0.知導(dǎo)線直徑:逵:mm11蘇導(dǎo)線根數(shù).70導(dǎo)線我面1Amm217.24有裁電流.3.A34載沅密度A/i24.37等效電阻R-irG0.17銅損.:Pts.開1.2焊盤直徑frirri6.6窗口系數(shù)489.6第五步：聯(lián)合仿真將上述非線性變壓器B2和電感置于聯(lián)合仿真電路中。先按照氣隙=345um的數(shù)據(jù)設(shè)置漏感，調(diào)整占空，使輸出=12V,檢查各部波形無誤，電流連續(xù)，紋波合理，效率92.8%。Q1廠十JQ2+12.0ii.Larea:178ulenfe

19、:S7Qm寸=1寸1=1PIBlR1ml02m3mbr20035ctnT2525mlen_air:345umatl:3cST,P2卸OF：T-OO00300UVout=12VPout=-|KWEf=92.8-十+n2:10.1mm2n3:10.1m3-.2nD1mbr20035ct1.Om1.3m0.31u0.17m再將氣隙設(shè)置為0,漏感也對(duì)應(yīng)調(diào)整。出現(xiàn)兩個(gè)問題：一是副邊二極管反壓超標(biāo)，重新調(diào)整RC吸收參數(shù)，R1改為6.2Q即達(dá)到最佳配合，反壓35V。二是輸出電壓偏低，加占空無果（不知何故）。為增加輸出電壓，將原邊匝數(shù)減少1匝，即24匝。0K!然而，實(shí)際應(yīng)用中，氣隙寬度既不會(huì)等于0,也不應(yīng)該超

20、過最大允許值，而是有一個(gè)比較適中的分布，這個(gè)值主要與工藝有關(guān)，是個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)值。假設(shè)這個(gè)寬度為0.1mm，仿這個(gè)情況。暈！副邊二極管反壓又超標(biāo)，需要調(diào)整吸收參數(shù)。由于氣隙寬度（實(shí)際上是漏感相對(duì)值）顯著影響二極管反壓，為給安裝工藝誤差引起的反壓變化留夠余量，加大C2到22nF，并在此基礎(chǔ)上求得最佳配合為R=3.3Q,二極管反壓32.7V。最后電路如圖：13.0512.0-1.Om3.0m1時(shí)QSQ-IELOQ34.7u4-RTU1Q-im3n3:10.1marea:178u|pn_fie-79mlen_air:100umatl:,3c8,n1:2425mn2:10.1m8.2n呂7:L口G暑g_口鉛

21、dlflo.oC222n-VW3.0mq.OniLLLLr8.2nDImbr20035ctD2mbr20035ct32.65VLLLId0.31u0.17mCl22mVout=12VPout=1KV/Ef=91.8%各部波形:11Maximum:95.249兩I卜cx)m1hrrJI|Ave:41.672TV|kJu分別為:1、輸入電流波形：平均值3.115A，紋波成分1.406A。2、上管電壓波形：峰值350.7V。3、上管電流波形：平均值1.56A，峰值4.81A。4、上管損耗波形：5.41W，偏大。5、下管電壓波形6、下管電流波形7、變壓器原邊電流波形：有效值3.45A，峰值4.68A。8、變壓器副邊電流波形