開關電源中變壓器的Saber仿真輔助設計:反激

常常在論壇上看到變壓器設計求助，包括：計算公式，優化辦法，變壓器損耗，變壓器飽和，多大的變壓器適宜啊？

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處理。

一、Saber在變壓器輔助設計中的優點：

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境相當真切，變壓器不是孤立地被防真，而是與整個電源主電路的聯合運行防真。緊要功率級指標是相當接近真切的，細節也可以被充足體現。

2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基礎之上的，能夠比較真切的反映材料在復雜電氣環境中的表現，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珍貴設計參數。

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，電力電子范疇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切電路的仿真環境中來求解。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。

4、由于變壓器是置于真切電路的仿真環境中求解的，所有與變壓器有關的電路和器件均能夠被聯合仿真，對變壓器的仿真切際上成了對主電路的仿真，從而不僅能夠獲得變壓器的設計參數，還同時獲得整個電路的運行參數以及緊要器件的最佳設計參數。

二、Saber中的變壓器

我們用得上的Saber中的變壓器是這些：

分別是：

xfrl線性變壓器模型，2~6繞組

xfrnl非線性變壓器模型，2~6繞組

單繞組的就是電感模型：也分線性和非線性2種

線性變壓器參數設置（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，只是顯示用，不是真參數，可以不設置

rp、rs初級、次級繞組直流電阻值，默認為0，實際應當是該繞組導線的實測或者計算電阻值，在沒有得到準確數據前，提議至少設置一個非0值，比如1p（1微微歐姆）

k偶合（互感）系數，提議開始設置為1，要考慮漏感影響時再設置為低于1的值。要留意的是，k為0。99時，漏感并不等于lp或者ls的1/100。漏感到底是多少，后述。

其他設置項我沒有用過，不懂的可以保持默認值。

非線性變壓器參數設置（以2繞組為例）：

其中：

np、ns初級、次級匝數

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平方毫米。

len_fe磁路長度，單位米，這里的69.7m是EE3528磁芯的數據

len_air氣隙長度，單位米，這里的1.8m是最后獲得的設計參數之一。

matl磁芯材質，下一講了

其他參數我也不會用，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模型真切，最后得出設計數據緊要靠它了。

使用這兩個模型有幾個小技巧要掌握：

1、已知lp、ls求匝比，或者已知lp、匝比求ls

2、已知線徑、股數、匝數、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種材質的磁心，參數如下：

Saber的磁心采用的是飛利浦的材質系列，但是不知道什么原由除了表中黃色部分的4種材質外，查不到其他材質的文檔。因此采用了類比法用仿真求出了其他材質的緊要參數。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，右邊是要測試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（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，不同材質可得到一系列相對端電壓，并與其初始導磁率成比例關系，從而獲得表中系列材質的探測初始導磁率數據。

當信號源較大時，加大電流到適當的程度，被探測電感會出現臨界飽和跡象（如圖中右窗口波形剛開始變形），類比可得到各系列材質的探測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轉換電路，附后，要的可以下載。

可惜的是，可選擇的材質確實太少，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對應的Saber磁芯材質模型，這個緊要的工作有待有心人或者廠家跟進（我覺得起碼廠家應當花錢完善自己的磁材模型）。

所幸的是，我們做開關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，可以用“3C8”材質完全代替，很多實例反復證明，用“3C8”代替pC40材質仿真變壓器或者pFC電感是非常準確的，仿真獲得的各種參數誤差已經小于pC40材料本身參數的離散性（幾個百分點）。

四、輔助設計的一般辦法和步驟

1、開環聯合仿真

首先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仿真。

為保證仿真成功，一般先省略次要電路結構，比如控制、保護環路以及輸入輸出濾波環節，盡量保持簡潔的主電路結構。

器件可以使用參數模型（_sl后綴)甚至理想模型。

變壓器、電感一般先采用線性模型。

此階段仿真緊要調整并獲得變壓器初、次級最適宜電感量，或者電感量準許范圍。要反復調整，逐漸加上濾波和物理器件模型，最后獲得如下參數：

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，緊要是峰值電流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，另一側用一個對應的非線性（目標）變壓器。

留意：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，這里波形和頻率不緊要，可以筆直用工頻正弦。

對目標變壓器設置和調整不同的參數，包括：磁芯型號參數、匝數、氣隙開度，一般用“3C8”材質。

調整目標是使電橋平衡，即類比電橋兩邊獲得同樣幅度的不失真波形。

調整中有個優化參數的問題，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，適當的匝數和氣隙開度，能夠使其達到參照電感量。換句話說，倘若選用再小一號的磁芯則不能達到此目的（要飽和）。

其中，匝數和氣隙開度有微妙之關系，一般辦法應當首先求得（調試得）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，再減少匝數直到要的參照的電感量。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（最小的繞組電阻和窗口占用）。

其中：抗飽和安全系數=臨界飽和電流/Im。

3、再度聯合仿真

把類比得到的非線性（目標）變壓器代替第一步驟聯合仿真電路中的線性變壓器，再行仿真。其中，由于匝數已經求得，可通過簡單計算可求得繞組電阻，應修改模型中這個參數。

今朝的仿真更接近真切的仿真，可以進一步觀察變壓器在電路中的表現，或許進一步調整優化之。

采用同樣的手段，其他電感也應當逐個非線性化，飽和電感、等效漏感等也應納入聯合仿真。

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）均勻值

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）均勻值

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、開環聯合仿真

以100W24V全電壓反激變換器為例，最簡潔的開環仿真電路如圖（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和效果。

緊要設計參數為：

輸入電壓85~265VAC，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如下：

其中暫定的偶合系數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。調整變壓器次級電感ls，使輸出達到24V。

觀察Q1的電壓波形，電壓應力分明分為兩部分，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。

新增ls值可以降低Q1的反射電壓，同時新增D3的反射電壓。調整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。

新增吸收（即C1容量）可以降低漏感尖峰電壓，同時調整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的值對應一個恰當的ls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節性能。

以上調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據：

我們暫時按照占空比=0.22這一組數據進行下面的設計。

再用極端低壓（100VDC）仿這個電路

新增占空比，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繼續（模式）。

均勻電流1.72A，峰值電流Im=4.17A

附：聯合仿真電路

五、設計舉例一：反激變壓器（續）

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，初步擬訂磁芯為EE2825，接線和初步設置的參數如圖：

調整電源電壓（41.8V），使B1初級回路的峰值電流剛好達到lm=4.17A

測試此時B1的pp腳電壓。調整B2初級匝數使兩邊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。

倘若對上述結果滿意，把兩邊接線改到sp腳

調整B2次級匝數使兩邊sp腳電壓達到同樣的值，得到次級18匝。

調整氣隙，會得到不同繞組參數和安全系數。

評估：

關于有峰值電流控制的電路來說，安全富裕很多，倘若窗口準許的話，可以進一步減小磁芯。

關于沒有峰值電流控制的電路來說，由于閉環反饋應和的設計差異，有可能在高壓輕栽猛然加載時，由于過補償引起超過Im的峰值電流，適當富裕的安全系數是必要的。

倘若覺得安全系數還不夠，倘若窗口準許的話，可以進一步優化氣隙獲得更大的安全系數，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、探測辦法都有關系，不能精確描述和仿真，這里用偶合系數或者附加等效電感模擬，要有點相關經驗成分，仿多了就有數了，我這里是瞎蒙的。

其他感性元件電路中L1的電感量470uH，電流均勻值0.36A，有效值0.54A，可筆直選用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《磁環電感精確計算電子表格》計算一個磁環電感：

Saber中的非線性電感（變壓器）是中間開氣隙的EE磁芯模型，沒有其他結構的開磁路電感模型，也缺少鐵粉芯材質模型，因此此電感不能用非線性電感仿真，磁損就仿不出來了。

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